Экзафлопсный барьер: проблемы и решения

Концептуальная проработка вопросов создания после 2015 года суперкомпьютеров экзафлопсного уровня производительности показывает, что применение экстенсивных методов повышения производительности, как это наблюдалось до недавних пор ничего не даст.

Исключительность проблем, которые предстоит решить в связи с созданием суперкомпьютеров экзафлопсного уровня, определяют следующие обстоятельства:

прекращение прямого влияния закона Мура на производительность ядер процессоров из-за невозможности дальнейшего увеличения тактовой частоты и параллелизма выполнения машинных команд;

жесткие ограничения по потребляемой энергии, с которыми разработчики столкнулись впервые за последние 15 лет;

проблема «стены памяти», к преодолению которой в середине прошлого десятилетия приступили в рамках проектов создания перспективных петафлопсных суперкомпьютеров.

В работах по экзафлопсной тематике, как и по суперкомпьютерам вообще, выделяют два направления:

первое направление - эволюционное развитие суперкомпьютеров. Предполагается быстрое получение результатов (модели Cray XT, IBM BlueGene);

второе направление - революционное. В этом направлении проблема рассматривается глубже, планируется создание уже в ближайшие годы петафлопсных суперкомпьютеров, способных эффективно решать широкий класс задач, среди которых выделяются задачи, работающие с огромными объемами памяти и имеющие плохую пространственно-временную локализацию обращений к ней. Данное направление активно поддерживается военными кругами и спецслужбами, в его рамках применяются новые технологии, архитектурные и программные решения. Так происходит сейчас при создании петафлопсной техники, так будет и при создании экзафлопсных систем.

Исторически при разработке петафлопсных систем эволюционные методы сработали раньше за счет быстрого и успешного внедрения универсальных процессоров с однородной многоядерностью – барьер реальной производительности 1 PFLOPS был преодолен через четыре года после начала эволюционной программы, в ноябре 2008 года, на суперкомпьютере Jaguar (Сray XT5). В 2009 году Jaguar был модернизирован введением 12-ядерных процессоров AMD Magny Cours и доведен до пиковой производительности в 2,3 PFLOPS.

Будет ли такой же ступенчатой картина развития экзафлопсных систем и станет ли таким же успешным эволюционный метод повышения производительности за счет естественного роста однородной многоядерности процессоров общего назначения?

Заявляя о программах создания экзафлопсных систем, обычно представляют системы, содержащие от нескольких сотен до тысячи стоек, с развиваемой производительностью хотя бы на задаче Linpack в 10¹⁸ операций с плавающей запятой в секунду (EFLOPS). Однако задача намного глубже, и сейчас, во всяком случае в программах DARPA, она ставится шире, предусматривая создание следующих систем:

экзафлопсные системы для государственных лабораторий и центров, которые могут развивать реальную производительность в 1 EFLOPS, что в 1000 раз превосходит современные системы петафлопсного уровня производительности;

петафлопсные системы масштаба предприятия, которые благодаря применению новых экзафлопсных технологий станут значительно компактнее и будут потреблять меньше электроэнергии, размещаясь в нескольких стандартных стойках;

терафлопсные системы встроенного типа на базе нескольких чипов, потребляющих несколько десятков ватт электроэнергии. В системах всех трех классов предполагается использовать одинаковые технологии, ключевые для систем первого класса.