摩爾定律止于“混血時(shí)代”，Cell處理器迎來計(jì)算新革命
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。
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。
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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