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[導(dǎo)讀]“我們現(xiàn)在處于一場(chǎng)革命的開始,一場(chǎng)如何構(gòu)建計(jì)算機(jī)和大型計(jì)算機(jī)的革命的開始。這包括硬件的變革,即在硬件的建設(shè)中,如何利用加速器提升硬件的并行計(jì)算能力;同時(shí),這場(chǎng)革命不光是硬件的變革,還牽扯到軟件的變革,

“我們現(xiàn)在處于一場(chǎng)革命的開始,一場(chǎng)如何構(gòu)建計(jì)算機(jī)和大型計(jì)算機(jī)的革命的開始。這包括硬件的變革,即在硬件的建設(shè)中,如何利用加速器提升硬件的并行計(jì)算能力;同時(shí),這場(chǎng)革命不光是硬件的變革,還牽扯到軟件的變革,如何通過軟件充分發(fā)揮硬件中并行和加速器能力,讓‘混血系統(tǒng)’(hybrid system)中的加速器和其它芯片更好協(xié)作?!?在最近北京舉行的IBM-中國(guó)國(guó)家網(wǎng)格Cell/B.E.研討會(huì)期間,IBM下一代計(jì)算系統(tǒng)和技術(shù)杰出工程師Robert Guernsey博士表示。

7月末,IBM和中國(guó)科學(xué)院(CAS)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心聯(lián)合在京舉行了IBM-中國(guó)國(guó)家網(wǎng)格Cell/B.E.研討會(huì)。雙方就基于Cell/B.E.(Cell Broadband Engine)的IBM BladeCenter QS20刀片系統(tǒng)在中國(guó)國(guó)家網(wǎng)格(CNGrid)的成功應(yīng)用,以及目前高性能計(jì)算領(lǐng)域的最新進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了研討。

<strong>摩爾定律</strong>止于“混血時(shí)代”,Cell<strong>處理器</strong>迎來計(jì)算新革命
基于Cell處理器的IBM刀片系統(tǒng)

基于Power架構(gòu)的Cell/B.E. 最初是IBM、索尼和東芝為游戲主機(jī)而開發(fā)的。IBM BladeCenter QS20是一種基于Cell/B.E.的刀片系統(tǒng),專為那些準(zhǔn)備從Cell/B.E.處理器的高性能計(jì)算力以及運(yùn)行圖形密集型應(yīng)用的獨(dú)特能力中受益的公司而設(shè)計(jì)。QS20集成了7個(gè)刀片共14個(gè)Cell處理器,最高性能超過了2.8TFLOPS——相當(dāng)于每秒鐘完成2.8萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算。

2006年10月,中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心和IBM啟動(dòng)了為CNGrid提供基于Cell/B.E.的刀片服務(wù)器計(jì)算節(jié)點(diǎn)的項(xiàng)目,并鼓勵(lì)開發(fā)各種能夠充分利用其獨(dú)特性能的應(yīng)用。今年4月,國(guó)內(nèi)第一臺(tái)基于Cell/B.E.的刀片服務(wù)器系統(tǒng)開始在位于北京的中國(guó)科學(xué)院超級(jí)計(jì)算中心投入運(yùn)行。

目前,這一系統(tǒng)已經(jīng)能夠?qū)Φ卣痤A(yù)報(bào)(Earthquake Prediction)、分子動(dòng)態(tài)仿真(Molecular Dynamics Simulation),以及MPEG2代碼轉(zhuǎn)換機(jī)(MPEG2 Transcoder)等應(yīng)用進(jìn)行演示,Cell/B.E.多核并行處理技術(shù)的能力和性能在這些應(yīng)用演示中得到了充分的展現(xiàn)。IBM的工作人員介紹說,與傳統(tǒng)的x86處理器相比,地震預(yù)報(bào)和分子動(dòng)態(tài)仿真在Cell處理器上的運(yùn)行速度分別提升了37.7倍和21.5倍。

摩爾定律已“死”,架構(gòu)創(chuàng)新提升硬件性能

在IBM看來,摩爾定律(moore's law)代表的工藝進(jìn)步已接近極限,使得硬件產(chǎn)業(yè)需要在加速器、多核和SoC等方面實(shí)現(xiàn)架構(gòu)創(chuàng)新,以繼續(xù)提升硬件系統(tǒng)性能?!澳柖梢阉?moore's law is over),對(duì)不起,對(duì)不起,實(shí)際上,摩爾定律還沒有死,讓我來仔細(xì)解釋一下。” Guernsey博士笑道。

