浪潮HPC助力超導(dǎo)替代硅晶圓做芯片

 在硅晶圓技術(shù)逐漸接近極限的今天，人們開始關(guān)注下一代計(jì)算機(jī)芯片將會(huì)采用什么材料來制作？相比量子計(jì)算機(jī)、光計(jì)算機(jī)、DNA計(jì)算機(jī)等更加超前的概念，超導(dǎo)計(jì)算機(jī)的可行性要大得多。日前，smtsh.cn/ target=_blank class=infotextkey>上海超導(dǎo)科技股份有限公司（以下簡稱smtsh.cn/ target=_blank class=infotextkey>上海超導(dǎo)）開始利用浪潮TS10000高性能計(jì)算集群，開發(fā)新型的超導(dǎo)芯片。

神奇的超導(dǎo)計(jì)算機(jī) 

目前制成的超導(dǎo)開關(guān)器件，其理論上開關(guān)動(dòng)作所需時(shí)間為千億分之一秒，是當(dāng)今所有電子、半導(dǎo)體、光電器件都無法比擬的。這意味著超導(dǎo)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度將比現(xiàn)在的電子計(jì)算機(jī)快100倍，而電能消耗僅是電子計(jì)算機(jī)的千分之一。打個(gè)比方，如果目前一臺(tái)大中型計(jì)算機(jī)每小時(shí)耗電10千瓦，那么同樣計(jì)算力的超導(dǎo)計(jì)算機(jī)只需一節(jié)干電池就可以工作了，并且體積也只有原來的幾十分之一。 

不過，超導(dǎo)計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)還有待于科學(xué)家們對(duì)高溫乃至常溫超導(dǎo)材料的研究。目前，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有28種元素和幾千種合金和化合物可以成為超導(dǎo)體，但這些超導(dǎo)材料高的超導(dǎo)臨界溫度也要在零下140度以上?？茖W(xué)家們期望尋找到成本低廉的常溫超導(dǎo)材料，利用它制成超導(dǎo)開關(guān)器件和超導(dǎo)存貯器，再利用這些器件制成超導(dǎo)計(jì)算機(jī)，從而改變整個(gè)計(jì)算機(jī)的世界。

胖瘦結(jié)合，加速超導(dǎo)芯片研究 

超導(dǎo)材料的研究離不開高性能計(jì)算機(jī)。不過，超導(dǎo)材料理論較為復(fù)雜，從原理上決定了對(duì)高性能計(jì)算的要求不盡相同，如Materials Studio、ADF、PWSCF等計(jì)算方法對(duì)CPU主頻和內(nèi)存帶寬要求比較高，而量化計(jì)算Gaussian則對(duì)共享內(nèi)存并行效率有更高要求，需要SMP胖節(jié)點(diǎn)服務(wù)器。 

根據(jù)smtsh.cn/ target=_blank class=infotextkey>上海超導(dǎo)的應(yīng)用需求，浪潮按需定制了基于英特爾?至強(qiáng)?E5-2600V3系列的高性能天梭TS10000集群系統(tǒng)，整套系統(tǒng)采用胖瘦節(jié)點(diǎn)分工、高速網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)結(jié)合的設(shè)計(jì)。其中，瘦計(jì)算節(jié)點(diǎn)為滿足高主頻和大內(nèi)存MPI并行計(jì)算應(yīng)用需求，使用了浪潮2U雙路機(jī)架服務(wù)器NF5280M4，配置了2.5 GHz主頻、十二核心的E5-2680v3處理器，單節(jié)點(diǎn)128G內(nèi)存，可輕松處理普通計(jì)算任務(wù)。而像Gaussian、ATK/VNL、MedeA等應(yīng)用，隨著計(jì)算規(guī)模的擴(kuò)大，對(duì)內(nèi)存的需求將隨基函數(shù)數(shù)量的平方而增加，特別是支持Open-MP和TPC-Linda兩種并行方式的Gaussian，在選擇MP2計(jì)算方法時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量臨時(shí)文件常駐內(nèi)存，通用計(jì)算節(jié)點(diǎn)將很難完成數(shù)據(jù)處理工作。為此，浪潮提供4U機(jī)架式服務(wù)器NF8460M3作為胖計(jì)算節(jié)點(diǎn)，配置4顆E7-4820v2處理器，內(nèi)存可擴(kuò)展至2TB，滿足了大內(nèi)存并行計(jì)算的需求。

