Суперкомп'ютер "Академік Сергій Корольов"

© 2009-2013 М-Платформа, Україна, м. Київ

СУПЕРКОМП 'ЮТЕРНА СИСТЕМА НОВОГО ПОКОЛІННЯ

АКАДЕМІК СЕРГІЙ

КОРОЛЬОВ

ІНФОРМАЦІЙНИЙ ЛИСТ

ЗАГАЛЬНІ ПРИНЦИПИ БУДОВИ ТА ПОКАЗНИКИ ШВИДКОДІЇ

АКАДЕМІК СЕРГІЙ КОРОЛЬОВ 2

ВА022-314 © 2009-2013 М-Платформа, Україна, м. Київ

ВСТУП Комп'ютерні системи надвисокої продуктивності, що також мають назву суперкомп'ютерів, сьогодні знаходяться на вістрі науково-‐технічного прогресу. Доступність такої техніки визначає рівень наукових досліджень та інженерії в кожній країні, компанії, дослідницькій лабораторії та армії, а отже – рівень конкуретноздатності економіки та боєздатності війська. Не менш важливою є якість та доступність програмного забезпечення для суперкомп'ютерів – без відповідного програмного продукту корисний ефект такої системи буде близьким до нуля. Сьогодні абсолютна більшість систем такого класу – це кластерні системи на базі тих самих процесорів, які стоять у персональних комп’ютерах чи серверах, що включають процесорні акселератори на базі графічних прискорювачів – гетерогенні кластерні системи. Фактично це об’єднані в локальну мережу персональні комп’ютери. Програмування суперкомп’ютерів сьогодні надзвийчайно ускладнене. Потрібно враховувати розпаралелення програмного коду на різних рівнях (кластер, процесори, ядра, акселератори), адаптацію під різні архітектури тощо. Також потрібно враховувати такий вагомий фактор як ГРІД-‐технології (розподілені дистанційні обчислення). Адаптація програмного продукту для ГРІД ще більше ускладнює його. Нарешті, якщо ми згадаємо, яке коло задач вирішується за допомогою суперкомп’ютерів, а це – алгоритми дуже непрості, то стає зрозуміло, що потрібні інструменти радикального покращення стану справ у цій галузі. Найкраще тут – створення нової технології, яка буде позбавлена спадковості, а отже – і старих відомих вад. Науковий доробок вітчизняних науковців дозволяє створити таку технологію. Поширена думка про перевагу закородонної технології перед вітчизняною грунтується на неправдивій інформації і лише частково коректна в контексті компонентної бази для побудови електронних пристроїв. Суперкомп’ютерна архітектура нового покоління, що створена на базі вітчизняного наукового доробку, демонструє головні переваги, які роблять її конкуретноздатною. Це нова компонентна база, нові технології програмування та новий рівень швидкодії. Усі технології, які застосовані в проекті “М-‐12”, сьогодні є загальновідомими та добре відпрацьовані. В цьому ми не бачимо жодної вади – навпаки, це сприяє швидким темпам розвитку проекту та створює плацдарм для зайняття відповідної ринкової ніші. М12Э36-‐1 “Академік Сергій Корольов” зможе змінити структуру української економіки та стати предметом національної гордості. Ця система вирішує дві ключові проблеми у сфері високопродуктивних обчислень, забезпечуючи перехід до автоматичного програмування (включаючи автоматичне розпаралелення програмного коду) та переходячи від екстенсивного до інтенсивного способу розвитку суперокомп’ютерних архітектур. Ринок для подібних систем на теренах України та країн СНД обмежений. Можна сказати, що навіть ті системи з не дуже високим рівнем швидкодії, які вже встановлені, використовуються вкрай недостатньо. Тому апріорі технологія створюється для світового ринку, але ми віримо, що вітчизняні науковці і машинобудівники будуть зацікавлені у використанні нової техніки.



