Многоядерный компьютерный мир : освоение новых горизонтов Гергель В.П., Декан факультета ВМК ННГУ, д.т.н., проф.

Н.Новгород, 2010 г.Многоядерный компьютерный мир: освоение новых горизонтов 2 из 51 Новые рубежи: индустрия вычислений Вычислительные науки как основа индустрии вычислений Многоядерность – магистральный путь развития суперкомпьютерных технологий Грид и Облачные вычисления: общая характеристика Выводы Содержание

Н.Новгород, 2010 г.Многоядерный компьютерный мир: освоение новых горизонтов 3 из 51 Новые рубежи: индустрия вычислений Применение математического моделирования в науке, технике, промышленности становится все более массовым и приобретает качественно новый характер Исследование разработанных моделей, анализ имеющихся вариантов, оценка принимаемых решений все больше опирается на компьютерные технологии – выполнение трудоемких вычислений, имитация, автоматизация… Сложность моделей приближается к границам возможности, трудоемкость расчетов и объем обрабатываемых данных на порядки превышает представления 5-10 летней давности

Н.Новгород, 2010 г.Многоядерный компьютерный мир: освоение новых горизонтов 4 из 51 ОСНОВА НАНОТЕХНОЛОГИЙ – ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ НА РАССТОЯНИЯХ ОТ 1 ДО 100 нм ОСНОВНОЙ ИНСТРУМЕНТ ИССЛЕДОВАНИЯ – ДЕТАЛЬНОЕ ПРЕДСКАЗАТЕЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НА СУПЕР-ЭВМ (НАНО) ЭЛЕКТРОНИКА ЭНЕРГЕТИКА МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ (с 1996 г. В ПРОГРАММЕ ASCI) ФАРМАКОЛОГИЯ КРУПНЫЕ МИРОВЫЕ СУПЕРКОМПЬЮТЕРНЫЕ НАНОЦЕНТРЫ США ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ШТАТА НЬЮ-ЙОРК (БОЛЕЕ 100 Тфлопс, IBM) ЕВРОПА (ГЕРМАНИЯ) ОБЩЕСТВО МАКСА ПЛАНКЕ, КОМПЬЮТЕРНЫЙ ЦЕНТР (100 Тфлопс, IBM) ЯПОНИЯ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ И ХИМИИ ( СУПЕР-ЭВМ СОБСТВЕННОЙ РАЗРАБОТКИ – 2 Пфлопс) Примеры индустрии вычислений: Нанотехнологии

Н.Новгород, 2010 г.Многоядерный компьютерный мир: освоение новых горизонтов 5 из 51 Вычислительные науки как основа индустрии вычислений Сегодня человечество перешло ту грань, за которой оно способно решать ЛЮБЫЕ корректно поставленные задачи на основе имеющегося опыта, интуиции… Многие задачи науки, техники, промышленности, бизнеса могут быть решены только при помощи математического моделирования на основе компьютерных технологий

Н.Новгород, 2010 г.Многоядерный компьютерный мир: освоение новых горизонтов 6 из 51 Расширение «научного подхода» –Экспериментальные науки информация от природного (реального) объекта –Теоретические науки математические модели и аналитические расчеты на базе ранее установленных законов –Вычислительные науки (Computing, Computational Science, eScience) вычислительные модели природного (реального) объекта, вычислительные эксперименты на суперкомпьютерах Вычислительные науки…

Н.Новгород, 2010 г.Многоядерный компьютерный мир: освоение новых горизонтов 7 из 51 Вычислительные науки… Между экспериментом и теорией: на основе математических моделей и сложных компьютерных расчётов пытаемся как можно точнее приблизиться к описанию объектов реального мира Когда особенно важны: нет времени (средств, возможности и т.п.) для экспериментов или построения теорий (аналитических моделей) Суперкомпьютерный эксперимент становится одним из основных научных методов

