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2019-07-15 00:15 出处:PConline原创 作者:张垞 责任编辑:sunziyi

  [PConline 杂谈]计算的进步能带给我们什么?是越来越多的核心?越来越高的主频?越来越大的总线带宽?这些回答都对,但这些回答却也只是问题的表面。计算进步的最大意义在于让我们保持了对世界的好奇,让我们能够验证一个又一个的猜想,让我们能够以更快的速度接近真相。

  当我们需要看看世界正在发生什么,也许一台PC就够了;当我们想要更快完成一项商业任务,也许一些服务器就够了;而当我们想要探究这个世界背后的规律与真相,我们就需要一套更大的系统,一套高性能计算系统。或者,更直白的说,我们需要一套超级计算机。

  上海交通大学迎来π2.0

  作为中国最著名的大学之一,上海交通大学里不仅集合了全国最聪明的头脑,更重要的是,这些头脑正在一个又一个领域中探索未知。他们正在将心中的对于未知的猜测变成公式、译成算法再变成计算机代码,通过庞大的计算来解决那些人力无法企及的宏大问题。而承担这些计算任务的正是刚刚建成的新型高性能计算系统——π2.0。

上海交大π2.0超级计算机

  我们都知道,大刘的小说讲述了一个解决不了“三体”问题文明最终与另一个文明爆发战争的故事。而在这里,上海交大物理与天文系的博士团队则正在计算比“三体”还要复杂N倍的N体运动问题。与小说中恒星维度的故事相比,这种计算规模可以算是星系维度的史诗了。

  我们都知道,赤道附近的海水受到曝晒而升温进而蒸发形成上升气流,很容易在相对静止的空气环境中与对流作用配合并最终演化成台风。而在这里,上海交大海洋学院教授团队则正在研究海水蒸发之后温度恢复与大气运动的关系,以便更好的解释和预测各种海洋天气现象,让风雨不再无常。

  我们都知道,燃烧膨胀的气体能够推动涡轮,并进而形成动力让交通工具前行;而燃气温度越高,涡轮所能提供的动力也就越大;但相应的,我们也需要制造更坚固耐用的涡轮。而在这里,上海交大材料科学与工程学院的团队正在研究不同金属元素在镍基单晶高温合金中的作用,用以制造更耐高温、强度更高的涡轮,从而让轮船跑的更快、更安全。

  利用π2.0,上海交大的师生们正在研究那些我们以往不曾解决的、远在天边和近在眼前的各种问题。而在这台全新的超级计算机上,这些计算都获得了数倍于π1.0的速度提升。显然,这意味着,我们可以比以往更快的接近真相。

  超算Π的2.0之路

  既然上海交大的这台新超算名为π2.0,那么也就必然有π1.0。

  2013年,在浪潮公司为上海交大设计并建造了一台超级计算机,其理论峰值性能达到了每秒263万亿次计算。这在国内高校领域中是绝对的王者级别。当时,这台超算使用的是以英特尔至强E5 2680 V3 8核心处理器为核心的异构计算架构。整台超算了407个节点,814颗处理器,6512个CPU计算核心以及1900个协处理器(加速卡)计算核心;在当时的TOP500排行榜中位列第158位。

  时隔六年,当π1.0在性能、能效及运营成本上已经无法满足现实需求之时,π2.0计划诞生了。为此,上海交大再次找到了英特尔与浪潮,利用最新的英特尔至强Gold 6248 20核处理器和先进的英特尔100G OmniPath高速互联网络,上海交大以几乎相同的总成本获得了焕然一新的π2.0。新的π2.0包含656个节点、1316颗处理器,理论峰值性能2100万亿次。

上海交通大学网络信息中心计算部主任林新华博士

  对于π2.0,上海交通大学网络信息中心计算部主任林新华博士表示:经过英特尔的协助调优,在N体问题的研究中,π2.0在单核心性上是过去的3倍,单节点性能是过去的5倍;而在海洋温度恢复问题的研究领域,π2.0在同等物理规模下性能提升4倍,单个计算任务运行时间从过去的13天缩短为2天;而在材料科学研究中,针对不同形态的镍基单晶高温合金,π2.0同样能够获得2-3倍的提升。

  除了协处理器的性能升级之外,π2.0能够获得如此立竿见影的性能提升主要得益于新超算在三方面的进步。首先,相对于2013年的至强E5 2680 V3,新的最新一代至强Gold 6248虽然主频相同,但是单处理器所提供的核心数量从过去的8个提升至现在的20个,是过去的2.5倍。这意味着每颗处理器、每个节点都能够提供比过去更多的算力。

  其次,在单核心计算效率方面,在这六年间,英特尔处理器同样获得了长足的进步。此外,英特尔还在处理器功能方面增加了AVX512高位宽向量计算等对科学数值计算意义重大的功能。这些都使得全新的第二代英特尔至强可扩展处理器能够表现出比以往更好的计算效率。

  第三,由于上海交大在超算应用中处于领先地位,英特尔也选择将全国高校中的第一个并行计算中心设立在此,以推动高校在超算应用编程和性能调优方面的整体发展。显然,在π2.0超算建成之后,原有应用能够在保持兼容的情况下快速获得大幅度性能提升也与高校研究团队本身的编程、调优水平密不可分。

  从超算大国到超算强国功夫在榜单之外

  前段时间,TOP500榜单如期发布。中国以219台的上榜数量毫无疑问的再次坐上了顶级超算保有量的头把交椅。

  但在为已有成绩欢欣鼓舞的同时,我们仍旧需要看到,我国在超算总算力、TOP100上榜数量等方面与世界顶尖水平有着明显的差距。换句话说,中国目前在超算领域中的优势主要体现在数量而非质量上。这也是我们为何只能算是超算大国而不是超算强国的原因。

  是因为我们造不起、不会造先进的超算系统吗?当然不是。

  天河系列、神威·太湖之光等超算早已证明我们有实力建造世界上最好的超算。但我们之所以还没有成为超算强国,最主要的原因就在于国内缺乏足够的超算应用领域和超算人才。

  当我们拥有足够多善于利用超算研究问题的科学家,当我们拥有大量能够熟练掌握并行计算编程技巧的跨学科人才,当我们的年轻人从学生时代就习惯于使用超算来研究课题;那么国内就会形成一个规模足够庞大的超算需求市场,进而推动更多、更先进的超算系统建立。只有那时,我们才能够从一个超算大国真正变为超算强国。

  而在今天的上海交大之中,通过使用π2.0,这样的科学家、编程人才和学生正在逐渐增多并走向社会;中国的这条超算强国之路正在成型。

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