Прогнозные оценки развития высокопроизводительной

вычислительной техники.

Эйсымонт Л.К.

ОАО «НИЦЭВТ» (Концерн радиостроения “Вега”)

Четыре сегмента рынка суперкомпьютеров

Таблица 1. Зафиксированные в 2002 году объемы четырех сегментов рынка суперкомпьютеров.

Таблица 2. Предсказанные в 2002 году объемы сегментов рынка суперкомпьютеров.

На самом деле оказалось, что общий объем рынка составил:

2008 ~ $9.000

Дальнейший рост ожидается:

2010 ~ $15.000

2012 ~ $17.000

Это 30% рынка серверных платформ

Нас интересует TechnicalCapability – суперкомпьютеры для

решения задач, требующих предельных возможностей (стратегические задачи)

Разные сегменты суперкомпьютерного рынка – разные технологии, разные прогнозы (видение IBM).

Наиболее чувствительный к новым технологиям сегмент - CКСН

Специфика формирования прогнозных оценок

-- Прогнозные оценки даются с точки зрения архитектора заказных суперкомпьютеров высшего диапазона производительности, предназначенных для решения уникальных стратегически важных для государства задач, далее - суперкомпьютеров стратегического назначения (СКСН)

-- Выделяются два связанных друг с другом процесса будущего развития (на примере США, Япония и Китай – по такому же образцу): - революционное развитие, определяемое необходимостью решения стратегических задач государства: 1) работы по программе DARPA HPCS создания заказных СКСН с перспективной архитектурой и глобально адресуемой памятью, далее – перспективных СКСН; 2) работы по Федеральному плану США разработок и исследований в области СКСН, которые являются усилением и обобщением программы DARPA HPCS. - эволюционное развитие, определяемое рынком и появлением массовой и коммерчески доступной элементной базы “новой волны”, основа которой - многоядерно-мультитредовые микропроцессоры и многосокетные платы на их основе, являющиеся мощными SMP-узлами с разделяемой между сокетами платы общей памятью.

Проекты создания суперкомпьютеров стратегического назначения (СКСН)

с перспективной архитектурой

США – программа DARPA HPCS (2002) - проект Cascade (Cray) - системы Baker, Granite, Marble. 250 млн $ на 2008-2010. федеральный проект - проект PERCS (IBM) - 250 млн $ на 2008-2010, федеральный проект

Япония – программа Next Generation Supercomputer Министерства Образования, Культуры, Спорта, Науки и Технологий (2006) - проект 3K (Институт физических и химических исследований (RIKEN) и Fujitsu),1.2 млрд.$, федеральный проект.

Китай – программа 863 Министерства науки и технологий (2006) - проект HPP (Институт вычислительных технологий (ICT), фирма Dawning, Национальный университет оборонных технологий (NUDT)), федеральный проект

Россия – в рамках ФЦП Минпромторговли РФ, Минобрнауки РФ (2005) - проект Ангара (ОАО”НИЦЭВТ”)

Главная решаемая проблема в проектах создания перспективных СКСН

– “стена памяти”

Что это за проблема ?

Интегральные оценки реальной производительности – пакет HPC Challenge и метод “APEX-поверхности”

Cхема организацииAPEX-теста

Пример профиля работы с памятью задачи CF-класса

(DGEMM)

Пример профиля работы с памятью для задачи DIS-класса(SpMV)

Рис. Профиль обращений к памяти для теста SpMV (A*p=q)

Пример профиля работы с памятью для задачи DIS-класса

(FFT-одномерное быстрое преобразование Фурье)

Пример профиля работы с памятью для задачи DIS-класса(BFS)

Пример профиля работы с памятью для задачи DIS-класса

(RandomAccess)

Коммуникационные профили разных задач.Большой объем передаваемой информации,

нерегулярный и коллективный характер взаимодействий приводят к деградации реальной производительности и

плохой масштабируемости.

Требования к перспективным CКСН программы DARPA HPCS.

Общий взгляд на задачи для СКСН и влияние базовых характеристик СКСН на эффективность решения этих задач.