РЕКОНФІГУРОВАНА АРХІТЕКТУРА НОВОГО ПОКОЛІННЯ Програмовані логічні інтегральні схеми дозволяють створити комп’ютер без фіксованої архітектури процесора. Це відкриває новий горизонт можливостей – синтез апаратної конфігурації в режимі виконання програми, безпосередня трансляція програмного коду в конфігурацію ПЛІС дозволяють кардинально підвищити продуктивність комп’ютерної системи. Від самого початку розробки архітектура М-‐12 створювалася як технологія, що виключає ручну роботу програміста з оптимізацією алгоритму.

ТРАДИЦІЇ ВІТЧИЗНЯНИХ РОЗРОБОК Проект М-‐12 значною мірою є конгломератом вітчизняних технологій та ідей, що виникли ще в 1960-‐і – 1980-‐і роки ХХ століття – як в контексті програмного забезечення, так і в контексті апаратного забезпечення. Зокрема, загальні принципи побудови системи мультипроцесорної обробки даних запозичені від радянських реконфігурованих комп’ютерів ПС (системи ПС-‐2000 та ПС-‐2100), які демонстрували рекордну швидкодію при паралельній обробці даних. Технології апаратної інтерпретації мови програмування високого рівня та обробки символьної інформації, зокрема – числових даних у формі алгебраїчних виразів, грунтуються на втілення відповідної функціональності в серії комп’ютерів МИР – фактично, першої у світі реалізації концепції персонального комп’ютера. Обчислювальні компоненти (ядра з інтерпретацією програм), що синтезуються в рамках виконання програм, використовують елементи архітектури БЕСМ-‐6. БЕСМ-‐6 вирізнялася компактністю в розумінні використання електронних компонентів, що дуже важливо для оптимізації використання обмежених ресурсів ПЛІС.

ЗАГАЛЬНИЙ ВИГЛЯД СИСТЕМИ Фізично система складається з двох компонентів – консолі управління та процесора даних. Процесор даних має вигляд тригранної призми висотою 180 см з розмірністю грані 60 см. Системи рідинного охолодження та резервного енергоживлення розміщені у внутрішній частині конструктиву, обчислювальні блоки – у зовнішній. В піддоні конструктиву розміщено силовий ввід для енергоживлення та роз’єми підключення систем телеметрії і магістральних комунікаційних каналів. Консоль управління виконана у вигляді чотиригранного сегмента порожнистої 12-‐гранної призми висотою 180 см та товщиною стінки 50 см. Внутрішня частина грані має розмір 120 см. На внутрішній частині кожної грані розміщено основний сенсорний рідкокристалічний екран розміром 120х120 см та додатковий сенсорний рідкокристалічний екран у формі паралелограма розміром 120х28х90х28 см.



КОМПОНЕНТИ СИСТЕМИ Система складається з 64-‐х модулів, 63 з яких зкомпоновані у 21 блок по 3 модулі в кожному, а ще один виконує функції концептуального ядра системи для забезпечення введення-‐виведення даних. Система може масштабуватися за кількістю блоків в довільному обсязі. Кожен модуль містить універсальний процесор М12Э, конвеєрний процесор М12Э7 та 4096 ГБайт енергонезалежної основної пам’яті, що виконана на базі технології Flash. Універсальний та конвеєрний процесори відрізняються топологією кеш-‐пам’яті та архітектурою підключення до основної пам’яті. Конвеєрний процесор М12Э7 складається з 8-‐х мікросхем ПЛІС XC7V585T, об'єднаних послідовно та містить 8 блоків по 16 Гбайт кеш-‐пам'яті на основі мікросхем стандарту GDDR5. Конвеєрний процесор містить 1 внутрішньосистемну універсальну комунікаційну шину, що підключена до універсального процесора. Драйвер реконфігурації М12Э7 передбачає синтез до 16384 обчислювальних елементів (ядер) в межах одного процесора. Універсальний процесор М12Э складається з 2-‐х мікросхем ПЛІС XC7V2000T та містить 2 блоки по 128 Гбайт кеш-‐пам'яті на основі мікросхем стандарту GDDR5. Універсальний процесор містить 5 внутрішньосистемних універсальних комунікаційних шин. Драйвер реконфігурації М12Э передбачає синтез до 4096 обчислювальних елементів (ядер) в межах одного процесора. Топологія сполучення модулів – кільцево-‐променева. Загальна пропускна здатність міжмодульної шини складає 3,6 Терабіт на секунду.

