Gena albastră

Blue Gene  este un proiect de arhitectură masiv paralel conceput pentru a construi mai multe supercomputere și are ca scop atingerea vitezei de procesare a datelor de peste 1 petaflops . În acest moment, viteza de aproape 20 de petaflopi a fost stăpânită cu succes . Este un proiect comun al IBM (o divizie a Rochester MN și Centrul de Cercetare Thomas Watson ), Laboratorul Național Livermore , Departamentul de Energie al SUA (care finanțează parțial proiectul) și mediul academic. Există trei faze ale proiectului: Blue Gene/L, Blue Gene/P și Blue Gene/Q.

Proiectul a primit Medalia Națională a Tehnologiei și Inovației din SUA pe 18 septembrie 2009. Președintele Barack Obama a înmânat premiul pe 7 octombrie 2009 [1] .

Istorie

În decembrie 1999, IBM a anunțat o inițiativă de cercetare de cinci ani, în valoare de 100 de milioane de dolari, pentru a construi calculatoare masiv paralele care să fie folosite pentru a studia fenomene biomoleculare, cum ar fi plierea proteinelor. Proiectul a avut două obiective principale: să ne îmbunătățim înțelegerea mecanismelor care stau la baza plierii proteinelor prin simulări la scară largă și să exploreze idei noi în arhitectura de mașini și software masiv paralelă.

Principalele domenii de studiu sunt:

• cum să utilizați această nouă platformă pentru a vă îndeplini în mod eficient obiectivele științifice;
• cum să faci o astfel de mașină paralelă și mai convenabilă;
• cum să obțineți performanță la un cost rezonabil printr-o nouă arhitectură a mașinii.

Designul inițial pentru Blue Gene s-a bazat pe o versiune timpurie a arhitecturii Cyclops64 proiectată de Denney Monty. Lucrările inițiale de cercetare și dezvoltare au fost efectuate la Centrul de cercetare IBM TJ Watson.

La IBM, Alan Gahr a început să lucreze la extinderea arhitecturii QCDOC într-un supercomputer de uz general: patru rețele comutate intrasistem apropiate au fost înlocuite cu o rețea care a acceptat rutarea mesajelor de la orice nod la oricare altul și o intrare/ieșire paralelă. Departamentul de Energie a început să finanțeze dezvoltarea acestui sistem și a devenit cunoscut sub numele de Blue Gene/L (L for Light). Dezvoltarea sistemului original Blue Gene a continuat sub numele Blue Gene/C (C pentru Cyclops) și a fost redenumit ulterior Cyclops64.

Fiecare generație ulterioară a sistemului Blue Gene și-a primit propriul nume. Astfel, a doua generație de supercomputere (introdusă în 2007) s-a numit Blue Gene/P, a treia (introdusă în 2011) - Blue Gene/Q.

Blue Gene/L

Blue Gene/L este primul computer din seria IBM Blue Gene dezvoltat în colaborare cu Livermore National Laboratory . Performanța sa maximă teoretică este de 360 ​​de teraflopi , în timp ce performanța reală obținută în urma testului Linpack este de aproximativ 280 de teraflopi. După actualizarea din 2007, performanța reală a crescut la 478 teraflopi, cu o performanță maximă de 596 teraflopi. Blue Gene/C este un subset pentru arhitectura Cyclops64.

În noiembrie 2006, 27 de computere din lista TOP500 aveau arhitectura Blue Gene/L.

Caracteristici cheie

Supercomputerul Blue Gene/L a fost unic în următoarele moduri:

• Înlocuirea vitezei procesoarelor pentru a reduce consumul de energie. Blue Gene/L utilizează nuclee PowerPC încorporate de joasă frecvență și putere redusă, cu calcule accelerate în virgulă mobilă. În timp ce performanța fiecărui cip este relativ scăzută, sistemul atinge performanțe mai mari cu un consum mai mic de energie pur și simplu prin utilizarea mai multor noduri.
• Două procesoare pe nod cu două moduri de operare:
  • modul coprocesor, în care un procesor procesează calculele, iar celălalt procesează mesajele;
  • modul nod virtual, în care ambele procesoare sunt disponibile pentru a rula codul utilizatorului, dar fie calculează împreună, fie procesează mesajele.
• Arhitectură sistem pe cip. Toate componentele sistemului sunt încorporate într-un singur cip, cu excepția celor 512 MB de DRAM externă.
• Număr mare de noduri (scalabile în trepte de 1024 până la cel puțin 65.536).
• Conectarea componentelor sub forma unui tor tridimensional cu o rețea auxiliară pentru comunicații globale (traducere și reducere), intrare/ieșire și control.
• Sistem de operare ușor per nod pentru o supraîncărcare minimă a sistemului (zgomot de sistem).