1.Контроль боеготовности ядерных арсеналов и разработка новых боезапасов. 2. Радиоэлектронная разведка и другие задачи разведывательных сообществ. 3. Решение задач военного характера.4.Предсказание климата.5.Физика плазмы – решение задач создания термоядерных реакторов.6.Решение инженерных задач в области машиностроения.7. Биоинформатика и вычислительная биология, задачи влияния окружающей среды.8.Предсказание землетрясений.9.Геофизические расчеты.10.Астрофизика (+ поиск новых источников энергии).11.Материаловедение и нанотехнологии.12. Исследования социальных систем – макроэкономика и социальная динамика.

Подробный комментарий к задачам, для которых в первую очередь создаются

перспективные СКСН программы DARPA HPCS (или в решении каких задач мы рискуем отстать)

Мирные приложения – значимость перспективных СКСН для развития общества

V технологический уклад- Компьютеры - Малотоннажная химия - Телекоммуникации - Электроника - Интернет

VI технологический уклад- Биотехнологии - Нанотехнологии - Проектирование живого - Вложения в человека - Новое природопользование - Роботехника - Новая медицина - Высокие гуманитарные технологии - Проектирование будущего и управление им - Технологии сборки и уничтожения социальных субъектов

Организация работ в области перспективных СКСН в США,

контроль качества разработок с использованием новых подходов

объективного оценочного тестирования реальной производительности

Одновременно ведется программа DARPA PCA разработки перспективных встроенных суперкомпьютеров (ВСК) , во многом похожая по решаемым принципиальным проблемам на DARPA HPCS и контролируемая той же организацией – Линкольновской лабораторией Массачусетского технологического института.

В данном докладе это не рассматривается, требует отдельного детального рассмотрения.

Об организации работ в области суперкомпьютерных технологий в США

DARPA

Cray – проект CASCADEIBM - проект PERCS

MIT – проект RAWStanford Unv. – проект Smart MemoryUnv.of South.Calif. (+Raytheon) – проект MONARCHUnv.of Texas at Austin (+IBM) – проект TRIPS

Cистема тестов оценки производительностиCКСН программы DARPA HPCS

Сравнение NEC SX-9 с другими системами(современный подход - kiviat-диаграмма,

на лучах – наименования тестов пакета HPC Challenge)

Примеры планов и основных решений проектов создания перспективных СКСН США, Японии и Китая

Базовые стратегии решения проблемы “стены памяти”

- обеспечение толерантности процессора к задержкам за счет работы со скоростью, определяемой темпом выполнения операций, а не задержками их выполнения (мультитредовые и векторные архитектуры);- обеспечение управляемой локализации как данных при вычислениях, так и вычислений при данных (кэши, удаленные вызовы процедур, DAE-архитектуры и модели вычислений);- применение статических и динамических потоковых моделей вычислений с управлением вычислениями потоком данных (streambased-архитектуры, dataflow-архитектуры, одновременно решает проблему ограниченного ILP, т.е. ограниченного параллелизма выполнения машинных команд)

Планы создания новых суперкомпьютеров фирмы Cray (+ унификация !)

Планы создания новых суперкомпьютеров фирмы IBM (+ унификация!)

Новая политика Японии в области стратегических вычислений

Фирма Сray, проект Cascade программы DARPA HPCS – базовая концепция проекта

Cтруктура CКСН Сray Cascade Baker и Granite

• Глобально адресуемая память с унифицированной для всех типов узлов архитектурой

• Конфигурируемые сеть, память, процессоры и ввод-вывод• Гетерогенная обработка на множестве узлов разного типа и внутри тредово-векторных (MVP) узлов

• Возможность адаптации при конфигурировании, компиляции в процессе выполнения

Многоядерно-мультитредовый микропроцессор Power7 – базовый микропроцессор CКСН IBM PERCS

- 8 ядер, в каждом ядре 4 треда, SMT-мультитредовость, запуск в одном ядре 6 команд за такт; - в одном мультитредовом ядре 12 функциональных устройств: FXU -2, FPU – 4, LSU -2, VSX – 1, BRU – 1, СRU-1, DFU -1;- объем кэш-памяти L3 – 32 Мбайт, 2 контроллера внешней DRAM - памяти;- 32 сокета на плате, т.е. 1024 треда над общей памятью- кристалл – 567 мм2 , 1.2 млрд.транзисторов, 4 Ггц.

