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拥有上千颗CPU的超级计算机,你了解多少?

2018-10-18
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近几年来,我们频频听到AI医疗、自动驾驶、人工智能大战围棋高手等词汇或事件,对于这些词汇你想象到的可能是一台医疗仪器,一辆汽车,你可能会以为和柯洁对战的只是那台小电脑。但其实在它们背后,有我们看不到的庞然大物:超级计算机

 

计算机(电脑)我们并不陌生,但超级计算机似乎离我们的生活很遥远,今天就跟大家聊一聊,这个许多科学技术身后的大boss。



什么是超级计算机?

 

对于超级计算机的记忆或许只停留在《模仿游戏》里图灵为破译德军码发明的“克里斯托弗”;或是小学课本里那个,半个足球场那么多大的电子计算机。实际上就是超级计算机的原型,从最初的发明到现在及未来都肩负着运行大型计算的使命。


世界上第一台通用计算机ENIAC   图片来源:Wikipedia


超级计算机是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机。被用于国家高科技领域和尖端技术研究,或者科学家通过对数值模拟来预测和解释以前无法实验的自然现象。

 

超级计算机的基本组成组件与个人电脑的概念无太大差异,但规格与性能则强大许多。通常是由数百数千甚至更多的处理器(机)组成的、能计算普通PC机和服务器不能完成的大型复杂课题的计算机。家用电脑一般只有一颗CPU,每颗CPU内一般只有2~8个物理核心。而一台超级计算机有成千上万颗CPU,每颗CPU内一般有几十个物理核心。


图片来源:pixabay

 

超级计算机最大特点在于其具有超强的计算和处理数据的能力,运算速度可达到每秒万亿次以上。我国最快的超级计算机“神威·太湖之光”已经达到了每秒9.3亿亿次的浮点运算速度。如果说普通计算机的运算是龟速,那么超级计算机则是火箭速度了。

 

超级计算机的应用

 

计算机在被创造之初,主要是用于参与军事需要的大规模计算。在现如今的和平年代下,超级计算机主要用来承担重大的科学研究、国防尖端技术和国民经济领域的大型计算课题及数据处理任务。

 

目前,超级计算机主要是用来解决世界最具挑战的一些问题,运用涉及大气海洋环境、天文地球物理、核物理、生物化学等各个领域,我们平常听到的各种“云”技术,也是依托超级计算机实现的。对于许多科研机构来说,超级计算机是支持创新科学和工程必不可少的资源。


图片来源:pixabay


高级学府联合打造世界顶尖超级计算机

 

超级计算机由于研发成本和运用场景的特殊性,一般由国家部门投资,顶级大学、研究机构或从事超算相关的企业联合研制运营。人才密集的顶级大学是研制超级计算机的重要基地之一,我国曾四次蝉联全球最快超级计算机榜首的“天河二号”就是由中国国防科学技术大学研制的,并落户中山大学广州超算中心。瑞典最早的超算最早的国家级超算中心,就在林雪平大学。

 

东京大学(U Tokyo)和筑波大学(U Tsukuba)作为日本国内研制超级计算机的重要机构之一,2013年时,为打造日本顶尖的超级计算机,这两所大学决定将原本各自独立运营数年的超级计算集群,及超级计算机经费等资源整合到一起。这样做可以集中双方的超级计算资源,为多个学科开展先进的研究工作提供更强的计算能力。


图片来源:筑波大学计算机科学研究官网


日本东京大学和筑波大学联合成立了先进的高性能计算联合中心(JCAHPC),并共同设计了Oakforest-PACS,它是日本新一代也是速度最快的超级计算机。这台拥有8000多个节点的机器基于英特尔®至强融核™ 处理器和英特尔® Omni-Path 架构(英特尔® OPA高带宽网络)。

 

Oakforest-PACS 是全球第二大规模的英特尔®至强融核™处理器部署和全球最大的英特尔® OPA 部署,其LINPACK的性能得分为13.5 petaFLOPS。如今这台超级计算机由这两所大学的10个学院共同运营和管理。



 

目前,科研人员在Oakforest-PACS上运行格点量子色动力学(QCD)代码,一些一阶光学材料科学仿真,及运行海气耦合和地震仿真,这些都是非常高层级的量子计算和仿真。量子色动力学代码具有上百个网格节点,因此相比CPU性能,它更需要大量内存带宽。英特尔® 至强融核™处理器的MCDRAM在运行格点量子色动力学代码方面的优势。

 

超级计算机还能成为旅游景点?

 

巴塞罗那,一台算力“能打”外形“文艺”的玻璃房超级计算机:MareNostrum 4,它不仅有富有艺术感的玻璃外观,还由于架设在19世纪教堂中而分外引人注目,它为托雷赫罗纳教堂招揽来10,000 位访客,这些游客都是专程来参观这台超级计算机。它不仅有好看的外表,还有强劲的实力,分别于 2017年6月和2017年11月名列全球Top500榜单的第13位和第16位。


MareNostrum 4 外形非常美观,目前被放置在巴塞罗那的托雷赫罗纳教堂之中对所有访客开放。机器周围建有玻璃房,该玻璃房被设计为数据中心,蓝色电缆也是为了搭配教堂的装饰精挑细选的。


MareNostrum 4是由巴塞罗那超级计算机中心(BSC)研制的,是一个多集群系统,通过英特尔® Omni-Path 架构(英特尔® OPA)高带宽网络进行互连。通用计算集群具备 3,456 个由英特尔®至强®可扩展处理器组成的节点,能够提供高达13.7 petaFLOPS 的计算能力。

 

较小的集群基于英特尔®至强融核™处理器7250,可提供高达 0.5 petaFLOPS 的计算能力,并可利用下一代英特尔® 至强融核™处理器进一步扩展节点数量。规模第三小的集群将包含Power 9和NvidiaGPU,添加一个IBM存储阵列可以完善该系统。所有连接至该存储集群的系统都将使用英特尔® OPA高带宽网络。



巴塞罗那超级计算中心(BSC)主要致力于为公共部门和私营部门的研究客户构建领先的超级计算集群。研究涵盖多个领域,其中以基因组学和个性化医疗最为知名。MareNostrum 4 将继续助力科学探索,让科学家能够通过利用由英特尔®至强® 可扩展处理器和其他英特尔®技术驱动的基因组学和分析来发掘创建个性化疾病治疗方案的更多可能性。

 图片来源:pixabay


超级计算机听起来好像是普通人无法企及的,但其运用却离我们的生活很近,例如每天要关注的天气预报是通过超级计算机,计算每一个点的云层和气流运动轨迹推导出来的未来天气的走向。未来随着超级计算机算力的强化,人类在自然和科学领域的探索将更上一层楼,期待超级计算机为人们的生活带来更多正向的变化。





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