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世界上運算速度最快的計算機 天河二號超級計算機計算速度每秒5.49億億次
2019-04-16 22:03:34 來源: 】【繁體

世界上運算速度最快的計算機是天河二號超級計算機。“天河二號”是由國防科學技術大學研制的超級計算機系統,以峰值計算速度每秒5.49億億次、持續計算速度每秒3.39億億次雙精度浮點運算的優異性能位居榜首,成為全球最快超級計算機。2014年11月17日公布的全球超級計算機500強榜單中,中國“天河二號”以比第二名美國“泰坦”快近一倍的速度連續第四次獲得冠軍。2015年5月,“天河二號”上成功進行了3萬億粒子數中微子和暗物質的宇宙學N體數值模擬,揭示了宇宙大爆炸1600萬年之后至今約137億年的漫長演化進程。同時這是迄今為止世界上粒子數最多的N體數值模擬。下面就跟360常識網一起具體看看世界上運算速度最快的計算機等相關內容。

組成結構

天河2號由16000個節點組成,每個節點有2顆基于Ivy Bridge-E Xeon E5 2692處理器和3個Xeon Phi,累計共有32000顆Ivy Bridge處理器和48000個Xeon Phi,總計有312萬個計算核心。

每個Xeon Phi使用其中的57個核心,而不是使用全部的61個,因為使用61個在運算周期協調方面會有問題,而使用57個核心能夠加速4個執行線程,并且在每個線程單周期可以達成4Gflops的運算量,運行在1.1GHz的Xeon Phi可以生產1.003 Tflops的雙精度運算能力。如果考慮CPU,2 Ivy Bridge*0.2112 Tflop/s+3 Xeon Phi*1.003 Tflop/s=3.431 Tflops,2個Ivy Bridge+9個Xeon Phi單個節點可以有3.431 Tflops運算能力,16000個節點總計可達54.9PFlops性能。每個運算節點有256GB主存、而每個Xeon Phi板載8GB內存,因此每個節點共有88GB內存,總計16000個節點一共有1.404 PB內存,而外部存儲器容量方面更是高達12.4PB.

在每個主板上有2個計算節點,而每個框架則有16個主板,4個框架組成一個機柜,整個系統由125個機柜組成。每個計算節點主板分為兩塊,一塊CPU一塊APU,CPU上有4核Ivy Bridge、內存和一個Xeon Phi協處理器,而APU基板上則承載著5個Xeon Phi協處理器.CPU和APU之間有5個水平插入的鏈接口,由Ivy Bridge內置的PCI-E 2.0進行連接,雖然Ivy Bridge內置為PCI Express 3.0接口,但Xeon Phi僅支持2.0,單個通路為10Gbps帶寬。

計算節點的前端處理器為4096個FT-1500處理器,FT-1500處理器是由國防科技大學為天河1研發,其可以說是天河1項目的最大收獲,其為16核心的Sparc V9架構處理器,在40nm工藝情況下運行頻率為1.8Ghz,峰值性能為144 Gflops/s,功耗為65W,但相比英特爾22nm 12核2.2GHz 211Gflops/s性能的Ivy Bridge還是有明顯差距。

天河2互聯方面采用自主研發的Express-2內部互聯網絡,其為有13個交換機,而每個交換機有576個端口。連接介質為光電混合。具體控制器是名為NRC的ASIC專用目的集成電路,其采用90nm工藝,封裝尺寸為17.16x17.16 mm,共有2577引腳。單個NRC的吞吐能力為2.56Tbps.而在終端方面網絡接口也采用類似結構的NIC,但規模稍小,為10.76x10.76 mm,675 pin,其采用PCIE 2.0方式連接,傳輸速率為6.36GB/s.并且在在12000節點的情況下延遲也很低,僅為85us.