Н.Новгород, 2010 г.Многоядерный компьютерный мир: освоение новых горизонтов 8 из 51 Где совсем не обойтись без вычислительных наук (избранные примеры): Натурные эксперименты запрещены (невозможны): изучение процессов при ядерном взрыве или серьезных воздействий на природу Воздействия на материалы экстремальных условий (температур, магнитных полей, радиации и др.) старение материалов, безопасность конструкций, боевое применение Моделирование наноустройств и наноматериалов часто прямые измерения свойств затруднены, а расчёты возможны Науки о жизни «геном человека», разработка новых лекарственных препаратов и т.п. Науки о Земле обработка геоинформации: полезные ископаемые; селевая, сейсмическая и т.п. безопасность, прогнозы погоды, модели изменения климата... Моделирование при разработке новых технических устройств инженерные расчеты Вычислительные науки…

Н.Новгород, 2010 г.Многоядерный компьютерный мир: освоение новых горизонтов 9 из 51 Доклад PITAC (The Presidents Information Technology Advisory Committee) Вычислительные науки: обеспечение превосходства (конкурентоспособности) Америки «With technology, talent and capital now available globally, the U.S. is facing unprecedented economic competition from abroad. Тhe country that wants to out compete must out-compute» Вычислительные науки… "Страна, которая хочет достичь превосходства в конкурентной борьбе, должна превосходить конкурентов в области вычислений"

Н.Новгород, 2010 г.Многоядерный компьютерный мир: освоение новых горизонтов 10 из 51 Суперкомпьютерные технологии являются базовой критической технологией, поскольку являются сегодня важнейшими во всем спектре технологий, которыми владеет человечество. Именно на его основе решаются наиболее трудные и ресурсоемкие междисциплинарные задачи современной науки, техники, промышленности и бизнеса Суперкомпьютерные технологии являются сегодня локомотивом развития точно также, как в 30-х годах основой прогресса была авиация, в 40-х годах – атомное оружие, в х годах – ракетная техника и космос Вычислительные науки…

Н.Новгород, 2010 г.Многоядерный компьютерный мир: освоение новых горизонтов 11 из 51 Под суперкомпьютерными технологиями обычно понимается: 1. Производство СуперЭВМ 2. Разработку программного обеспечения для СуперЭВМ 3. Совокупность знаний и технологий предметного использования СуперЭВМ Вычислительные науки

Н.Новгород, 2010 г.Многоядерный компьютерный мир: освоение новых горизонтов 12 из 51 Многоядерность – магистральный путь развития суперкомпьютерных технологий… Экспоненциальный рост числа транзисторов сохраняется 15 лет экспоненциального роста тактовой частоты закончились ILP достиг предела Причины: Коррекция тенденций развития компьютерной техники

Н.Новгород, 2010 г.Многоядерный компьютерный мир: освоение новых горизонтов 13 из 51 CV 2 F производительность энергопотребление Вывод: если мультипроцессор слишком горяч, сократите напряжение и частоту, а не процессоры VI leakage Энергопотребление мультироцессоров Многоядерность…

Н.Новгород, 2010 г.Многоядерный компьютерный мир: освоение новых горизонтов 14 из 51 Проблемы передовых процессоров: Жёсткие ограничения по энергопотреблению Темпы роста производительности падают драматично Крайне сложное тестирование работоспособности Многоядерность…

Н.Новгород, 2010 г.Многоядерный компьютерный мир: освоение новых горизонтов 15 из 51 Проблемы передовых процессоров: Жёсткие ограничения по энергопотреблению Темпы роста производительности падают драматично Крайне сложное тестирование работоспособности Решение: малые ядра Малые ядра не на много медленнее больших Малые ядра имеют меньшее энергопотребление Малые ядра легче проверять Малых ядер на чипе может быть существенно больше Многоядерность…

Н.Новгород, 2010 г.Многоядерный компьютерный мир: освоение новых горизонтов 16 из 51 Многоядерность… Традиционные источники повышения производительности (тактовая частота, IPC) стабилизировались Новый закон Мура: число ядер удваивается каждые 18 месяцев (вместо удвоения частоты) The processor is the new transistor! Chris Rowen