Кристалл Power 7 Одно многоядерное ядро (Core)

Модифицированная сеть Клоса – коммуникационная сеть СКСН IBM PERCS

Обычная свернутая сеть Клоса, при передачах проходят несколько линков, но это лучше, чем для сетей N-тор

Сеть IBM PERCS, при большинстве передач проходят только один линк, лучше, чем для сети Клоса

Многоядерный мультитредово-потоковый микропроцессор СКСН “Ангара” (вариант J10)

Какие характеристики можно ожидать от перспективных СКСН ?

Результаты оценочных тестовых экспериментов на имитационной архитектурной

модели российской перспективной СКСН “Ангара”

(данные по зарубежным перспективным СКСН пока недоступны, ожидаются в 2010 году)

APEX-поверхности для микропроцессоров разного типа и узла

СКСН “Ангара”

APEX-поверхности для мультипроцессорных систем разного типа (256 узлов) и СКСН

“Ангара”

Эффективность СКСН “Ангара” на тесте умножения разреженной матрицы на вектор

J7-2

J10-4

Эффективность СКСН “Ангара” на тесте BFS работы с графами

Какие изменения происходят в области коммерчески доступной элементной базы

“новой волны”и вычислительных средств?

“Вынужденные” решения проблемы стены памяти из-за появления многоядерных

микропроцессоров.

Требуемого стратегическими приложениями решения проблемы стены памяти

пока нет, хотя стало полегче…

Ослабление закона Мура, многоядерные микропроцессоры

Прогнозируемые общие изменения микроархитектуры процессоров

• применение малой и существенной мультитредовости• применение гомогенных и гетерогенных реконфигурируемых полей ядер• увеличение пропускной способности интерфейса с памятью и сетью• обеспечение эффективной работы с глобально адресуемой памятью

Многосокетная плата нового поколения с микропроцессорами AMD (HyperTransport-!)

Многосокетные платы нового поколения с микропроцессорами Intel (QuickPath - !)

Реальная производительность одной многосокетной платы на задаче UA расчета

на структурированной динамически изменяемой сетке.

Динамика изменений среднего времени обращения к памяти для разной пространственно-временной

локализации и разной мультитредовости.

Динамика изменений среднего времени обращения к памяти для лучшей и худшей точки APEX-поверхности

Сравнение современных многоядерных микропроцессоров и многосокетных плат с массово-мультитредовыми

микропроцессорами перспективных СКСН. Задача CG, класс C.

Что будет после достижения целей DARPA HPCS и похожих других программ создания

стратегических СКСН?

Прогнозы и планы дальнейшего развития в соответствии с Федеральным планом США2004 года по возрождению работ в области

стратегических информационных технологий

Экзафлопсная перспектива 2020 года( усиление тредового и потокового параллелизма)

Додекатрон

Оценки предельных возможностей использования кремниевой элементной базы при построении

высокопроизводительных систем (ноябрь 2004, Sandia Lab).

Peta – 1015 , Exa – 1018 , Zetta – 1021 , Yotta – 1023

1 – обычная кремеиевая технология, программируемые микропроцессоры2 – бычная кремниемая технология, но прямая аппаратная реализация решателей задач3 – новая технология с транзисторами на квантовых точках и реверсивной логике, программируемые средства - зеленая линия, прямая аппаратная реализация - красная

Развитие аппаратных средств-1.

Развитие аппаратных средств-2.

Развитие аппаратных средств-3.

Развитие программного обеспечения-1.

Развитие программного обеспечения-3.

Развитие СКСН - 1.

Развитие СКСН - 2.

Развитие СКСН - 3.

ОАО «Научно-исследовательский центр электронной вычислительной

техники»