Arhitectură

Arhitectura Blue Gene/L este o evoluție a arhitecturilor QCDSP și QCDOC. Fiecare nod de calcul Blue Gene/L sau I/O este un singur ASIC (Application Specific Integrated Circuit) integrat cu un cip de memorie DRAM. ASIC are două procesoare PowerPC 440 de 700 MHz încorporate (fiecare cu un coprocesor matematic (FPU) cu dublă precizie, un cache de subsistem cu un controler DRAM încorporat și o logică pentru a suporta mai multe subsisteme de comunicații. FPU dual a oferit fiecărui nod Blue Gene/L o performanță maximă teoretică de 5,6 GFlops. Procesoarele nu sunt conectate printr-un cache coerent.

Două noduri de calcul sunt plasate pe o singură placă de calcul, 16 plăci de calcul, plus nu mai mult de 2 noduri de I/O, sunt plasate pe o singură placă. Până la 32 de plăci se potrivesc într-un rack. Prin integrarea tuturor sistemelor necesare pe un singur cip și folosind elemente logice de putere redusă, fiecare nod de calcul sau I/O consumă energie redusă (aproximativ 17 wați, inclusiv costurile DRAM). Acest lucru permite ca până la 1024 de noduri de calcul (plus noduri I/O suplimentare) să fie împachetate foarte strâns într-un rack standard de 19 inchi, oferindu-i o putere rezonabilă și răcire cu aer. Măsurile de eficiență în termeni de flop-uri pe watt, flop-uri pe metru pătrat și flop-uri pe unitate de cost permit scalarea sistemului la performanțe foarte înalte. Cu atât de multe noduri, defecțiunile componentelor sunt inevitabile. Prin urmare, sistemul poate izola electric o serie de componente defectate pentru a continua să funcționeze normal.

Fiecare nod Blue Gene/L este conectat la trei rețele de comunicații paralele:

• Rețea toroidală 3D folosind protocolul P2P (peer-to-peer) între nodurile de calcul,
• rețea comună de comunicare colectivă (tranzacții și operațiuni de reducere,
• rețea globală de întrerupere pentru sincronizare rapidă.

Nodurile I/O care rulează Linux asigură comunicarea cu nodurile de stocare și externe printr-o rețea Ethernet. Nodurile I/O se ocupă de operațiunile sistemului de fișiere ale nodurilor de calcul. În cele din urmă, o rețea Ethernet separată și privată oferă acces la orice nod pentru configurare, descărcare și diagnosticare.

Pentru a permite mai multor programe să ruleze simultan, sistemul Blue Gene/L trebuie împărțit în secțiuni de noduri izolate electronic. Numărul de noduri dintr-o partiție trebuie să fie un multiplu al unei puteri de 2, cel puțin 25 = 32 de noduri. Pentru a rula programul pe Blue Gene/L, partiția este mai întâi rezervată. Programul este apoi descărcat și rulat pe toate nodurile din partiție și niciun alt program nu poate accesa nodurile din partiție în timp ce partiția este în uz. După ce partiția este finalizată, nodurile sunt eliberate pentru a rula următoarele programe.

Software

Nodurile de calcul Blue Gene / L folosesc cel mai ușor sistem de operare care acceptă un program de utilizator. Doar un subset de rutine POSIX sunt acceptate și doar un proces poate rula pe o gazdă în modul coprocesor la un moment dat, sau un proces pe un procesor în modul virtual. Programatorii trebuie să folosească fire de execuție verde pentru a simula paralelismul local. Dezvoltarea aplicațiilor se face de obicei în C, C++ sau Fortran folosind MPI pentru comunicare. De asemenea, este posibil să se dezvolte în unele limbaje de scripting, cum ar fi Ruby și Python, deoarece acestea sunt integrate în sistemul de operare al nodurilor de calcul.

