Intel描繪HPC的多核與眾核藍(lán)圖

在今年的國(guó)際超級(jí)計(jì)算機(jī)會(huì)議上有很多關(guān)于多核架構(gòu)與億億次級(jí)計(jì)算的討論——這兩個(gè)主題似乎是密切關(guān)聯(lián)的。但隨著各種團(tuán)體迅猛的朝著這個(gè)億億次級(jí)里程碑邁進(jìn)，可以明確的是x86多核CPU的自然發(fā)展不會(huì)使業(yè)界離這個(gè)目標(biāo)太遠(yuǎn)。眾核GPGPU(通用GPU)，另一方面也顯現(xiàn)出是一種切實(shí)可行的實(shí)現(xiàn)億億級(jí)計(jì)算的途徑。那么Intel的“少GPU”技術(shù)意味著什么呢?

簡(jiǎn)言之，Intel對(duì)GPGPU的回應(yīng)是它的新超多核心架構(gòu)(MIC)。MIC是今年夏天在德國(guó)召開(kāi)的國(guó)際超級(jí)計(jì)算機(jī)會(huì)議(ISC`10)上提出的，是Larrabee技術(shù)的再利用,該技術(shù)原先是Intel為高端顯卡和虛擬化市場(chǎng)而開(kāi)發(fā)的。當(dāng)Intel發(fā)現(xiàn)努力的結(jié)果并不能帶來(lái)與NVIDIA及AMD發(fā)布的GPU的競(jìng)爭(zhēng)力時(shí)，于是就放棄了該計(jì)劃，并將技術(shù)加以改造成為一種HPC加速器。

英特爾高性能計(jì)算業(yè)務(wù)總經(jīng)理RajeebHazra在英特爾有15年的工作經(jīng)驗(yàn)，今年7月他接替RichardDracott擔(dān)任HPC業(yè)務(wù)總經(jīng)理的一職。在這之前，Hazra是超級(jí)計(jì)算架構(gòu)與設(shè)計(jì)(SAP)部的主管，主要負(fù)責(zé)高端平臺(tái)的架構(gòu)設(shè)計(jì)，即petaflop和exaflop計(jì)算。他向我們深入介紹了Intel的高性能計(jì)算戰(zhàn)略。

他在超級(jí)計(jì)算部的經(jīng)歷是偶然的，考慮到Intel在服務(wù)器市場(chǎng)最大的挑戰(zhàn)可能就是為高性能計(jì)算的重點(diǎn)部分交付產(chǎn)品。如今，從10大超級(jí)計(jì)算機(jī)到集群，再到下面的高性能客戶(hù)機(jī)，Intel已成為HPC所有平臺(tái)主要的處理器供應(yīng)商。該計(jì)劃還將延續(xù)下去。Hazra表示：“我們的目標(biāo)是推進(jìn)高性能計(jì)算市場(chǎng)的革新，從高端的超級(jí)計(jì)算到批量工作站，根本上推動(dòng)所有類(lèi)型高性能計(jì)算的發(fā)展。”

Intel的MIC架構(gòu)是其中最主要的部分。Hazra表示，MIC架構(gòu)是未來(lái)10年或更長(zhǎng)遠(yuǎn)的眾核處理器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。但首先他們必須擊中一個(gè)移動(dòng)目標(biāo)。在過(guò)去三年，通用GPU進(jìn)入高性能計(jì)算領(lǐng)域的快速擴(kuò)展已經(jīng)給NVIDIA——以及較低程度的AMD——一個(gè)十分有利的開(kāi)端。

到10月份為止，世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)天河1號(hào)A，采用的是GPU-CPU的混合架構(gòu)。該計(jì)算機(jī)在Linpack測(cè)試中達(dá)到的速度為2.5petaflops，超過(guò)半數(shù)以上的性能都是由GPU提供。另外還有其他少數(shù)由GPU提供強(qiáng)大支撐的TOP100入榜超級(jí)計(jì)算機(jī)，更多的則還在研發(fā)中。如果Intel對(duì)GPGPU沒(méi)有切實(shí)可行的替代選擇的話(huà)，它的芯片將會(huì)被降級(jí)到在未來(lái)很多超級(jí)計(jì)算機(jī)——更不用說(shuō)主流集群和高性能工作站——中扮演支持的角色。

盡管MIC是一個(gè)改良的x86產(chǎn)品并且與GPGPU是完全不同的體系結(jié)構(gòu)，但它的目標(biāo)也是解決同樣的問(wèn)題——也就是在高效能的封裝中獲得更高的浮點(diǎn)性能。MIC也計(jì)劃可以像GPU那樣的方式使用，也就是作為一個(gè)連接傳統(tǒng)x86處理器的浮點(diǎn)加速器。一般的思路是這兩種架構(gòu)都使用高度并行和簡(jiǎn)單核心來(lái)使每瓦特釋放能多的性能。

對(duì)任何HPC平臺(tái)來(lái)講那都是有價(jià)值的特性，但是對(duì)于下一代數(shù)萬(wàn)億次級(jí)別(multi-petaflop)的超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)將是決定性的。Hazra表明在過(guò)去10年中，TOP100超級(jí)計(jì)算機(jī)取得的性能提升主要是借助橫向擴(kuò)展模型，也就是增加更多的處理器和更多的結(jié)點(diǎn)。

