Хабрахабр

Японцы представили прототип процессора для эксафлопсного суперкомпьютера: как устроен чип

Ранее мы рассказывали о самом мощном японском суперкомпьютере для исследований в области ядерной физики. Сейчас в Японии создают эксафлопсный суперкомпьютер Post-K — японцы станут одними из первых, кто запустит в работу машину с такой вычислительной мощностью.

Ввод в эксплуатацию намечен на 2021 год.

Расскажем подробнее о чипе и его возможностях. На прошлой неделе компания Fujitsu рассказала о технических характеристиках чипа A64FX, который ляжет в основу новой «машины».


/ фото Toshihiro Matsui CC / Японский суперкомпьютер K computer

Технические характеристики A64FX

Ожидается, что вычислительные возможности Post-K почти в десять раз превысят показатели самого мощного из существующих суперкомпьютеров IBM Summit (по данным за июнь 2018).

Этот чип состоит из 48 ядер для проведения вычислительных операций и четырех ядер для управления ими. Подобной производительностью суперкомпьютер обязан чипу A64FX на архитектуре Arm. Все они равномерно разделены на четыре группы — Core Memory Groups (CMG).

Он связан с контроллером памяти и интерфейсом NoC («сеть на кристалле»). Каждая группа имеет 8 МБ L2-кеша. Последний отвечает за связь процессора с остальной системой. NoC соединяет между собой различные CMG c контроллерами PCIe и Tofu. У контроллера Tofu имеется десять портов с пропускной способностью в 12,5 ГБ/с.

Схема чипа выглядит следующим образом:

В компании Fujitsu говорят, что производительность процессора на операциях с плавающей точкой достигает 2,7 терафлопс для 64-битных операций, 5,4 терафлопс — для 32-битных и 10,8 терафлопс — для 16-битных. Суммарный объём памяти HBM2 у процессора составляет 32 гигабайта, а её пропускная способность равняется 1024 ГБ/с.

По их оценке, для достижения производительности в один эксафлопс в суперкомпьютере используют более 370 тыс. За созданием Post-K следят редакторы ресурса Top500, которые составляют список самых мощных вычислительных систем. процессоров A64FX.

Она отличается от других SIMD-архитектур тем, что не ограничивает длину векторных регистров, а задает для них допустимый диапазон. В устройстве впервые применят технологию векторного расширения под названием Scalable Vector Extension (SVE). Так любую программу можно запустить на других процессорах, поддерживающих SVE, без необходимости перекомпиляции. SVE поддерживает векторы длиной от 128 до 2048 бит.

Вот пример одной из инструкций: При помощи SVE (так как это SIMD-функция) процессор может одновременно проводить вычисления с несколькими массивами данных.

vadd.i32 q1, q2, q3

Она складывает четыре 32-битных целых числа из 128-битного регистра q2 с соответствующими числами в 128-битном регистре q3 и пишет результирующий массив в q1. Эквивалент этой операции на языке C выглядит так:

for(i = 0; i < 4; i++) a[i] = b[i] + c[i];

Дополнительно SVE поддерживает функцию автовекторизации. Автоматический векторизатор анализирует циклы в коде и, если возможно, сам использует векторные регистры для их выполнения. Это повышает производительность кода.

Например, функция на C:

void vectorize_this(unsigned int *a, unsigned int *b, unsigned int *c)

}

Она будет скомпилирована следующим образом (для 32-битного процессора Arm):

104cc: ldr.w r3, [r4, #4]!
104d0: ldr.w r1, [r2, #4]!
104d4: cmp r4, r5
104d6: add r3, r1
104d8: str.w r3, [r0, #4]!
104dc: bne.n 104cc <vectorize_this+0xc>

Если же задействовать автовекторизацию, то выглядеть это будет так:

10780: vld1.64 {d18-d19}, [r5 :64]
10784: adds r6, #1
10786: cmp r6, r7
10788: add.w r5, r5, #16
1078c: vld1.32 {d16-d17}, [r4]
10790: vadd.i32 q8, q8, q9
10794: add.w r4, r4, #16
10798: vst1.32 {d16-d17}, [r3]
1079c: add.w r3, r3, #16
107a0: bcc.n 10780 <vectorize_this+0x70>

Здесь происходит загрузка SIMD-регистров q8 и q9 с данными из массивов, на которые указывают r5 и r4. После чего инструкция vadd складывает по четыре 32-битных целых значения за раз. Это увеличивает объем кода, но так обрабатывается гораздо больше данных за каждую итерацию цикла.

Кто еще создает эксафлопсные суперкомпьютеры

Созданием эксафлопсных суперкомпьютеров занимаются не только в Японии. Например, работы также ведутся в Китае и США.

Его прототип уже тестируется в Национальном суперкомпьютерном центр в Тяньцзине. В Китае создают Тяньхэ-3 (Tianhe-3). Финальную версию компьютера планируется закончить в 2020 году.


/ фото O01326 CC / Суперкомпьютер Тяньхэ-2 — предшественник Тяньхэ-3

Устройство содержит 64 ядра, имеет производительность в 512 гигафлопс и пропускную способность памяти в 204,8 ГБ/с. В основе Тяньхэ-3 лежат китайские процессоры Phytium.

Он тестируется в Национальном суперкомпьютерном центре в Цзинане. Работающий прототип создан и для машины из серии Sunway. Ожидается, что работа над компьютером будет завершена в первой половине 2021. По словам разработчиков, на компьютере сейчас функционирует около 35 приложений — это биомедицинские симуляторы, приложения для обработки больших данных, и программы для изучения климатических изменений.

Проект называется Aurora A21, и над ним работают Аргоннская национальная лаборатория Министерства энергетики США, а также компании Intel и Cray. Что касается Соединённых штатов, то американцы планируют создать свой эксафлопсный компьютер к 2021 году.

Среди них оказались программы по созданию карты нейронов мозга, изучению темной материи и разработке симулятора ускорителя частиц. В этом году исследователи уже отобрали десять проектов для программы Aurora Early Science Program, участники которой смогут первыми воспользоваться новой высокопроизводительной системой.

Один из самых амбициозных — Human Brain Project (HBP), цель которого заключается в создании полной модели человеческого мозга и исследовании нейроморфных вычислений. Эксафлопсные компьютеры сделают возможным построение сложных моделей для исследований, поэтому создания таких машин ожидают многие научные проекты. Как говорят ученые из HBP, применение новым эксафлопсным системам найдется с первых же дней их существования.

P.S. Материалы из нашего блога о корпоративом IaaS:

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть