《中国计算机报》:2008超级计算机之变

    作为衡量当今高性能计算领域发展水平的最高标准,人们从中不但可以了解高性能计算领域的最新技术和发展趋势,更可以据此预测未来高性能计算产业的走向.
古希腊哲学家赫拉克利特曾经说:“唯一不变的就是变化.”
对性能永不止步的需求以及创新,贯穿了近十年的超级计算机发展.

　　2008年6 月,TOP500.Org组织公布了备受瞩目的全球超级计算机500强排名。作为衡量当今高性能计算领域发展水平的最高标准,人们从中不但可以了解高性能 计算领域的最新技术和发展趋势,更可以据此预测未来高性能计算产业的走向。那么我们从此次发布的TOP500榜单中可以窥见到怎样的产业发展趋势?究竟谁 才是今日高性能计算领域的王者?

排名的微变与巨变

　　首先是入选TOP500主机厂商份额的变化。一个明显的变化是,除了IBM,其他几 大主机生产厂商入选500强的主机数量均有了提高。虽然IBM依然以209套高居榜首,依旧显示了IBM在高性能计算领域的领先实力,但从近半年的变化 看,惠普正向IBM发起强有力的挑战。惠普从去年TOP500排名中的166套,占33.2%,上升到今年的183套,占36.6%。相比之下,IBM则 从去年11月排名中的232套,占46.4%,下降到今年的209套,占41.8%。尽管从峰值运算能力上看,惠普仍然逊于IBM,但这其实一直是惠普这 几年来在服务器市场与IBM过招的招式,即先拿到市场份额的优势,然后再从销售额上缩小与IBM的差距,直至超越,最终再在峰值运算能力上赶超。

　　其次是超级计算机操作系统份额的变化。Linux继续在扩大自己在高性能服务器上的 份额,从2007年的423套上升到2008年的427套,而Unix和Windows则继续下滑,Windows从2007年的7套下降到5 套,Unix从30套降到25套,采用多操作系统的则从2007年的36套增加到40套。可以预计的是,随着开放式系统的接受程度越来越高,以及虚拟化技 术得以进一步深入应用,这个变化趋势还将继续。

　　还有一个重要的变化来自于芯片厂商。自去年11月TOP500排名中,采用英特尔处 理器的高性能计算系统份额占据绝对优势之后,今年其份额再次创下新高,达到75%。更让人吃惊的是,在英特尔最新的45纳米制程工艺发布仅仅半年多的时间 里,采用英特尔45纳米四核Harpertown处理器的高性能计算系统就达到161套,占了整个TOP500系统的32.2%。仅仅这一比例就已经是自 称在高性能计算领域领先的AMD所有系统(AMD仅占TOP500系统中55套,为11%)的3倍多。如果从整体份额比较的话,英特尔所占份额是AMD的 7倍多。在最新的排名中,Power也借助去年发布的Power6,以68套占13.6%的市场份额超越了AMD。这也不难解释不久前Cray公司与英特 尔结成战略研发合作伙伴,开发下一代高性能计算机系统,从而结束了Cray在高性能计算机系统中一直排他性地采用来自AMD公司处理器的原因。

　　如果比较各国部署和应用超级计算机的数量,美国依旧是老大,虽然比起2007年的 281套有所下降,但依然入围257套,依然是超级计算机部署最多的国家,而且在前10台中美国有6套。中国可谓有喜有忧:喜的是入围项目从上一届的10 个增加到12个,并且其中没有网络游戏项目——在上一届项目中,网络游戏项目占了6个;忧的是国内项目排名继续下滑,排名最高的仍然是胜利油田的项目,但 是排名已经从第59跌落到111位。但是这种排名的下滑也许并不能够完全反映国内的实际情况,目前计算能力超百万亿次/每秒的两个项目不日就会宣布,其 中,曙光5000 230万亿次的超级计算机可以位列本届排名的第5位。此前曾有国内专家预测,百万亿次的超级计算机将无法进入TOP 500 排行的前20名。但是这种情况并没有发生。虽然,最高的超级计算能突破了千万亿次,但是百万亿次仍然具有一定的竞争力。

用户需求的变化

　　可以看到,这两年TOP500排行榜的涵盖范围已经从单纯的高性能计算扩展到企业级 解决方案。实际上,虽然高性能计算和企业数据中心系统的使用模式和应用软件有所不同,但多数技术趋势是一样的。高性能计算领域中的复杂模拟和研究需求与企 业数据中心市场的虚拟化运用,与多核处理器的主导地位及更快的存储系统需求相结合,在高产出和低延迟I/0解决方案方面开始一统江山。

　　从排行榜可以看出,榜单中多数系统都运用在企业级数据中心。业界专家认为,随着高性能计算市场推动IT技术不断发展,只有那些被高性能计算领域尤其是商用高性能计算市场普遍认可并证实有效的解决方案,才能延伸至企业数据中心市场并为之接受。

　　在统计结果中,工业、科研、学术、金融系统是当前超级计算机应用最为广泛的领域,厂 商和政府方面应用的系统数量基本未变。值得注意的是,在信息服务和信息处理方面,超级计算机的应用范围正在进一步扩大,从2007年的16套上升到 2008年的40套。而在媒体应用行业,超级计算机也有了8套应用案例,而在去年,这个数字仅为1套。

　　而另一个需求的变化是商业领域的需求开始出现,如信息服务、零售、信息处理等领域已经出现了比较大型的超级计算机,而在能源开采、地质勘探等热门领域,高性能计算机的需求依然呈现增长势头。

　　从应用上来看,一些传统的行业如气象、高教科研等领域的应用已经开始从基础教育或科研走向其他商业应用,诸如商业计算、航天航空、气象服务等。而如何充分利用这种趋势带动自己的业务增长已经成为众多服务器厂商探究的重点所在。

技术决定排名 效能问题备受重视

　　在此次排名中,在处理器方面,应用四核处理器的系统已经达到283台,双核系统有 203台,而单核系统则逐渐淡出,只有11台。这说明高性能计算正在朝着并行多核快速发展,而这也正是AMD被Intel在份额上大幅超出的原因所在。 NetBurst架构的失败让AMD追上Intel,但现在这种情况不会再度发生。新技术让新四核心Penryn处理器在功耗上有了飞跃,从单一核心 110W功耗,降低到四核共50W功耗。和Intel的Penryn处理器相比,AMD新的四核巴塞罗那处理器来得太晚,在性能提升幅度上也有限。这种窘 境已经让AMD无力反击英特尔,英特尔后来实施了降价政策,可以说直接导致了份额的变化。

　　在连接方面,自从InfiniBand首次亮相TOP500排行榜以来,作为先进互 联架构,其连接集群计算机的数量在每届TOP100排行榜榜单上都呈现出积极的增长态势,这次也不例外。预计这种趋势在随后几年还将继续。特别是每台服务 器节点上的中央处理器核心数量的不断增长,也要求更高的带宽和更低的延迟。10G以太网解决方案在TOP500中已经难觅踪迹,毕竟在性价比标准方面落后 于InfiniBand架构和千兆以太网,加上随着虚拟化深入人心,10G以太网将无法提供所需的生产能力,还将继续落后于InfiniBand架构—— InfiniBand架构每秒40GB的传输速度可以佐证。随着InfiniBand技术在企业数据中心市场得到认可,InfiniBand架构将成为集 群计算机和虚拟化环境中的关键所在。因为功效是系统设计的重要因素,功效与性能的比率与性价比一样是关键性的衡量指标,低功率高产出的能力也是推动 InfiniBand架构被认可的动力所在。

　　因此,有业界人士指出,InfiniBand是唯一能够提供所要求的带宽、延迟、电 能利用等特性的工业标准化互联方式。InfiniBand也成为高性能应用软件在互连方式上的首选并且向企业数据中心逐步渗透。InfiniBand将借 助其无以伦比的性价比和高功效,有望在不久的将来将这种渗透进行到底。

能耗问题已经成为重要技术指标。

　　在此次榜单中第一次加入了节能效率统计,主要是看该系统在运行一个典型HPC应用负 载时的情况,而没有考虑到外部制冷、磁盘以及其他外部环境带来的能耗影响。统计显示,进入TOP500前十的计算机中,平均能耗(Power Consumption)为1.32 Mwatt,平均能效(Power Efficiency)为248 Mflop/s/Watt。前50名中,平均能耗(Power consumption)为908 kwatt,平均能效(Power Efficiency)为193 Mflop/s/Watt。

　　具体到产品,Roadrunner尽管运算速度最快,但其能效亦十分可观,资料显 示,IBM QS22 Cell 处理器能效比达488 Mflop/s/Watt。基于英特尔的Harpertown 四核刀片系统也表现出色,IBM BladeCenter HS21平均能效(Power Efficiency)为265 Mflop/s/Watt,SGI Altix ICE 8200EX Xeon nodes(E5472)为240 Mflop/s/Watt,惠普Cluster Platform 3000 BL2x220为227 Mflop/s/Watt。这些系统的能效比都已超过了BlueGene/L(210)Mflop/s/Watt。

　　实际上,如何有效解决超大处理中心的高密度机架的绿色供电、散热、高功耗问题,利用风道设计、智能冷却、能量智控等技术建设绿色数据处理中心,已经成为全球主要高性能计算机制造商所关注的焦点。

　　在高性能计算领域,多数应用软件都需要充分利用计算资源,因此要求集群节点具备高产 出和低延迟的互联能力。在企业数据中心领域,多数应用软件对深度计算要求不高,因此虚拟化成为提升系统生产力的主要途径。这种解决方案能在互连接上创建同 样的工作负载,因为在服务器之间和服务器与存储系统之间都需要更多的系统吞吐量。虽然高性能计算和虚拟化环境在应用软件方面有所不同,但它们在集群互连接 方面的特性要求是相同的。

　　相对于上一届的各主要系统的效能情况,新发布榜单中的系统能耗比以前降低了近 10%,能效有了大幅提升。原因是新技术的应用带来了更低的能耗。而在榜单中那些新旧技术混合的系统,其指标则大都低于平均能效标准。因此,在今后的计算 技术发展中,低能耗应该会成为最重要的衡量标准。