ПІДКЛЮЧЕННЯ ДО КОМП ’ютерних мереж загального користування Система містить 8 портів стандарту 10 GBit Ethernet для зовнішньої комунікації. Порти можуть забезпечувати синхронну передачу даних для зовнішніх обчислювачів із загальною ефективною швидкістю до 50 Гбіт/с.

СИСТЕМНЕ ПРОГРАМНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ Системне програмне забезпечення М-‐12 включає операційну систему та середовищ розробника для низки мов програмування, зокрема – одна з доступних мов програмування є діалектом мови Паскаль. Операційна система відповідає за виконання програми та містить блоки, що дозволяють поєднувати режим реального часу та виділення квантів процесорного часу окремим потокам, забезпечують одночасне виконання великої кількості (до 65 536) програм та роботу до 16384 користувачів в одній системі.



ВДОСКОНАЛЕНІ ІНСТРУМЕНТИ ОБЧИСЛЕНЬ Архітектура М-‐12 передбачає наступні технології, що дозволять покращити ефективність програмування та виконання обчислень за допомогою суперкомп’ютера:

• Операції з довгими машинними словами з розрядністю до 4096 двійкових розрядів • Операції з апаратурним контролем точності вхідних даних та автоматичним

обчисленням похибки • Обчислення із заданою точністю в вигляді e=10-‐9

ПІДКЛЮЧЕННЯ ПЕРИФЕРІЙНИХ ПРОЦЕСОРІВ Системне програмне забезпечення передбачає підключення периферійних процесорів та їх автоматичну інтеграцію до складу комплексу без потреби в модифікаціях системного та прикладного програмного забезпечення. Зокрема, підтримується інтеграція та автоматична адаптація алгоритмів для квантових процесорів та аналогових процесорів. Доступний модуль М12Э3, що є програмно-‐апаратним емулятором квантового процесора. Такий емулятор дозволяє відлагоджувати в реальних умовах програмне забезпечення, що спрямоване на використання квантових периферійних процесорів та оцінювати перспективність застосування квантових процесорів для вирішення конкретних задач.

ПОКАЗНИКИ ПРОДУКТИВНОСТІ Цільова регулярна продуктивність системи на середньостатистичних задачах складає орієнтовно 25 тис. трлн. операцій з 64-‐розрядними машинними словами на секунду. Показники реальної продуктивності системи вищі, аніж апаратурні формальні показники, оскільки системна оптимізація алгоритмів, використання асоціативного збереження результатів обчислень, інших методик дозволяють забезпечити приріст еквівалентної швидкодії.



ГРАФІК РОБІТ ЗА ПРОЕКТОМ 2013 рік (грудень): Підготовчі роботи та початок виготовлення дослідного зразка системи М12Э36-‐1. 2014 рік: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

2015 рік: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Легенда для прочитання календарних схем: Виготовлення першого дослідного зразка системи М12Э36-‐1 Фінальні заміри швидкодії для участі в рейтингу Топ 500 Виготовлення дослідного зразка консолі управління Фіналізація блоків інтерфейсу користувача (HTML5) та інструментальних засобів Фіналізація інтерфейсів комунікації для роботи в мережах TCP/IP та GRID-‐підсистеми Фіналізація базових прикладних програмних продуктів Фіналізація продукту в цілому. Відлагодження взаємодії компонентів Презентація першого промислового зразка системи Промо-‐кампанія, демонстрації для клієнтів, серійне виробництво

Devices & Hardware

Суперкомп'ютер "Академік Сергій Корольов"