而在計算能力方面,使用14336個節點總計50GB內存進行LINPACK測試,理論性能為49.19Pflops,而實際測試性能為30.65Pflops,效率為62.3%.這個效率并不算高,還有很大優化提升潛力。當然也可能是被Xeon phi僅支持PCI Express 2.0帶寬不足限制。

上面測試使用了16000個節點中的14336個,運用了90%的規模,基本可以代表天河2的整體性能表現。天河2的性能部件(處理器、內存、互聯)整體功耗為17.6MW,而整體的運算能力為30.65PFlops,這樣計算每瓦的性能為1.935Gflops,這個性能/功耗比可以排在超算TOP500的前五,其整體性能/功耗比十分出色。

系統的整體功耗為17.6 MW,并且這個功耗還不包括水冷這樣的散熱系統,如果考慮上整體功耗將高達24MW,廣州國家超算中心將采用城市供水系統構建高散熱效能的冷卻系統,有能力可以提供80KW系統的散熱能力。

天河二號超級計算機系統由170個機柜組成,包括125個計算機柜、8個服務機柜、13個通信機柜和24個存儲機柜,占地面積720平方米,內存總容量1400萬億字節,存儲總容量12400萬億字節,最大運行功耗17.8兆瓦。天河二號運算1小時,相當于13億人同時用計算器計算一千年,其存儲總容量相當于存儲每冊10萬字的圖書600億冊。相比此前排名世界第一的美國“泰坦”超級計算機,天河二號計算速度是“泰坦”的2倍,計算密度是“泰坦”的2.5倍,能效比相當。與該校此前研制的天河一號相比,二者占地面積相當,天河二號計算性能和計算密度均提升了10倍以上,能效比提升了2倍,執行相同計算任務的耗電量只有天河一號的三分之一。

技術參數

型號

天河二號型號為TH-IVB-FEP

處理器

16,000個運算節點,每節點配備兩顆Xeon E5 12核心的中央處理器、三個Xeon Phi 57核心的協處理器(運算加速卡)。累計32,000顆Xeon E5主處理器和48,000個Xeon Phi協處理器,共312萬個計算核心。

中央處理器為英特爾提供的,運作時鐘頻率為2.2GHz的Xeon E5-2692 V212核心處理器,基于英特爾Ivy Bridge微架構(Ivy Bridge-EX核心),采用22納米制程,峰值性能0.2112TFLOPS。

運算加速上,使用基于英特爾集成眾核架構的Xeon Phi 31S1P協處理器,運行時鐘為1.1GHz,每個使用61個核心中的57個(因為使用61個會存在運算周期協調問題),每核心籍由特殊的超線程技術能運作4個線程,產生峰值性能為1.003TFLOPS。

前端處理器

計算節點前端處理器為4096顆FT-1500 16核心SPARC V9架構的處理器,40納米制程,運作時鐘頻率1.8GHz,熱設計功耗65瓦,峰值性能144GFLOPS。

存儲

內存

每個節點擁有64GB主存,而每個Xeon Phi協處理器板載8GB內存,故每節點共88GB內存,整體總計內存1.408PB。

外存

12.4PB容量的硬盤陣列

主架

主板、機架與機柜均由浪潮集團制造,共有125個機柜,每個機柜容納4個機架,每個機架容納16塊主板,每個主板設置有兩個計算節點。每個機柜還裝有負載指示燈,根據機柜內主機的運算負載變更發光二極管的發光顏色。

每塊主板上分為APU模塊和CPM模塊兩部分,APU部分承載5塊Xeon Phi,CPM部分承載1塊Xeon Phi+4顆Xeon E5。

APU模塊和CPM模塊之間以CPU內部提供的PCI-E 3.0 16x接口進行連接,但實際由于Xeon Phi的硬件限制,僅支持至PCI-E 2.0 16x,單通道數據傳輸速率為10Gbps。

連接

使用光電混合傳輸技術(Optoelectronics Hybrid Transport Technology),使用自制的TH Express-2主干拓撲結構網絡連接,以13個大型路由器通過576個連接端口以光電傳輸介質與各個運算節點互聯,控制器名為NRC,使用90納米制程,單個控制器的數據吞吐量2.56Tbps,終端網絡接口使用名為NIC的控制器,以PCI-E 2.0接口鏈接,數據傳送速率6.36GB/s。