Fotografii cu Blue Gene/L

• Diagrama bloc a unui cip Blue Gene/L care conține două nuclee PowerPC 440

• Unul dintre rafturile BlueGene/L

Blue Gene/C (Cyclops64)

Proiectul Cyclops64 a fost demarat ca răspuns la dezvoltarea Earth Simulator - (un sistem dezvoltat de Agenția Japoneză de Explorare Aerospațială și Institutul Japonez de Cercetare Nucleară în 1997 pentru a studia efectul încălzirii globale și a rezolva problemele de geofizică).

Cyclops64 este un proiect comun al Departamentului de Energie al SUA (care finanțează parțial proiectul), al Departamentului de Apărare al SUA, al corporațiilor industriale (în special, IBM) și al academiilor.

Arhitectura a fost concepută de câștigătorul premiului Seymour Cray Denney Monti, care conduce în prezent proiectul.

Arhitectură

Fiecare cip Cyclops64 pe 64 de biți rulează la 500 MHz și conține 80 de procesoare. Fiecare procesor are două fire și un coprocesor matematic (FPU). Fiecare fir este un nucleu RISC ordonat pe 64 de biți cu 32 KB de memorie suplimentară, folosind un subset de 60 de instrucțiuni din setul de instrucțiuni Power Architecture. Cinci procesoare partajează 32 KB de cache de instrucțiuni.

Procesoarele sunt conectate prin portul 96[ clarifica ] cu un comutator de matrice. Ei comunică între ei printr-o memorie partajată globală (memorie care poate fi scrisă și citită de toate firele de execuție) în SRAM.

Performanța maximă teoretică a cipului Cyclops64 este de 80 GFlops.

Două fire (două fire) funcționează pe un procesor, până la 80 de procesoare sunt plasate pe un cip. Se pune 1 cip pe placa, apoi se instaleaza pana la 48 de placi pe placa intermediara. Un suport se potrivește pentru 3 plăci intermediare. Sistemul poate include până la 96 de rafturi (12x8).

Adică, sistemul complet conține 13.824 de cipuri Cyclops64, constând din 1.105.920 de procesoare, care sunt capabile să ruleze 2.211.840 de fire paralele.

Software

Cyclops64 își expune o mare parte din capacitatea sa de programare hardware, permițând programatorului să scrie software de performanță foarte înaltă și reglat fin. Punctul negativ este dificultatea programării sub Cyclops64

Cercetarea și dezvoltarea este în curs de desfășurare pentru că sistemul ar putea suporta TiNy-Threads (o bibliotecă de threading dezvoltată la Universitatea din Delaware) și POSIX Threads.

Blue Gene/P

Pe 26 iunie 2007, IBM a introdus Blue Gene/P, a doua generație de supercomputere Blue Gene . Proiectat pentru a funcționa la performanță maximă de 1 petaflops . Blue Gene/P poate fi configurat pentru a obține performanțe de vârf peste 3 petaflopi. În plus, este de șapte ori mai eficient din punct de vedere energetic decât orice alt supercomputer . Blue Gene/P este realizat folosind un număr mare de cipuri mici, de putere redusă, care comunică prin cinci rețele dedicate.

Arhitectură

Fiecare cip Blue Gene/P este format din patru nuclee de procesor PowerPC 450 tactate la 850 MHz. Un cip de 2 sau 4 GB RAM și interfețele de rețea formează nodul de calcul al supercomputerului. 32 de noduri de calcul sunt combinate într-un card (Compute Node card), la care vă puteți conecta de la 0 la 2 noduri I/O. Rack-ul de sistem deține 32 dintre aceste carduri.

Configurația Blue Gene/P cu o performanță de vârf de 1 petaflops reprezintă 72 de rack-uri de sistem care conțin 294.912 nuclee de procesor, unite într-o rețea optică de mare viteză. Configurația Blue Gene/P poate fi extinsă până la 216 rack-uri cu un total de 884.736 de nuclee de procesor pentru a obține performanțe de vârf de 3 petaflopi. Configurația standard a rack-ului de sistem Blue Gene/P conține 4.096 de nuclee de procesor [2] .