他向《國(guó)際電子商情》記者解釋說,過去幾十年來,我們讓芯片變快的方法是讓晶體管越來越小,但是現(xiàn)在讓芯片變快非常困難,因?yàn)榫w管越小伴隨漏電的問題越嚴(yán)重,現(xiàn)在我們正接近臨界點(diǎn)。因此現(xiàn)在讓芯片的頻率變快越來越不現(xiàn)實(shí),因?yàn)闀?huì)有更大的功耗。事實(shí)上,摩爾定律并不是講芯片的速度越來越快,而是指它的密度每18個(gè)月或者24個(gè)月翻倍,晶體管密度仍然繼續(xù)翻倍,但是步伐也開始減慢,可能需要36個(gè)月翻倍。在芯片上集成更多的晶體管仍是可能的,但這也快接近終點(diǎn)了,越來越困難。今天看到Cell處理器是90nm的,下次看到的時(shí)候可能是45nm,再下去就是32nm的,每到一個(gè)新的工藝節(jié)點(diǎn),就可以集成更多的晶體管。但是22nm是一個(gè)問題,太昂貴了,所以再過10-15年我們做到22nm的時(shí)候,就很難再往下走了。

IBM認(rèn)為,在工藝進(jìn)步面臨極限時(shí),為了持續(xù)提升硬件系統(tǒng)性能,就必須在架構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新,而以cell處理器為代表的加速器、多核和SoC就是未來的發(fā)展方向。“計(jì)算世界或者說硬件世界正在改變,它正在發(fā)生重大的轉(zhuǎn)變,主要是因?yàn)楣膯栴}。我認(rèn)為未來不可避免的在高性能計(jì)算會(huì)出現(xiàn)一種‘混血系統(tǒng)’(hybrid system),我們的Cell處理器和傳統(tǒng)的通用處理器能夠一起合作提供很強(qiáng)的計(jì)算能力,就是一個(gè)很好的例子?!盜BM中國(guó)技術(shù)學(xué)院院長(zhǎng)John Turek博士表示。

<strong>摩爾定律</strong>止于“混血時(shí)代”,Cell處理器迎來計(jì)算新革命
Robert Guernsey:我們現(xiàn)在處于一場(chǎng)如何構(gòu)建高性能計(jì)算能力的革命的開始

與傳統(tǒng)處理器不同的是,Cell處理器是一個(gè)9核處理器,擁有8個(gè)協(xié)同處理單元以及1個(gè)基于Power架構(gòu)的核心,頻率達(dá)3.2GHz,可在很多計(jì)算密集型應(yīng)用中為客戶提供強(qiáng)大的性能。在初始硬件測(cè)試中,Cell處理器的最高性能超過了200 GFLOPS——相當(dāng)于每秒鐘完成2,000億次浮點(diǎn)運(yùn)算。在研討會(huì)現(xiàn)場(chǎng),IBM的工作人員演示了MPEG2轉(zhuǎn)換應(yīng)用,采用一個(gè)Cell處理器,其中一個(gè)協(xié)處理器實(shí)現(xiàn)MPEG2解碼,另外7個(gè)協(xié)處理器可支持7路H.264標(biāo)清編碼。據(jù)介紹,已有視頻監(jiān)控廠商非常感興趣,希望用它來取代目前昂貴的FPGA和DSP。

除了應(yīng)用于眾所周知的索尼PS3外,Cell處理器還被用于IBM刀片系統(tǒng)并被眾多機(jī)構(gòu)用于構(gòu)建超級(jí)計(jì)算機(jī),應(yīng)用領(lǐng)域也擴(kuò)展到了醫(yī)療影像、航空航天、防務(wù)、數(shù)字動(dòng)畫、通信以及石油和天然氣等需要高性能計(jì)算力以及運(yùn)行圖形密集型的應(yīng)用。

例如,IBM將為美國(guó)能源部設(shè)計(jì)名為“Roadrunner”的混血超級(jí)計(jì)算機(jī),這臺(tái)將于今年底交付的超級(jí)計(jì)算機(jī)將使用超過1.6萬個(gè)AMD Opteron處理器內(nèi)核以及超過1.6萬個(gè)Cell處理器,最高性能超過了每秒鐘1,600萬億次計(jì)算(1.6 petaflops)?!癛oadrunner”的混血設(shè)計(jì)將允許系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行分解,然后將分解后的各組成部分發(fā)送到能夠以最高效率對(duì)其進(jìn)行處理的系統(tǒng)。典型的計(jì)算流程——文件IO和通信活動(dòng)將由 AMD Opteron處理器進(jìn)行處理,而更加復(fù)雜和重復(fù)性的工作(傳統(tǒng)上會(huì)占用超級(jí)計(jì)算機(jī)大部分資源的任務(wù))將由超過1.6萬個(gè)Cell處理器進(jìn)行處理。

IBM的Oliver Retting表示,事實(shí)上,IBM并不孤單,AMD和nVIDIA都在走類似cell處理器這種發(fā)展路線,即將CPU和GPU(圖形處理器)集成?!翱傊F(xiàn)在通過提升頻率以提高速度已經(jīng)很難了,但是你可以增加處理器的個(gè)數(shù),這就需要更多的軟件和編程”。Guernsey博士向《國(guó)際電子商情》記者總結(jié)說。

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