為了滿足科學(xué)計算對于高性能計算（High Performance Computing，簡稱 HPC）系統(tǒng)的苛刻需求，東方超算采用英特爾® 至強® 可擴展處理器，結(jié)合專為高性能計算設(shè)計的英特爾® Omni-Path（英特爾® OPA）架構(gòu)，打造了計算性能強、并行效率高、適用性廣泛的高性能計算一體機，并在數(shù)值天氣、工業(yè)制造、新材料等領(lǐng)域擁有大量的成功實踐。
背景隨著中國經(jīng)濟(jì)的崛起與大數(shù)據(jù)、人工智能等創(chuàng)新技術(shù)的快速發(fā)展，科研創(chuàng)新持續(xù)加速，并催生了大量的新研究方法與工具，科學(xué)計算呈現(xiàn)出了井噴式的需求，計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡稱 CFD）等應(yīng)用對于計算系統(tǒng)的性能提出了極高的要求，常規(guī)的計算能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法應(yīng)對復(fù)雜的科研任務(wù)所帶來的挑戰(zhàn)。各領(lǐng)域急需計算性能強、并行效率高、適用性廣泛的高性能計算集群，以同時滿足科學(xué)計算、大數(shù)據(jù)分析和機器學(xué)習(xí)需求，為科研創(chuàng)新提供加速器和必備條件。高性能計算一直被視為計算機應(yīng)用最為璀璨的一顆明珠，在互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)值天氣、工業(yè)制造、新材料等大量的細(xì)分領(lǐng)域，高性能計算都起著至關(guān)重要的作用。例如，在工業(yè)制造領(lǐng)域，便捷高效的工業(yè)仿真可大幅加速產(chǎn)品的研發(fā)速度，提高產(chǎn)品質(zhì)量并大幅降低研發(fā)費用；在數(shù)值天氣預(yù)報領(lǐng)域，高性能計算顯著提升了日常天氣、氣象災(zāi)害和空氣質(zhì)量的預(yù)報時效和精度，讓更長時間、更精準(zhǔn)的天氣預(yù)報成為可能。而高性能計算系統(tǒng)的性能表現(xiàn)，更成為衡量一個企業(yè)乃至國家高新技術(shù)研發(fā)實力的重要標(biāo)準(zhǔn)。化解高性能計算的挑戰(zhàn)為打造更高性能、更穩(wěn)定、適用性更廣泛的高性能計算一體機，高性能計算面臨以下幾大挑戰(zhàn)：1.如何進(jìn)一步提升高性能計算系統(tǒng)的性能表現(xiàn)性能特別是浮點計算能力是衡量高性能計算系統(tǒng)的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)之一，要提升高性能計算系統(tǒng)的性能，可以采取集群的方式增加服務(wù)器的數(shù)量，性能提升的效果可以說是 “立竿見影”。但是，服務(wù)器節(jié)點的增加也會導(dǎo)致高性能計算系統(tǒng)的硬件采購、空間、能耗等方面成本的線性增長，對用戶帶來不容忽視的成本壓力。另外一個可行的方式是高效融合為高性能計算創(chuàng)新和優(yōu)化的處理器、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、科學(xué)計算套件等組件，這個方式成為提升單個計算節(jié)點性能表現(xiàn)的優(yōu)先選擇。2.如何通過網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化應(yīng)用性能并降低端到端的延遲對于終端用戶來說，要部署高性能計算系統(tǒng)，往往需要解決網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的選型問題，專為高性能計算進(jìn)行優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)往往具備低延遲、高擴展等優(yōu)秀能力，能夠跨大量節(jié)點或核心計數(shù)群集進(jìn)行性能擴展，同時在應(yīng)用跨群集擴展時保持很低的端到端延遲。另外，在為高性能計算系統(tǒng)選擇網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的過程中，還需要確保不同網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)施之間的兼容性，避免對于當(dāng)前業(yè)務(wù)以及未來的業(yè)務(wù)擴展帶來影響。高性能計集群解決方案為了給用戶提供更優(yōu)秀的高性能計算系統(tǒng)，滿足用戶科學(xué)計算需求，東方超算與英特爾進(jìn)行緊密合作，推出了高性能計算集群解決方案，其核心的先進(jìn)性源于英特爾產(chǎn)品與技術(shù)。在至關(guān)重要的處理器選型過程中，東方超算將目標(biāo)瞄準(zhǔn)了最新的英特爾® 至強® 可擴展處理器。作為最新的 Skylake 架構(gòu)、14nm 制程以及 6 內(nèi)存通道的集合，英特爾® 至強® 可擴展處理器擁有重新設(shè)計的內(nèi)存一致性，以及英特爾® 512 位高級向量指令集，每個核心最大支持 2 個 FMA，可大幅提升浮點計算性能，較上一代處理器性能提升顯著。