操作系統

麒麟操作系統、基于SLURM(Simple Linux Utility for Resource Management,資源管理用單一Linux公用程序)的全局資源管理。

Ubuntu Linux。(Ubuntu OpenStack運行在256個高性能節點上,而且在接下來的數月將會增長至超過6400個節點。OpenStack和Ubuntu的編制工具Juju都將運行在天河二號上,使國防科技大學的合作伙伴和聯盟機構能夠快速部署和管理高性能云環境)

能耗

整機功耗17,808千瓦,在搭載水冷散熱系統以后,功耗將達到24兆瓦,無論水冷系統的搭載與否,都是目前TOP500里功耗最大的。天河二號電費每年達1億人民幣。

以6月17日公布的數據推算,每瓦性能為1.901GFLOPS,仍不及泰坦的每瓦2.143GFLOPS和IBM紅杉每瓦2.177GFLOPS的成績,但比"京"的每瓦0.830GFLOPS每和天河一號每瓦僅0.668GFLOPS都要高不少。

主要特點

天河二號是當今世界上運算速度第二快的超級計算機,綜合技術處于國際領先水平。

它有五大特點:一是高性能,峰值速度和持續速度都創造了新的世界紀錄;二是低能耗,能效比為每瓦特19億次,達到了世界先進水平;三是應用廣,主打科學工程計算,兼顧了云計算;四是易使用,創新發展了異構融合體系結構,提高了軟件兼容性和易編程性;五是性價比高。

主要性能

2013年6月,天河二號以峰值速度(Rpeak)每秒54,902.4TFLOPS(萬億次浮點運算)、持續速度(Rmax)33,862.7TFLOPS,超越泰坦超級計算機(Rpeak 27,112.5TFLOPS,Rmax 17,590.0TFLOPS),成為當今世界上最快的超級計算機。這個成績于2013年6月17日提交至TOP500。實際上,在早前的運行測試中,僅使用16,000個運算節點中的90%,亦即14,336個節點,LINPACK運算速度就達到30.65PFLOPS的性能水準,超過前任“泰坦”的74%。國際TOP500組織2013年11月18日公布了最新全球超級計算機500強排行榜榜單,“天河二號”以比第二名美國的“泰坦”快近2倍的速度登上榜首。

同樣在2013年6月,天河二號以2,061GTEPS的成績在Graph500上排名第六。Graph500是一個對超級電腦的數據密集型運算處理性能進行的一個排行榜,在此榜單上排位第一的是IBM紅杉,成績是15,363GTEPS。

“天河二號”的系統存儲總容量相當于600億冊每冊10萬字的圖書。假設每人每秒鐘進行一次運算,“天河二號”運算一小時,相當于13億人同時用計算器算上1000年。

應用領域

天河二號已應用于生物醫藥、新材料、工程設計與仿真分析、天氣預報、智慧城市、電子商務、云計算與大數據、數字媒體和動漫設計等多個領域,還將廣泛應用于大科學、大工程、信息化等領域,為經濟社會轉型升級提供重要支撐。

天河二號逐步在生命科學、材料科學、大氣科學、地球物理、宇宙、經濟學,以及大型基因組組裝、基因測序、污染治理等一系列事關國計民生的大科學、大工程中“大顯身手”。此外,國家超算廣州中心積極推動國際交流與合作,利用天河二號為國外研究機構提供高性能計算服務。

據悉,科技部近年不斷加大對超算應用軟件研發的投入。“十二五”以來的相關研發投入已超過2億元。預計“十三五”期間投入將進一步加大。

根據該專項“面向大規模科學計算的高性能多核CPU”課題計劃安排,2011年中國將采用FT-1500CPU構建全自主國產千萬億次計算機——“天河二號”。

借助天河二號的“計算神功”,國產C919大型客機開展了高精度外流場氣動計算;中科院上海藥物研究所開展了75萬個小分子化合物的結合親和力評估,完成了600多個各類藥物的體內外活性測試評價。天河二號適配了廣州市電子政務數據管理系統和云盤存儲系統等,為智慧城市建設搭建高效可靠的承載平臺……

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