Суперкомпьютеры в России - сегодняшние реалии и завтрашние тенденции
Насколько сегодня мы готовы к эффективному использованию суперкомпьютеров?
Казалось бы, что тут сложного - написать параллельные алгоритмы, или использовать готовый программный пакет для моделирования, чтобы на мощном кластере с тысячей процессоров рассчитать задачу за несколько дней или часов? Однако не всё так просто. В современных процессорах Intel Xeon имеются 8 ядер, и в дальнейшем их количество будет расти. Важно правильно распараллеливать программный код не только между узлами суперкомпьютера, но и между процессорами и ядрами, обеспечивая максимальную масштабируемость – возможность наращивания числа элементов вычислителя с увеличением скорости обработки данных без необходимости переписывать программный код. Исследования, проведённые в том же Южно-Уральском Государственном Университете, показывают, что более 40% выполняемых на их суперкомпьютере вычислений расчитаны на использование одного ядра процессора. То естьони используют лишь малую часть каждого узла кластера. Как правило, это так называемый «самописный код», предоставляемый клиентом. Более 25% клиентов используют собственно разработанное ПО.
Однако, восьмиядерные задачи составяют уже более 50%, а третье место в списке (правда всего 6.4%) занимают приложения, рассчитанные на использование 16 ядер. Представляете, насколько неэффективно могут использоваться суперкомпьютеры? А ведь в этом большая проблема. Для развития промышленности нужны не только новые материалы, но и новые алгоритмы вычислений. Поэтому появился термин «информационная экология» - правильная математика, исключающая ненужные вычисления, чтобы экономить время на обмене данными между узлами.
Однозначно можно сказать, что в России ещё предстоит большая работа по воспитанию культуры высокопроизводительных вычислений. Правильное программирование, разработка новых алгоритмов, новых математических моделей и пристальное внимание государства и бизнеса к теме HPC - слагаемые, которые могут обеспечить успех только вместе. Но в настоящее время далеко не все компании понимают, насколько перспективно инвестировать в HPC и готовить специалистов по высокопроизводительным вычислениям.
Как Intel помогает развитию суперкомпьютеров в России?
Внедрение культуры суперкомпьютеров - процесс не одного года. Это инвестиции, причём, не только в технологии, но и в людские ресурсы. Intel - это прежде всего процессоры, на которых построено более 80% суперкомпьютеров в TOP500. Поэтому процессорные технологии - основа основ.
Но процессоры - это не просто тактовая частота и объём кеша, это понимание современных тенденций. А тенденции, прежде всего, требуют повышения производительности в расчете на каждый ватт потребляемой электроэнергии. Возможно, по синтетическим тестам каждое новое поколение Xeon не сильно выигрывает у предыдущего, но в реальных задачах они показывают и большую производительность, и меньшее энергопотребление. И для вас уже, наверное, не секрет, что следующее поколение на архитектуре Sandy Bridge будет на 30% быстрее, чем Westmere, и почти в 2 раза быстрее современных Xeon серии 5500. Но даже сегодня в реальных задачах семейство Xeon 5500 может обеспечивать до 3-кратного превосходства над Xeon 5400. Хотя, опять-таки, всё зависит от приложения.
Ещё одна тенденция - увеличение производительности одного узла за счёт добавления add-in плат. Примеры использования GP-GPU показывают, что нельзя сбрасывать со счетов этот быстрорастущий рынок. Intel готовит свое решение, архитектуру MIC (Many Integrated Cores), вычислительную плату с интерфейсом PCI Express 16x, которая сможет составить конкуренцию GP-GPU платам, но будет использовать архитектуру, общую с Intel Xeon, компиляторы C, C++, Fortran. Этот продукт с кодовым наименованием Knights Ferry уже анонсирован, но о сроках его выхода на рынок и о стоимости пока ничего не известно.
Но, как вы уже поняли, программная часть не менее важна в суперкомпьютере, чем аппаратная. Поэтому Intel разрабатывает целый набор инструментов для параллельного программирования, помогающий эффективно распределять задачи между ядрами. В число этих инструментов входят Intel Parallel Studio, HPC Tools, Cluster Tools. С помощью этих инструментов разработчик сможет диагностировать узкие места при вычислениях и отладить код для более высокой эффективности.
А вот что особо интересно - программное обеспечение Intel разрабатывается, в том числе, и в России. В Новосибирском Академгородке располагается центр разработок ПО Intel, в котором российские программисты работают над компилятором для параллельных и высокопроизводительных вычислений, а так же разрабатывают новые вычислительные методы и алгоритмы. В офисе, занимающем три этажа, работают талантливые специалисты, выпускники новосибирских вузов. Здесь производится не только разработка, но и тестирование компиляторов под различными платформами.
Лаборатория Intel для тестирования компилятора на серверных платформах
Требования по качеству и совместимости, которые накладывает Intel, заставляют прогонять компиляторы на всех процессорах Intel, не только на Xeon и Itanium, но и на Intel Atom и всех десктопных процессорах. Для работы используются серверы, настольные ПК и даже моноблоки Apple iMac (на процессорах Intel). Для этих целей используются собственные локальные IT-лаборатории компании.
Лаборатория Intel для тестирования компилятора на настольных и мобильных платформах
Кроме того, Intel постоянно проводит семинары и участвует в образовательных программах, помогая готовить специалистов, которые потребуются нашей стране уже завтра. Это - и сезонные школы параллельного программирования, мероприятия в университетах, поддержка учебных заведений учебными пособиями, обмен опытом и многое другое...
Процессоры - лишь малая часть суперкомпьютеров, хотя и очень важная. Существенную долю стоимости добавляют и системы охлаждения, и интерконнекты, и системы хранения данных. Так почему же создаётся ощущение, что только Intel заботится о будущем и инвестирует в людские ресурсы?
Перспективы суперкомпьютерных технологий в России
Для таких задач, как моделирование живой клетки, поведения самолета в различных ситуациях, Большого взрыва Вселенной, создания синтетического топлива и получения точных долгосрочных прогнозов погоды, необходимо преодолеть новый рубеж производительности суперкомпьютеров - 1 ЭКСАФЛОП. Учитывая, что сегодня мы подошли к 2 ПЕТАФЛОПС, это перспектива ближайших десяти лет.
Конечно, далеко не каждое предприятие может позволить себе купить, содержать и использовать суперкомпьютер. Вероятнее всего, должна быть создана сеть высокопроизводительных вычислений, содержащая топовые модели с максимальной производительностью в основных регионах нашей страны. Это позволит снизить нагрузку на каналы связи и сократить расходы на построение ЦОД и электроэнергию.
Системы второго уровня, более слабые, должны быть равномерно распределены по регионам с развитой наукой, образованием и промышленностью. Как считает Леонид Борисович Соколинский, профессор, зав. кафедрой Южно-Уральского государственного университета, высокопроизводительные вычисления должны иметь «облачную» структуру, которая позволит любому университету, конструкторскому бюро или предприятию пользоваться их мощностями удалённо, возможно с оплатой за процессорочасы.
Естественно, такой путь развития невозможен без поддержки на уровне правительства РФ - выделения бюджетов на построение HPC, развитие каналов связи, предоставления дополнительных льгот институтам. Ведь когда потребность в вычислениях. Это должна быть долгосрочная программа, которая обеспечит переход на инновационную экономику.
Михаил Дегтярёв (aka LIKE OFF)
30/06.2010