Н.Новгород, 2010 г.Многоядерный компьютерный мир: освоение новых горизонтов 17 из 51 Multicore Era Microprocessor Era MegaFLOPGigaFLOPTeraFLOPPetaFLOPExaFLOP 2007 Многоядерность… Революционный 2007 год

Н.Новгород, 2010 г.Многоядерный компьютерный мир: освоение новых горизонтов 18 из 51 Многоядерность…

Н.Новгород, 2010 г.Многоядерный компьютерный мир: освоение новых горизонтов 19 из 51 Многоядерность: От Multicore к Manycore Multicore Использование передовых ядер (архитектур) Удвоение числа ядер каждые 18 месяцев Ориентация на типичную вычислительную нагрузку (workload) Пример: Intel Core2 Duo (2 cores) Manycore Упрощенные ядра (короткие конвейеры, небольшие частоты, in-order обработка) Начиная со ста ядер на чипе Удвоение числа ядер каждые 18 месяцев Преимущества: наилучшая вычислительная эффективность на ватт, простое тестирование, низкая вероятность дефектов производства, малая стоимость разработки Пример: Nvidia G80 (128 cores), Intel Polaris (80 cores), Cisco/Tensilica Metro (188 cores)

Н.Новгород, 2010 г.Многоядерный компьютерный мир: освоение новых горизонтов 20 из 51 Ближайший рубеж: 1M ядер в системе Число процессоров в TOP15 Многоядерность…

Н.Новгород, 2010 г.Многоядерный компьютерный мир: освоение новых горизонтов 21 из 51 Грид и Облачные вычисления: общая характеристика… Грид – географически распределенная инфраструктура, объединяющая множество ресурсов разных типов (процессоры, долговременная и оперативная память, хранилища и базы данных, сети), доступ к которым пользователь может получить из любой точки, независимо от места их расположения.

Н.Новгород, 2010 г.Многоядерный компьютерный мир: освоение новых горизонтов 22 из 51 Грид и Облачные вычисления: общая характеристика… Грид предполагает коллективный разделяемый режим доступа к ресурсам и к связанным с ними услугам в рамках глобально распределенных виртуальных организаций, состоящих из предприятий и отдельных специалистов, совместно использующих общие ресурсы. В каждой виртуальной организации имеется своя собственная политика поведения ее участников, которые должны соблюдать установленные правила. Виртуальная организация может образовываться динамически и иметь ограниченное время существования.

Н.Новгород, 2010 г.Многоядерный компьютерный мир: освоение новых горизонтов 23 из 51 Грид и Облачные вычисления: общая характеристика… Облачные вычисления это стиль, при котором масштабируемые ИТ-ресурсы предоставляются внешним пользователям в качестве сервиса с помощью интернет- технологий.

Н.Новгород, 2010 г.Многоядерный компьютерный мир: освоение новых горизонтов 24 из 51 Грид и Облачные вычисления: общая характеристика… Облако создает новый подход к организации работ. Ни оборудование, ни программное обеспечение в таком случае не принадлежат пользователю: гораздо удобнее покупать сервис, а не вычислительные мощности для его построения. Вычисления в облаках «электричество» будущего. Включаешь свет и становится светло, включаешь компьютер и выходишь в облака. С точки зрения корпоративного пользователя можно было бы дать очень простое определение облаку: «Это не моя информационная структура, но я использую ее в работе».

Н.Новгород, 2010 г.Многоядерный компьютерный мир: освоение новых горизонтов 25 из 51 Заключение Качественное изменение характера использования математического моделирования и компьютерных технологий для решения актуальных задач науки, техники, промышленности – массовость, сложность, вычислительная трудоемкость, социальная значимость результатов Становление вычислительных наук как нового научного направления Суперкомпьютерные технологии составляют технологическую основу вычислительных наук Использование многоядерности в качестве стратегии развития компьютерной техники Разработка программного обеспечения для многоядерных систем для решения сложнейших задач вычислительных наук - фундаментальная проблема, грозящая перерасти в проблему национальной безопасности