Blue Gene/P în lume

• Topalov Veselin Alexandrov, șahist bulgar, mare maestru (1992), al șaselea campion mondial FIDE la șah (2005), a confirmat într-un interviu din 2010 că a folosit un supercomputer Blue Gene/P în timpul pregătirii sale pentru un meci.
• Computerul Blue Gene/P a fost folosit pentru a simula aproximativ un procent din cortexul cerebral uman, care conține 1.600.000.000 de neuroni cu aproximativ 9.000.000.000.000 de conexiuni.
• Proiectul IBM Kittyhawk a portat Linux la noduri de calcul și a demonstrat sarcinile de lucru tipice Web 2.0 care rulează la scară pe Blue Gene/P. Rularea software-ului standard Linux (cum ar fi MySQL) la testul SpecJBB este una dintre cele mai ridicate de până acum.
• În 2011, o echipă de la Universitatea Rutgers, IBM și Universitatea din Texas au legat sistemul KAUST Shaheen cu instalația Blue Gene/P de la Centrul de Cercetare Watson într-un „nor HPC federat” pentru a aborda problema optimizării utilizării petrolului. resurse.
• Pe 12 noiembrie 2007, primul sistem numit JUGENE cu 65.536 de procesoare a început să funcționeze în Germania la Centrul de Cercetare Jülich , cu o putere de calcul de 167 teraflopi [3] [4] . A devenit cel mai rapid supercomputer din Europa și al șaselea din lume. Primul laborator din Statele Unite care a folosit Blue Gene/P a fost Laboratorul Național Argonne . Primele rafturi Blue Gene/P au fost folosite până în 2007. Prima instalare a fost un sistem de 111 teraflop cu aproximativ 32.000 de procesoare, destinat Societății de Cercetare din SUA în primăvara anului 2008 [5] . Sistemul complet a fost clasat pe locul al treilea pe lista Top 500 din iunie 2008 [6] .
• Din 2008, supercomputerul IBM Blue Gene/P [7] [8] funcționează la facultatea CMC a Universității de Stat din Moscova, numită după M. V. Lomonosov .

Fotografii cu Blue Gene/P

• Raft unic

• Rafturi

• Placă așchiată

Blue Gene/Q

Blue Gene/Q este a treia generație a arhitecturii. Scopul dezvoltatorilor a fost să atingă pragul de 20 de petaflop în 2011. Blue Gene/Q este o continuare evolutivă a arhitecturilor Blue Gene/L și /P, rulând la o frecvență mai mare și consumând mai puțină energie pe flop de performanță.

BlueGene/Q este un sistem multi-core, pe 64 de biți, pe un cip construit pe tehnologia PowerPC (pentru a fi absolut specific, este o arhitectură PowerPC A2 cu patru cicluri ). Fiecare dintre cipuri conține 18 nuclee, care împreună însumează aproape un miliard și jumătate (1,47) de tranzistori. Pentru calculele efective sunt folosite 16 nuclee, unul rulează sistemul de operare, iar în cele din urmă ultimul nucleu este responsabil pentru fiabilitatea calculelor întregului sistem. La o frecvență de 1,6 GHz, fiecare cip este capabil să furnizeze 204,8 Gflops, consumând 55 de wați de putere. Desigur, controlerele pentru operațiuni de memorie și I/O fac, de asemenea, parte din cip. Blue Gene/Q conține 4 unități în virgulă mobilă, ceea ce ne oferă 4 operații efectuate într-un ciclu de ceas pe fiecare nucleu.

Potrivit angajaților IBM, sunt necesare 18 nuclee pentru fiabilitate. Dacă a fost înregistrată o defecțiune pe unul dintre nucleele procesorului, aceasta poate fi dezactivată și transferată pe „bench”. De fapt, detectarea și reconfigurarea unui nucleu „eronat” poate fi efectuată în orice etapă de producție sau asamblare a sistemului - nu numai atunci când cipul este deja testat, ci și în stadiile incipiente, de exemplu, instalarea cipulului într-un cluster de calcul. În cazul IBM Sequoia , aproximativ 100.000 de jetoane vor fi folosite pentru a ajunge la râvnitele 20 de petaflopi. Numărul imens de procesoare face ca sarcina de remapare a nucleelor ​​să fie foarte importantă: IBM a calculat că pentru un anumit număr (100.000) de cipuri dintr-un supercomputer, în medie, 1 unitate de procesor va eșua la fiecare 3 săptămâni.