存儲(chǔ)系統(tǒng)采用浪潮TStor500存儲(chǔ)系統(tǒng)，提供3GB/s的聚合帶寬，在滿足Gaussian MP2等計(jì)算方法對(duì)較高IO帶寬要求的同時(shí)，也讓整個(gè)系統(tǒng)數(shù)以千計(jì)的客戶端、服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)了完全并行。同時(shí)，元數(shù)據(jù)服務(wù)器和對(duì)象數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器在不同的服務(wù)器，兩個(gè)對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù)器采用Actice-Active方式運(yùn)行：元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)陣列采用浪潮光纖存儲(chǔ)AS500H，兩個(gè)MDS元數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)保障HA高可用；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)采用浪潮4U機(jī)架式服務(wù)器SA5224H，全部采用高性能專用處理器，集成BMC智能控制芯片。為了與高速存儲(chǔ)相匹配，整個(gè)集群采用56Gb/s FDR端到端的IB交換機(jī)，在1U空間提供36端口互聯(lián)所有計(jì)算節(jié)點(diǎn)、管理節(jié)點(diǎn)、登錄節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了超高的MPI信息傳輸率及微妙級(jí)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)延遲，提供更好的應(yīng)用程序計(jì)算性能。

元數(shù)據(jù)服務(wù)器、對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù)器和客戶端可以分別運(yùn)行于獨(dú)立的操作系統(tǒng)中，也可以運(yùn)行于一個(gè)操作系統(tǒng)內(nèi)部。優(yōu)的解決方案是元數(shù)據(jù)服務(wù)器位于一個(gè)單獨(dú)的服務(wù)器中，對(duì)一個(gè)元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)對(duì)象提供服務(wù)，單獨(dú)的對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù)器為多個(gè)對(duì)象存儲(chǔ)對(duì)象提供服務(wù)，客戶端也位于單獨(dú)的服務(wù)器。其結(jié)構(gòu)如下圖所示，圖中為一個(gè)元數(shù)據(jù)服務(wù)器，一個(gè)對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù)器，和一個(gè)客戶端的示意圖，元數(shù)據(jù)服務(wù)器服務(wù)于一個(gè)元數(shù)據(jù)存儲(chǔ)對(duì)象，對(duì)象存儲(chǔ)服務(wù)器服務(wù)于三個(gè)目標(biāo)存儲(chǔ)對(duì)象。

浪潮還為并行存儲(chǔ)系統(tǒng)配備了自主開發(fā)的智能化、專用定制化的存儲(chǔ)管理界面，支持圖形化界面顯示，支持圖形化安裝與部署，可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)資源的量化和用戶配額制。

此外，浪潮還為用戶配置了Cluster Engine云服務(wù)平臺(tái)及集群部署還原軟件，讓用戶管理整套集群系統(tǒng)就像管理一臺(tái)計(jì)算機(jī)一樣方便。

“胖瘦組合計(jì)算模式”化解超導(dǎo)應(yīng)用難題 ，多個(gè)超導(dǎo)科學(xué)領(lǐng)域?qū)＜以诮?jīng)過實(shí)際測試后，認(rèn)為浪潮為smtsh.cn/ target=_blank class=infotextkey>上海超導(dǎo)量身定制的高性能集群提供了充足的總體計(jì)算能力，節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交換和系統(tǒng)的I/O帶寬加速效果明顯，系統(tǒng)可擴(kuò)展性得到充分保障。同時(shí)，浪潮針對(duì)實(shí)際運(yùn)算需求開發(fā)的不同級(jí)別的軟件應(yīng)用，促進(jìn)了系統(tǒng)內(nèi)部服務(wù)器、存儲(chǔ)、應(yīng)用之間大限度趨近協(xié)同運(yùn)算，顯著提高了超導(dǎo)材料研究應(yīng)用的運(yùn)行效率。