ＧＰＵ將改變ＨＰＣ格局？

最近，國內(nèi)服務(wù)器領(lǐng)域關(guān)于超級(jí)計(jì)算機(jī)、高性能計(jì)算的話題不少，先是5月15日曙光5000A落戶中國國家網(wǎng)格南方主節(jié)點(diǎn)上海超級(jí)計(jì)算中心; 隨后的5月25日，聯(lián)想深騰7000也在國家網(wǎng)格北方主節(jié)點(diǎn)中科院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心投入使用，這兩套系統(tǒng)的計(jì)算性能都突破了百萬億次/秒，堪稱當(dāng)前國產(chǎn)運(yùn)算速度最快的計(jì)算機(jī)。

據(jù)《2008年中國高性能計(jì)算機(jī)性能Top 100排行榜》顯示，Top 100系統(tǒng)的總Linpack測試性能首次突破千萬億次，達(dá)到1.01 千萬億次，是2007年的3.29倍，與國際上的差距進(jìn)一步縮小，單位計(jì)算能力的價(jià)格也進(jìn)一步下降。

而在應(yīng)用范圍上，除了能源、科學(xué)計(jì)算、政府部門、工業(yè)和氣象等傳統(tǒng)高性能用戶的需求持續(xù)旺盛之外，動(dòng)漫渲染、地震、視頻計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)加速等新興行業(yè)應(yīng)用熱點(diǎn)也不斷涌現(xiàn)。

除此之外，國內(nèi)HPC廠商跟隨技術(shù)發(fā)展的腳步也越來越快了。隨著GPU在HPC領(lǐng)域的日益火爆，近期，浪潮、曙光、寶德等國內(nèi)服務(wù)器廠商都相繼推出了整合了GPU處理器的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

在這種形勢(shì)下，不久的將來，中國的HPC市場會(huì)有怎樣的發(fā)展趨勢(shì)呢？

GPU的挑戰(zhàn)

近幾年，隨著GPU的發(fā)展，人們開始嘗試使用GPU來完成某些計(jì)算任務(wù)，但是由于編程模式的束縛，它并沒有流行起來。然而，隨著nVIDIA的Telsa芯片和CUDA環(huán)境的日臻完善，GPU走進(jìn)了高性能計(jì)算領(lǐng)域，并向CPU提出了挑戰(zhàn)。

“GPU是一種用于科學(xué)計(jì)算的圖形卡，它是多核CPU的一個(gè)主要競爭對(duì)手。關(guān)于GPU主要有三大優(yōu)點(diǎn): 它的速度很快，而且會(huì)越來越快; 價(jià)格很低; 能耗更低?！币粯I(yè)內(nèi)工程師這樣描述GPU。

這說明了GPU的巨大潛力。AMD和nVIDIA最快的圖形芯片已經(jīng)達(dá)到了Teraflops層級(jí)，在這個(gè)范圍內(nèi)，普通多核芯片的速度就相形見絀了。

那么，未來GPU能取代CPU嗎？答案無外乎三種。

第一、未來除了Power、SPARC、英特爾和AMD之外，Tesla可能會(huì)繼續(xù)發(fā)展成為其中一個(gè)主流芯片，以GPU取代CPU的大部分功能和用途; 第二、GPU未來的發(fā)展也可能像AMD Fusion計(jì)劃那樣，與CPU融合在一起，在芯片層各自發(fā)揮各自的作用; 第三、GPU繼續(xù)以輔助CPU的方式獨(dú)立存在，比如作為專門針對(duì)圖形應(yīng)用的加速器，而大多數(shù)計(jì)算任務(wù)仍由CPU完成。

