該系統(tǒng)將于2009年底至2010年全面部署于國家超級計算天津中心，屆時我國將成為繼美國之后可以研制和應(yīng)用千萬億次超級計算機的國家。
“天河一號”所采用的“CPU+GPU”混合計算架構(gòu)引發(fā)了與會專家和各大廠商的強烈關(guān)注，尤其是針對這種架構(gòu)的軟件編程和應(yīng)用問題。
誰來當(dāng)千萬億次機的加速器
由于“天河一號”使用了“CPU+GPU”的混合架構(gòu)，其中GPU作為加速計算單元存在，但這種結(jié)構(gòu)這無疑會增加系統(tǒng)的使用難度，畢竟現(xiàn)在能夠利用GPGPU的軟件還比較少，需要用戶自己去針對這一架構(gòu)改編軟件。對此，TOP100排行榜創(chuàng)始人、中科院軟件所張云泉博士談到，目前來看，GPGPU的應(yīng)用對于普通用戶而言確實比較難，但是“天河一號”在體系結(jié)構(gòu)設(shè)計上也已經(jīng)考慮到這一點，其CPU與GPU的比例是1：1，這樣，即便只使用CPU，也可以實現(xiàn)200萬億次的計算性能，與上海超算的曙光5000A相當(dāng)。
曙光公司副總裁聶華在接受IT168記者采訪時談到，“GPU確實是高性能計算業(yè)內(nèi)人士非常關(guān)注的熱門技術(shù)，曙光也在提供采用Nvidia或AMD/ATI的GPU的服務(wù)器產(chǎn)品，但根據(jù)一線用戶的反饋來看，喜憂參半。”一方面，GPU的并行計算性能很高，對于某些專業(yè)領(lǐng)域來說確實可以實現(xiàn)幾十倍、上百倍的性能提升，比如石油勘探領(lǐng)域已經(jīng)有證明，但另一方面，也有很多應(yīng)用無法實現(xiàn)那么高的性能加速比。
他分析說，跟CPU不同，GPU協(xié)同并行計算顛覆了傳統(tǒng)的計算理念。對高性能計算來說，首要的是確保計算結(jié)果的正確無誤，而GPU出身于圖形處理卡，從設(shè)計結(jié)構(gòu)上就是無法絕對保證計算結(jié)果的正確。而今天，我們的編程模型、算法模型都是傳統(tǒng)的，因此只有按GPU的體系架構(gòu)重新去編程才容易獲得高性能，否則可能得不償失。
“CPU通用計算仍然是基礎(chǔ)，同時我們更傾向于用龍芯來做協(xié)處理器。”聶華表示，根據(jù)計劃，曙光公司將于2010年推出采用龍芯處理器的千萬億次超級計算機曙光6000，預(yù)計會落戶于深圳的華南超算中心。與天河一號類似，曙光6000也將采用異構(gòu)計算的結(jié)構(gòu)，不同的是，天河一號用的是“英特爾CPU+ATIGPU”，而曙光6000將使用“普通CPU+國產(chǎn)龍芯處理器”。
可見，在高性能計算加速單元上，過去的FPGA似乎正在被人遺忘，取而代之的是其他形形色色的協(xié)處理器，如IBM在“走鵑”用的CELL處理器，“天河一號”用的ATIGPU，以及未來曙光6000里會用到“龍芯”處理器……未來一段時間，將會是叢林競爭的時代。
雙精度性能：GPU首先要過的一道坎
就GPU通用計算的話題，記者現(xiàn)場還采訪了英特爾、Nvidia、AMD、寶德、聯(lián)想、浪潮等多家廠商代表的看法。
聯(lián)想首席科學(xué)家祝明發(fā)教授表示，目前GPU的單精度性能很高，但雙精度性能很小(大約是雙精度性能的1/8-1/10，編者注)，而高性能計算軟件很多都要求雙精度性能。
實際上，國外TOP500和國內(nèi)TOP100高性能計算機排行榜一般都按照雙精度浮點計算性能來測試排序，按單精度性能算，“天河一號”的峰值性能高達1206萬億次每秒，但Linpack測試性能卻只有560.3萬億次每秒，正是受到GPU的影響，使得整個系統(tǒng)的效率偏低。正可謂，遇到需要單精度性能的應(yīng)用，GPU能以一擋十，如虎添翼，而一旦碰到要求雙精度的場合，就未免有些英雄氣短了。