De asemenea, se știe că Blue Gene/Q acceptă memoria tranzacțională nu la nivel software, ci la nivel hardware [9] .

Costul Blue Gene/Q (folosind prețuri comerciale) este estimat de The Register la aproximativ 150 milioane USD per petaflop [10] .

Blue Gene/Q în lume

• Primul sistem construit pe arhitectura Blue Gene/Q a fost sistemul Sequoia , care a fost implementat la Laboratorul Național Livermore la începutul anului 2011 și a devenit complet operațional în iunie 2012. Acest sistem calculează programele științifice ale laboratorului. Este format din 98.304 noduri de calcul care conțin 1.572.864 nuclee de procesor și 1,6 Pb de memorie. Sistemul este situat în 96 de rafturi, consumul de energie este de 6 megawați [11] . În topul Top500 din noiembrie 2014 ocupă locul 3 [12] ;
• iunie 2012: Avoca Victorian Life Sciences Computation Initiative, Australia [13] ;
• Iunie 2012: Supercomputer Fermi la centrul de supercalculator CINECA din Bologna, Italia [14] [15] ;
• august 2012: Universitatea din Rochester , SUA [16] ;
• Iunie 2013: Supercomputer JUQUEEN la Centrul de Cercetare Jülich , Germania [17] . În topul Top500 din noiembrie 2014, ocupă locul 8 [18] ;
• 1 iulie 2013: supercalculatorul Mira instalat la Laboratorul Național Argonne în 2012. Conține aproximativ 50 de mii de noduri de calcul (16 nuclee per nod), 70 Pb de spațiu pe disc și are un sistem de răcire cu lichid. [19] [20] [21] [22] . În topul Top500 din noiembrie 2014, ocupă locul 5 [23] ;
• 2013: Supercomputer Vulcan la Laboratorul Național Livermore [24] . În topul Top500 din noiembrie 2014, el ocupă locul 9 [25] .

Dintre cele mai puternice zece supercomputere de pe lista Top500 din noiembrie 2014, 4 sunt construite pe platforma Blue Gene/Q.

Fotografii cu Blue Gene/Q

• Supercomputer Sequoia de la Laboratorul Național Livermore

• Supercomputer Mira la Laboratorul Național Argonne

Clasament în TOP500 [26]

Conform celei mai recente liste TOP500 (din noiembrie 2013), supercalculatoarele construite pe arhitectura Blue Gene încă nu își pierd pozițiile.

Cel mai rapid computer construit pe arhitectura Blue Gene este Sequoia. Acum este pe locul trei, dar în iunie 2012 a ocupat prima linie a ratingului TOP500. În ceea ce privește eficiența energetică, ocolește în continuare liderul (17808 kW) și medaliatul cu argint (8209).