第三種情況在國內(nèi)早就有了應(yīng)用。據(jù)中科院超算中心主任遲學(xué)斌介紹，這樣的機(jī)器已經(jīng)在中科院北京基因組研究所發(fā)揮作用了——每個(gè)人大約有30億個(gè)基因?qū)Γ虼嗽诨蚍治鲱I(lǐng)域需要海量數(shù)據(jù)處理和計(jì)算。“盡管圖形加速GPU技術(shù)很強(qiáng)大，單臺(tái)計(jì)算力相當(dāng)于10臺(tái)普通高性能設(shè)備，但是GPU技術(shù)是這些年剛剛興起的一種計(jì)算技術(shù)，應(yīng)用還不成熟，所以，我們選用的是浪潮搭建的GPU+CPU的全新計(jì)算平臺(tái)模式?！?/p>

其實(shí)，大家對(duì)GPU最大的擔(dān)心在于，它的編程方式不同于x86、SPARC或者Power CPU，這也是nVIDIA為GPU提供CUDA技術(shù)的支持的原因，CUDA允許GPU利用標(biāo)準(zhǔn)C語言或者Fortran進(jìn)行編程，無需使用專門針對(duì)圖形的API。

為此，有人預(yù)測，未來的高性能計(jì)算系統(tǒng)中，硬件架構(gòu)將成為一個(gè)由專門CPU和GPU類型內(nèi)核所組成的系統(tǒng)。

但就目前而言，高性能計(jì)算最具挑戰(zhàn)性的問題仍是應(yīng)用軟件和能耗。

并行軟件呼聲高

目前，英特爾已經(jīng)研究出具有80個(gè)內(nèi)核，世界首個(gè)萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算性能的可編譯處理器，在多核心時(shí)代來臨時(shí)，對(duì)多核并行技術(shù)的優(yōu)化至關(guān)重要?！岸鄡?nèi)核就是多CPU，多CPU就必然要采用并行計(jì)算才能發(fā)揮全部CPU的作用和功能。”英特爾公司軟件產(chǎn)品部全球業(yè)務(wù)發(fā)展與營銷總監(jiān)兼首席軟件專家James Reinders表示，未來如果沒有并行軟件，就不可能真正利用多CPU的功能，而要想發(fā)揮多核功能，軟件首先要具備的就是并行計(jì)算能力。

從技術(shù)上來講，從上世紀(jì)40年代第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC的5000次/秒到目前的千萬億次/秒，速度提高了2000億倍，這主要?dú)w功于硬件技術(shù)的發(fā)展。然而，在高性能計(jì)算領(lǐng)域，相對(duì)于硬件，并行軟件技術(shù)卻在幾十年來都沒有取得突破性的進(jìn)展。特別是分布式計(jì)算技術(shù)、自動(dòng)并行識(shí)別技術(shù)等，這種軟硬差距在中國尤為明顯。

據(jù)了解，美國能源部雖然擁有世界上最先進(jìn)的計(jì)算平臺(tái)，但實(shí)際花費(fèi)在硬件上的投資不到總投資的1/6，大部分預(yù)算都花在了物理建模和軟件算法上?！案叨擞?jì)算真正的危機(jī)在于軟件，軟件已成為了現(xiàn)代技術(shù)中最主要的經(jīng)濟(jì)開支?！边t學(xué)斌表示。

硬件架構(gòu)內(nèi)計(jì)算組件的增加意味著我們要在應(yīng)用程序的并行化上投入更多精力。而向并行模式轉(zhuǎn)變并非易事，因?yàn)槟壳暗暮芏囗?xiàng)目都是在單核技術(shù)基礎(chǔ)上實(shí)施的。

“和其他國家一樣，中國也越來越重視并行軟件的開發(fā)?！边t學(xué)斌說道。

前不久，浪潮宣布與中科院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心及其下屬的中科院超級(jí)計(jì)算中心達(dá)成戰(zhàn)略性合作，雙方表示將把浪潮的“天梭”高性能計(jì)算系統(tǒng)硬件和超算中心的應(yīng)用開發(fā)技術(shù)進(jìn)行整合，為廣泛的中低端高性能計(jì)算用戶提供“一站式”的HPC解決方案，緩解當(dāng)前高性能計(jì)算產(chǎn)業(yè)“偏重計(jì)算峰值，忽視軟件應(yīng)用，導(dǎo)致軟硬失衡”的尷尬局面。