高性能計算一體機的另外一個關(guān)鍵部分是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，需要解決“是選擇 EDR InfiniBand，還是 OPA？” 的重要問題。東方超算經(jīng)過調(diào)研和論證，認(rèn)為英特爾® OPA 采用了先進(jìn)的無連接設(shè)計，提供可擴展更高節(jié)點和更多內(nèi)核數(shù)量的性能，使其成為面向高性能計算一體機的理想選擇。在驗證過程中，英特爾® Omni-Path Switch 和 Host Fabric Interface Adapter 被證明可提供高達(dá) 100Gb/s 帶寬和極低的通信延遲，從而保障了大規(guī)模集群擴展性。另外，東方超算還使用了搭載英特爾® 至強® 可擴展處理器的英特爾服務(wù)器平臺以及英特爾® Parallel Studio XE 套件。其中，搭載英特爾® 至強® 可擴展處理器的英特爾服務(wù)器平臺采用標(biāo)準(zhǔn)19 寸 1U/2U 機架式設(shè)計，支持高達(dá) 165W TDP，具備科學(xué)的散熱設(shè)計和強大的可擴展性；2U4 節(jié)點高密度機架式設(shè)計可以有效控制 TCO。英特爾® Parallel Studio XE 套件提供了可幫助C、C ++、Fortran 和 Python* 等軟件開發(fā)人員利用不斷升級的處理器矢量化和并行功能，大幅提高應(yīng)用程序性能。
表 1. 面向仿真分析領(lǐng)域的東方超算高性能計算一體機配置
在某汽車風(fēng)洞中心的高性能 CFD 仿真分析集群建設(shè)實踐中，東方超算為客戶建立了涵蓋 1276 個英特爾® 至強® 金牌處理器、一套 GPFS 分布式存儲（500TB 可用容量），一套基于英特爾® OPA 架構(gòu)的 100Gb/s 的 2 層胖樹無阻塞網(wǎng)絡(luò)、一套系統(tǒng)管理網(wǎng)絡(luò)、一套硬件管理網(wǎng)絡(luò)，詳細(xì)拓?fù)淙鐖D 1 所示：
圖 1. 高性能 CFD 仿真分析集群詳細(xì)拓?fù)?/span>
高性能計算效果受益于英特爾專為高性能計算優(yōu)化的硬件產(chǎn)品與軟件工具，以及東方超算在高性能計算領(lǐng)域深厚的技術(shù)積淀，東方超算高性能計算一體機的內(nèi)存帶寬與計算性能得到了充分的保證。為此，東方超算以英特爾® 至強® 金牌 6142 處理器、英特爾® 至強® 金牌 6130 處理器和上一代處理器英特爾® 至強® E5-2680 v4 為例，對影響服務(wù)器性能的浮點計算和內(nèi)存帶寬進(jìn)行測試和對比，以驗證高性能計算一體機的實際性能，為服務(wù)器選型提供參考。測試平臺設(shè)置如下：操作系統(tǒng)為 Centos7.5，Linpack 使用英特爾® Math Kernel Library 安裝路徑下的 Benchmark/mp_linpack 進(jìn)行 HPL 測試，內(nèi)存使用至 90%。內(nèi)存帶寬測試使用Stream 基準(zhǔn)測試程序，在 BIOS 中將睿頻打開。硬件平臺配置如表 2 所示：
表 2. 測試平臺硬件配置
測試項目如下：• Linpack 浮點性能測試：通過對參測處理器的 Linpack 性能測試，了解處理器的真實性能；• 內(nèi)存帶寬測試：對參測的處理器型號在插滿內(nèi)存的情況下進(jìn)行 Stream 性能測試，測試處理器在內(nèi)存數(shù)量大于等于 12 個的情況下，內(nèi)存帶寬的變化，并測試內(nèi)存帶寬變化后 Linpack性能變化，指導(dǎo)我們優(yōu)化內(nèi)存配置，獲得最高性能。結(jié)果分析• 在東方超算的測試配置下，英特爾® 至強® 可擴展處理器較英特爾® 至強® E5-2600 v4 Linpack 性能提升幅度超過 50%，如圖 2 所示。
圖 2. Linpack 性能提升
• 英特爾® 至強® 可擴展處理器較英特爾® 至強® E5-2600 v4 Stream 性能提升超過 30%。并且在一個內(nèi)存通道插 2 條內(nèi)存的情況下內(nèi)存帶寬最高值沒有顯著變化。
圖 3. Stream 性能提升
測試結(jié)果表明，東方超算高性能一體機浮點計算和內(nèi)存訪問性能優(yōu)異，結(jié)合 OPA 的雙向帶寬和單向帶寬測試中表現(xiàn)出的良好水平，以及 GPFS 的突出性能，可以幫助用戶快速驗證和優(yōu)化包括空氣動力學(xué)、聲學(xué)、熱力學(xué)設(shè)計在內(nèi)的科學(xué)計算項目，達(dá)到提升科研水平、縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)費用的目的。除了在性能上表現(xiàn)優(yōu)異之外，東方超算與英特爾建立的密切合作關(guān)系也確保在實際項目的實施過程中，不僅能為用戶提供滿足實際應(yīng)用需求的高性能計算解決方案，還能夠快速提供產(chǎn)品供貨以及技術(shù)支持，縮短項目交付周期。在某汽車風(fēng)洞項目中，東方超算在與用戶簽訂采購合同后 7 天內(nèi)完成全部設(shè)備上架、集群調(diào)試和業(yè)務(wù)負(fù)載測試，并交付用戶正式使用，獲得了用戶的高度評價。
文章摘自英特爾精英匯
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