Vezi și

• Proiectul Blue Brain
• albastru inchis
• Cyclops64

Note

1. ↑ Harris, Mark Obama onorează supercalculatorul IBM (link nu este disponibil) . Techradar (18 septembrie 2009). Arhivat din original pe 20 martie 2012. (nedefinit) 
2. ↑ ibm.com . Consultat la 17 martie 2009. Arhivat din original la 20 ianuarie 2019. (nedefinit)
3. ↑ Supercomputing: Jülich Amongst World Leaders Again , pressebox (12 noiembrie 2007). Arhivat din original pe 8 februarie 2009. Preluat la 17 martie 2009.
4. ↑ YouTube: IBM Blue Gene - Juelich . Preluat la 28 septembrie 2017. Arhivat din original la 19 septembrie 2016. (nedefinit)
5. ↑ Curry, Jessica . Blue Gene Baby , Chicago Life (12 august 2007). Arhivat din original pe 20 martie 2009.
6. ↑ „Supercomputerul lui Argonne numit cel mai rapid din lume pentru știința deschisă, al treilea în general” (link nu este disponibil) . Data accesului: 17 martie 2009. Arhivat din original la 8 februarie 2009. (nedefinit) 
7. ↑ Conferință de presă la Universitatea de Stat din Moscova . Preluat la 28 septembrie 2017. Arhivat din original la 29 noiembrie 2015. (nedefinit)
8. ↑ Supercomputer IBM Blue Gene/P de la facultatea Universității de Stat din Moscova | hpc@cmc . hpc.cmc.msu.ru. Preluat la 28 ianuarie 2019. Arhivat din original la 28 ianuarie 2019. (nedefinit)
9. ↑ Memoria tranzacțională și multithreading (blog IBM) Arhivat 23 aprilie 2012 la Wayback Machine  (rusă)
10. ↑ https://www.theregister.co.uk/2011/11/16/ibm_bluegene_q_power_775/ Arhivat pe 11 martie 2017 la Wayback Machine „chiar la cei 150 de milioane de dolari pe petaflops de vârf pe care IBM îi percepe pentru mașinile într-o configurație echilibrată cu o cantitate rezonabilă de CPU și spațiu de stocare.”
11. ↑ Sequoia Arhivat pe 28 septembrie 2013 la Wayback Machine 
12. ↑ Placă de supercomputer Sequoia la top500.org . Consultat la 19 noiembrie 2014. Arhivat din original pe 20 decembrie 2014. (nedefinit)
13. ↑ Instalare Avoca - acum finalizată Arhivat 4 octombrie 2013.
14. ↑ Introducere în FERMI Blue Gene/Q, pentru utilizatori și dezvoltatori . Consultat la 25 septembrie 2013. Arhivat din original pe 27 septembrie 2013. (nedefinit)
15. ↑ Youtube: Fermi: Supercomputerul Cineca . Preluat la 28 septembrie 2017. Arhivat din original la 18 decembrie 2015. (nedefinit)
16. ↑ Universitatea din Rochester inaugurează o nouă eră a cercetării în domeniul sănătății . Consultat la 2 octombrie 2013. Arhivat din original pe 7 mai 2013. (nedefinit)
17. ↑ YouTube: Cel mai rapid computer din Europa a fost dezvăluit | Jurnalul . Preluat la 28 septembrie 2017. Arhivat din original la 23 noiembrie 2015. (nedefinit)
18. ↑ Card de supercomputer JUQUEEN la top500.org . Consultat la 19 noiembrie 2014. Arhivat din original pe 21 noiembrie 2014. (nedefinit)
19. ↑ Pagina de redirecționare | US DOE Office of Science (SC) Arhivat 29 martie 2010.  (Engleză)
20. ↑ Training & Outreach | Argonne Leadership Computing Facility Arhivat 27 mai 2010 la Wayback Machine 
21. ↑ YouTube: Dedicarea supercomputerului Mira la Laboratorul Național Argonne . Preluat la 28 septembrie 2017. Arhivat din original la 9 noiembrie 2017. (nedefinit)
22. ↑ 786.432 de nuclee ale supercomputerului IBM MIRA au început să efectueze simulări ale Universului timpuriu . Consultat la 1 noiembrie 2013. Arhivat din original pe 2 noiembrie 2013. (nedefinit)
23. ↑ Card de supercomputer Mira la top500.org . Data accesului: 19 noiembrie 2014. Arhivat din original pe 3 aprilie 2019. (nedefinit)
24. ↑ Vulcan . Consultat la 14 septembrie 2013. Arhivat din original la 1 octombrie 2013. (nedefinit)
25. ↑ Placă de supercomputer Vulcan la top500.org . Consultat la 19 noiembrie 2014. Arhivat din original pe 21 septembrie 2013. (nedefinit)
26. ↑ Lista TOP500 - noiembrie 2013 | TOP500 site-uri de supercomputer (link indisponibil) . www.top500.org. Preluat la 28 ianuarie 2019. Arhivat din original la 4 ianuarie 2019. (nedefinit) 

Link -uri

• Soluția IBM System Blue Gene
• Soluție IBM System Blue Gene: Blue Gene/P Application Development
• Soluție IBM System Blue Gene: Blue Gene/P System Administration
• Supercomputer IBM BlueGene/L
• Blue Gene, descendentul campionului de șah Deep Blue, devine instrument de cercetare științifică
• Supercomputerul IBM Blue Gene/L bate recorduri de performanță - CNews
• Sistemul IBM Blue Gene/P instalat la facultatea VMK a Universității de Stat din Moscova, numită după M. V. Lomonosov