據(jù)記者了解，作為硬件系統(tǒng)專業(yè)制造商的浪潮和作為國內(nèi)HPC應(yīng)用開發(fā)“專家團(tuán)”的中科院超算中心之所以一拍即合，是因?yàn)殡p方都看到了對(duì)方的優(yōu)點(diǎn)和合作的價(jià)值?！白鳛閲鴥?nèi)HPC主要廠商之一，浪潮服務(wù)器在服務(wù)器硬件領(lǐng)域表現(xiàn)不俗。”浪潮集團(tuán)高性能產(chǎn)品總經(jīng)理劉軍告訴記者，2008年浪潮的HPC業(yè)務(wù)增長了近200%。而作為國內(nèi)最早的大型超級(jí)計(jì)算中心，中科院超算中心的優(yōu)勢(shì)則在于它所擁有的高性能計(jì)算機(jī)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，以及在并行計(jì)算領(lǐng)域的成績。

筆者認(rèn)為，雙方的合作模式也許沒有什么新意，但是如果有更多的用戶敢吃這一對(duì)“螃蟹組合”的話，也許對(duì)未來中國的高性能軟件會(huì)有不小的改善。

綠色I(xiàn)T和能耗

在高性能計(jì)算領(lǐng)域，用戶對(duì)于計(jì)算性能的需求是無止境的，這使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，系統(tǒng)功耗也成為超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)。

以中國石油的計(jì)算處理中心為例，從2002年～2007年，CPU從340顆增加到13308顆，增長了近40倍。其運(yùn)算能力也從189億次/秒飆升到現(xiàn)在的高達(dá)139萬億次/秒，短短5年間處理能力獲得了質(zhì)的飛躍。正是憑借它強(qiáng)大的計(jì)算能力，處理中心在冀東南堡油田的發(fā)現(xiàn)過程中發(fā)揮了至關(guān)重要的的作用，為油井位置的選擇提供了重要的依據(jù)。不過據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005年處理中心有1500個(gè)CPU時(shí)，電費(fèi)是334萬元; 2006年CPU增加到2300顆，電費(fèi)達(dá)到492萬元; 2008年電費(fèi)至少需要1500萬～1700萬元。

在去年的全國高性能計(jì)算學(xué)術(shù)年會(huì)上，國家并行計(jì)算機(jī)工程技術(shù)研究中心、中國工程院院士金怡濂算了一筆賬，當(dāng)今全球百萬億次級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功耗在1000千瓦左右，一臺(tái)千萬億次超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功耗能達(dá)到數(shù)兆瓦，每年的電費(fèi)開銷高達(dá)數(shù)千萬元。 系統(tǒng)功耗是超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)展面臨的重要挑戰(zhàn)。”

此外，Gartner預(yù)言，在接下來的幾年里，世界上一半左右的數(shù)據(jù)中心將受電力和空間的約束，能耗會(huì)占到一個(gè)IT部門預(yù)算的1/3。IDC也表示，IT組織能耗的花費(fèi)將達(dá)到硬件花費(fèi)的1/4。以往高性能必然高功耗的時(shí)代不會(huì)長久，評(píng)價(jià)高性能計(jì)算系統(tǒng)的優(yōu)劣要看性能，更要關(guān)注能效。未來的超級(jí)計(jì)算機(jī)必須在節(jié)能方面有新的技術(shù)突破。

因此，目前許多廠商已經(jīng)將降低高性能計(jì)算系統(tǒng)的能耗和綠色計(jì)算作為努力的方向。

例如處在高性能計(jì)算產(chǎn)業(yè)鏈上游的處理器廠商英特爾，就在制程工藝上采用了最新的45納米技術(shù)，這不僅從晶體管層面解決了漏電問題，而且還可以讓芯片體積更小、性能更高。

