Новый суперкомпьютер вычислительного центра Окриджской лаборатории Frontier должен вступить в строй к концу этого года и стать первой системой экза-класса в США. Хотя такая вычислительная производительность и означает многие мегаватты энергопотребления, OLCF рассказала, что благодаря новым технологиям будущий суперкомпьютер превзойдет раннюю оценку в 20 МВт на Эфлопс.
Физические законы невозможно обмануть и любая вычислительная система, кроме гипотетического обратимого процессора, неизбежно потребляет энергию и выделяет тепло. Но удельную энергоэффективность повышать можно и нужно. Ещё в 2008 году исследовательское агентство DARPA опубликовало любопытное исследование на эту тему.
Четыре проблемы: потребление, надёжность, параллелизм и перемещение данных
На тот момент создание системы экза-класса уже было возможным на базе существующих технологий, но потреблять такая система стала бы гигаватт энергии; для сравнения, Новгородской области в том же 2008 году требовалось 3,55 ГВт. С учётом развития полупроводниковых технологий исследователи надеялись уложить Эфлопс в 155 МВт, а при самом агрессивном подходе даже 70 МВт.
Но и это было слишком большой цифрой, получить под которую финансирование было бы невозможно. Одно только энергопотребление такой системы обошлось бы в более чем $100 миллионов в течение пяти лет. В качестве реалистичной оценки, делающей экзафлопсные суперкомпьютеры реальными, была взята планка 20 МВт.
Также был озвучен и ряд других проблем, стоящих на пути к системам такого масштаба Одним из «бутылочных горлышек» стал бы интерконнект — в 2008 году ещё не было возможности «накормить» систему с такой степенью параллелизма без простоев вычислительных узлов. Время перемещения одного байта информации в подобной системе оказалось на порядки больше времени, затрачиваемого на сами вычисления.
С тех пор по меркам ИТ минула эпоха: утончались техпроцессы, стали популярными вычисления на GPU. Если суперкомпьютер Titan 2012 года имел соотношение ЦП к ГП 1:1, то уже в 2017 году с введением в строй его наследника Summit эта цифра выросла до 1:3, а в будущем Frontier она должна составить уже 1:4. На каждый процессор AMD EPYC придётся 4 ускорителя Radeon Instinct.
Само развитие микроэлектроники сделало возможным создание экзафлопсной системы, укладывающуюся в названную более 10 лет назад цифру 20 МВт. Сегодня никаких экзотических технологий и подходов к программированию для реализации проекта подобного масштаба не требуется. Увеличилась и плотность вычислений, и плотность хранения данных, и производительность сетевых подсистем — с 6,4 (Titan) до 100 Гбайт/с (Frontier) в последнем случае.
На данный момент потребление Frontier оценивается в 29 МВт, что несколько больше заявленной ранее цифры, но, напомним, 20 МВт было оценкой для 1 Эфлопс вычислительной мощности, Frontier же должен развивать более 1,5 Эфлопс, так что соотношение окажется даже лучше ранее предсказанного. Проблема с хранением и перемещением данных в новом суперкомпьютере будет решена за счёт широкого использования памяти типа HBM.
Эта оценка базируется на эффективности вычислений, составляющей 80% — 41,4 Гфлопс/Вт в режиме FP64, что выше наиболее энергоэффективных систем, для которых этот показатель составляет около 30 Гфлопс/Вт. Для сравнения можно взять сегодняшннего лидера TOP500, Arm-суперкомпьютер Fugaku. Его производительность составляет 442 Пфлопс, но потребляет он почти 30 МВт. В рейтинге Green500 он занимает 20 место. Полностью презентацию, посвященную истории экзафлопсных систем, можно посмотреть здесь.