新的CPU架構(gòu)稍稍改變了每瓦性能曲線(xiàn)的斜率，但是系統(tǒng)普遍變大了，因此會(huì)消耗更多的電量。

這種情況不會(huì)持續(xù)很多年。消耗300兆瓦的電量來(lái)建立一個(gè)500petaflop的系統(tǒng)是不實(shí)際的。傳統(tǒng)的觀念是對(duì)于單獨(dú)的機(jī)器來(lái)說(shuō)，電力消耗上限應(yīng)介于20-40兆瓦之間。所以你不能只是凌駕于現(xiàn)有至強(qiáng)或者皓龍?zhí)幚砥鞯男阅芮€(xiàn)之上，期望為這些未來(lái)系統(tǒng)提供所需的性能。Hazra承認(rèn)：“展望未來(lái)5到10年時(shí)，那些系統(tǒng)將會(huì)有一些重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。”

Intel想要實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于GPGPU的每瓦性能，這將會(huì)在x86架構(gòu)內(nèi)展開(kāi)。Hazra表示，這將允許應(yīng)用程序從單線(xiàn)程代碼轉(zhuǎn)變到高度并行的代碼，且不用改變基礎(chǔ)模型。Intel將會(huì)為產(chǎn)品提供編譯器和運(yùn)行軟件的支持，如果它取得商業(yè)成功，其他廠商將會(huì)毫無(wú)疑問(wèn)的添加他們的產(chǎn)品。Intel也將會(huì)在Xeon及MIC的產(chǎn)品上提供一套通用的開(kāi)發(fā)工具，兩種架構(gòu)的差別也囊括在了該工具中。目標(biāo)是能夠?qū)θ魏蝬86的源碼進(jìn)行重新編譯，并使其自動(dòng)處理MIC指令。

這種思想，很顯然是為了最大程度提高程序員的生產(chǎn)效率——不僅是對(duì)新代碼，也是對(duì)代表了幾年甚至幾十年投資的傳統(tǒng)代碼。在這方面Intel似乎有優(yōu)勢(shì)。雖然Xeon-MIC混合架構(gòu)仍然是一個(gè)異構(gòu)平臺(tái)，它將會(huì)變得更加趨近同構(gòu)，至少?gòu)囊粋€(gè)指令方面來(lái)講，要比Xeon-GPGPU平臺(tái)要強(qiáng)。Hazra相信他們?cè)贗ntelx86框架下所追求的路線(xiàn)將會(huì)允許他們提供一個(gè)更加平衡的異構(gòu)系統(tǒng)。如果Intel能夠真正地實(shí)現(xiàn)從多核Xeon到眾核MIC的轉(zhuǎn)型，并且將其中的麻煩和難題減至最少，那么他們將擁有一個(gè)引人注目的HPC加速器產(chǎn)品。Hazra表示：“我們相信，隨著越來(lái)越多的應(yīng)用和算法能夠利用并行化技術(shù)，MIC架構(gòu)將成為一個(gè)主力。”

代號(hào)為“KnightsCorner”的第一款MIC產(chǎn)品采用了Intel的22nm制程工藝生產(chǎn)?？紤]到22nm晶圓極有可能用來(lái)開(kāi)發(fā)批量出貨的芯片，所以我們可能在2012年以前看不到第一款MIC產(chǎn)品問(wèn)世。KnightsCorner是由50個(gè)核心組成的芯片，但是Intel并沒(méi)有提供任何評(píng)估性能度量標(biāo)準(zhǔn)。

與此同時(shí)，Intel將繼續(xù)發(fā)展其多核Xeon生產(chǎn)線(xiàn)，貫穿企業(yè)和“批量”HPC市場(chǎng)。并不是每個(gè)HPC應(yīng)用都需要眾核加速器，對(duì)于那些更加匹配粗粒并行或者專(zhuān)門(mén)面向單線(xiàn)程執(zhí)行的代碼組，Xeons芯片就是最佳的選擇。

Xeon生產(chǎn)線(xiàn)將會(huì)繼續(xù)使用Intel用在其主流的x86處理器上、12個(gè)月為周期的tick-tock開(kāi)發(fā)策略。不過(guò)根據(jù)Hazra所言，MIC步調(diào)會(huì)很慢，大約18-24月的樣子，雖然在這樣的情況下每個(gè)處理器更新要囊括更多架構(gòu)上的變化。這種時(shí)間策略與NVIDIA和AMD固定的GPGPU提供速度緊密一致，并在很大程度上理應(yīng)得到相對(duì)低容量的加速器。

最大的未知數(shù)，就是Intel能否及時(shí)交付產(chǎn)品來(lái)逆轉(zhuǎn)GPGPU。NVIDIA與AMD擁有三年的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，當(dāng)?shù)谝豢钌虡I(yè)MIC芯片問(wèn)市之時(shí)，這個(gè)差距甚至還會(huì)擴(kuò)大到五年。Intel不需要依靠這些眾核產(chǎn)品的成功來(lái)取得再次成功，但是它在HPC上的抱負(fù)似乎卻與其緊密相關(guān)。2010年將是值得關(guān)注的一年。