近日，最新全球超級計算機500強榜單公布來自中國的“天河二號”，以比第二名美國的“泰坦”快近一倍的速度再度登上榜首，美國專家預測，在一年時間內(nèi)，“天河二號”還會是全球最快的超級計算機。
天河二號之所以有如此優(yōu)異的表現(xiàn)與其系統(tǒng)配置息息相關(guān)。這套系統(tǒng)采用了3.2萬顆Intel Xeon E5-2692 v2 2.2GHz 12核心處理器、4.8萬塊Xeon Phi 31S1P 57核心協(xié)處理計算卡、312萬個計算核心，使得其運算速度每秒高達54.9千萬億次浮點。
"微異構(gòu)"奪冠 預示高性能未來發(fā)展趨勢
高性能計算一直以來都是人們比較關(guān)注的領域，其作為科學研究的重要手段被廣泛應用于分子物理、分子生物學、高能物理、石油勘探等領域。例如：我們可以利用高性能計算來設計出阻力最小、最省油，但是抓地能力更好、更安全的汽車。
因此，高性能計算的精確度和效率是不斷推動工業(yè)、科學研究進步的重要因素。例如本次奪冠的“天河二號”的計算能力是2012年11月TOP500榜單中冠軍的計算能力的兩倍，這意味著相同的計算工作天河二號可以縮短一半時間完成。
為何天河二號會有如此大的提升呢？這主要是“天河二號”采用了英特爾至強處理器+只能融合協(xié)處理器所構(gòu)成的“微架構(gòu)”計算系統(tǒng)。該系統(tǒng)即具有多種類型、可提供計算力的硬件架構(gòu)，但卻由通用編輯模型予以支持，簡化開發(fā)和優(yōu)化過程。這使得“天河二號”成為了最具能效的系統(tǒng)之一(系統(tǒng)總功率為17.8兆瓦)。
“微架構(gòu)”計算系統(tǒng)。
如今越來越多的高性能計算系統(tǒng)開始采用異構(gòu)模式來解決冰箱計算的任務。但主要矛盾是編輯適用于這種異構(gòu)計算環(huán)境的程序，一方面要盡可能好的利用GPU的并行管線，另一方面還要協(xié)同調(diào)度好CPU的計算資源，這也是很多超算中心在異構(gòu)模式方面由于的原因。天河二號為“微異構(gòu)”這種模式做了榜樣，一方面用戶至強融核協(xié)處理器實現(xiàn)了大規(guī)模并行計算，另一方面由于至強融核是x86架構(gòu)，極大的簡化了開發(fā)和系統(tǒng)優(yōu)化過程。如今英特爾至強處理器和英特爾至強融核協(xié)處理器已發(fā)展成為一個強大的組合，在全球最快的多個超級計算機中得到了廣泛采用，至今已經(jīng)在所有超級計算機 500 強提供的聚合性能中占據(jù)18%的份額。
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HPC的系統(tǒng)級挑戰(zhàn)
經(jīng)典的計算機科學課程告訴我們，如果想要發(fā)揮一個計算系統(tǒng)的最大的性能，就必須要從各個方面消除系統(tǒng)的瓶頸，計算瓶頸、I/O瓶頸以及軟件瓶頸是最主要的瓶頸。對于高性能(HPC)領域來說，由于主要采用的是計算集群模式，所以需要總體的去衡量整個系統(tǒng)的瓶頸和效率。
超算性能瓶頸
計算瓶頸就是核心的問題，傳統(tǒng)堆砌CPU的方式由于機架密度和功耗等方面的限制難以大幅度提升，"天河二號"也只有3.2萬顆至強處理器，而針對并行計算的至強融核協(xié)處理器數(shù)量則達到了4.8萬科，表明未來高性能計算將越來越多的采用這種"微異構(gòu)架構(gòu)"，從而解決日益攀升的計算資源需求，使其不再是瓶頸。
I/O方面的瓶頸分為兩個部分，一是在節(jié)點內(nèi)的I/O，而則是節(jié)點間跨機架的I/O瓶頸。英特爾將內(nèi)存控制器、PCI-E控制器等放入CPU，用頂尖的半導體科技制造SSD來加速節(jié)點內(nèi)的存儲讀寫速度和隨機數(shù)據(jù)IOPS。對于節(jié)點間的I/O，英特爾的萬兆以太網(wǎng)以及鄭州發(fā)展的貴光子技術(shù)都在全力加速計算節(jié)點間的I/O能力。
硬件提升對于軟件開發(fā)和系統(tǒng)優(yōu)化都帶來極大的影響，“微異構(gòu)”由于擁有相同的x86架構(gòu)，可以在相同的編程環(huán)境下，甚至幾乎不用改動原有代碼情況下酒可以順利運行。英特爾即將推出的代號為"Knights Landing"的新一代融核主處理器則可以無縫運行原生應用。
“微異構(gòu)”能夠給高性能計算領域消除計算瓶頸，用節(jié)點間的高度集成和節(jié)點間的告訴網(wǎng)絡來消除I/Oing就，那么用x86架構(gòu)下的軟件來定義整個系統(tǒng)，才是所有超級計算機的終極任務--讓應用真正無縫、高速的跑在系統(tǒng)上。我們也期待微異構(gòu)在未來的超級計算機系統(tǒng)上發(fā)揮越來越重要的作用，畢竟高性能領域?qū)τ谌魏晤I域來說都是極其重要的。