另外，英特爾也在芯片中不斷增強(qiáng)能源管理功能，如對(duì)能耗按需管理，降低空閑處理器內(nèi)核的功耗，同時(shí)提升繁忙的處理器內(nèi)核的主頻。而在基礎(chǔ)架構(gòu)方面，英特爾認(rèn)為一定要和整個(gè)產(chǎn)業(yè)的伙伴進(jìn)行廣泛合作，才能讓整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)共同走向綠色計(jì)算。

在綠色計(jì)算的呼聲下，國內(nèi)的HPC廠商也越來越關(guān)注能耗問題。比如，為了將能耗降到最低，曙光的5000A超級(jí)計(jì)算機(jī)在選擇芯片時(shí)，毅然決然的選擇了AMD的低功耗設(shè)計(jì)CPU。據(jù)了解，該CPU比常規(guī)CPU要節(jié)約30%的耗電量，全系統(tǒng)也因采用低功耗CPU節(jié)電超過200千瓦。

而結(jié)合了虛擬化方案的浪潮天梭TS30000還實(shí)現(xiàn)了高性能商用系統(tǒng)的高效能。“未來高性能計(jì)算用戶們將更多地關(guān)注能源效率問題，因此，開發(fā)降低了能耗的高性能計(jì)算系統(tǒng)是很有必要的?！眲④娬f。

采訪手記

新興行業(yè)等待發(fā)現(xiàn)

受全球金融危機(jī)的影響，2009年國內(nèi)服務(wù)器市場增長放緩，總體需求疲軟。在這種局勢(shì)下，傳統(tǒng)行業(yè)，比如氣象、能源、政府、工業(yè)等對(duì)高性能服務(wù)器的采購已經(jīng)不能“填飽”國內(nèi)高性能服務(wù)器廠商的“胃口”了。所以，拓展新興行業(yè)，開辟另一片高性能服務(wù)器的應(yīng)用天地成為眾多廠商的當(dāng)務(wù)之急。

其實(shí)，2009年對(duì)服務(wù)器廠商來說，雖然危機(jī)并存，不過總體來講，仍是機(jī)遇更大的一年。在政策和項(xiàng)目的拉動(dòng)下，不少新興行業(yè)對(duì)高性能服務(wù)器的要求越來越強(qiáng)烈。

在國家4萬億元投資的帶動(dòng)下，以電子政務(wù)和民生工程為代表的一批政府主導(dǎo)的信息化項(xiàng)目正在陸續(xù)上馬;

由于3G牌照的發(fā)放，運(yùn)營商將有2000億元的資金投入到網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和改造上，電信及其增值業(yè)務(wù)將成為服務(wù)器市場增長的一大亮點(diǎn);

大型企業(yè)級(jí)市場引發(fā)的新一輪數(shù)據(jù)中心建設(shè)，尤其是能源、建筑等細(xì)分行業(yè)規(guī)范化所帶來的IDC重建、新建，也將刺激服務(wù)器采購;

經(jīng)濟(jì)的不穩(wěn)定，使得政府采購更加謹(jǐn)慎，對(duì)于成本控制俞加敏感，中央大部委集中采購、入圍選型采購的幾率增加;

在事關(guān)國家經(jīng)濟(jì)命脈、國計(jì)民生的領(lǐng)域中，國家對(duì)信息安全的關(guān)注程度日益提高，對(duì)國產(chǎn)系統(tǒng)安全產(chǎn)品和解決方案的需求也更加迫切。為此，國家正逐漸加大對(duì)自主創(chuàng)新品牌的扶持力度，強(qiáng)調(diào)安全自主可控。

參考一句名言，“這個(gè)世界從不缺少美，缺少的是發(fā)現(xiàn)美的眼睛?！睂?duì)中國的服務(wù)器行業(yè)來說亦是如此。其實(shí)2009年國家對(duì)高性能服務(wù)器的需求并沒有減少，關(guān)鍵是看廠商們有沒有發(fā)現(xiàn)這些需求的“眼睛”。（文/劉麗麗）