此外，GPU計算單元密度高，但數(shù)據(jù)吞吐受限，I/O瓶頸突出，缺少校驗機制等也受到人們的詬病。不過，作為GPU通用計算領(lǐng)域的推動者，Nvidia公司沒有知難而退。在此次年會上，Nvidia公司主要推介了其最新一代的“Fermi”GPU架構(gòu)，具體產(chǎn)品預(yù)計要到明年1季度推出。據(jù)介紹，F(xiàn)ermi已經(jīng)針對雙精度性能、ECC校驗等方面進行了“重大”的革新——引入L1、L2緩存機制，雙精度性能是上一代產(chǎn)品的8倍，顯存控制器支持ECC顯存糾錯技術(shù)等。Nvidia現(xiàn)場工程師告訴IT168記者：“Fermi的最大改進在于雙精度方面，與上一代架構(gòu)的CUDA通用計算相比，現(xiàn)在的雙精度計算性能提高了8倍。而雙精度在線性代數(shù)，數(shù)學(xué)模擬以及生物化學(xué)領(lǐng)域的高性能計算中發(fā)揮著重要作用。”
軟件才是關(guān)鍵看CUDA和OpenCL之爭
不過，祝明發(fā)教授認(rèn)為，CPU+GPU的混合架構(gòu)，硬件并不是最主要的，關(guān)鍵還得看軟件和編程環(huán)境。寶德公司產(chǎn)品經(jīng)理陳齊旺也表示，CPU+GPU的方案比較大的挑戰(zhàn)就是在程序優(yōu)化和編程方面。
由于絕大部分針對CPU編寫的程序需要改編才能運行在GPU架構(gòu)之下，需要軟件人員重新學(xué)習(xí)，而現(xiàn)在Nvidia和AMD又分別主推CUDA和OpenCL(OpenComputingLanguage)編程環(huán)境，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各自的軟件互不兼容，也增加了用戶的投資風(fēng)險。
對于CUDA和OpenCL之爭，曙光公司的李寧表示，從高性能計算發(fā)展的歷史來看，專有技術(shù)的路會越走越窄，而標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)會更有發(fā)展，如X86服務(wù)器取代RISC小型機，千兆以太網(wǎng)和Infiniband等商用網(wǎng)絡(luò)取代了專有的網(wǎng)絡(luò)，Linux取代了一些專有的UNIX操作系統(tǒng)等。目前曙光的服務(wù)器同時支持Nvidia和ATI的產(chǎn)品，但CUDA這個編程環(huán)境只適合Nvidia自己的產(chǎn)品，因此，“OpenCL會在眾多廠商的支持下越走越好。”
作為另一家重要的GPU通用計算廠商，AMD/ATI公司主推的正是OpenCL。該公司在此次年會上就展示了其最新HD5000系列顯卡及相關(guān)GPU通用高性能計算應(yīng)用案例。據(jù)介紹，已經(jīng)有很多實驗性算法是基于OpenCL標(biāo)準(zhǔn)，面向最新的HD5000系列GPU架構(gòu)制作。
期待英特爾Larrabee+Ct加入戰(zhàn)團
浪潮目前是國內(nèi)推廣NvidiaGPU桌面超算產(chǎn)品力度最大的廠商，其倚天系列受到了眾多高性能計算用戶的關(guān)注。
該公司高性能服務(wù)器產(chǎn)品部總經(jīng)理劉軍則表示，無論是誰的解決方案，ATI也好，Nvidia也罷，主要看使用環(huán)境，看編譯環(huán)境好不好用，而他本人“更希望看到英特爾推出Larrabee，在桌面超算產(chǎn)品里希望是Larrabee+Ct的技術(shù)。”
據(jù)了解，英特爾基于Larrabee的首款GPU產(chǎn)品預(yù)計將于2010年推出，主要面向個人電腦圖形市場，可支持DirectX和OpenGL，能夠運行目前的所有游戲和相關(guān)程序。同時，英特爾的研究人員還正在研究各種方法，以幫助編程人員應(yīng)對在萬億級、并行計算處理器上運行類似的實時應(yīng)用時所面臨的挑戰(zhàn)。其中的一個關(guān)鍵研究項目就是Ct編程語言，這種靈活的語言致力于幫助主流編程人員高效地開發(fā)高度并行化、高性能的軟件，從而充分發(fā)揮出英特爾當(dāng)前和未來許多內(nèi)核處理器的優(yōu)勢。與其他并行編程語言相比，使用Ct作為編程語言可以讓編程人員的工作效率得到明顯提高，因為幾乎不需要對源代碼進行修改。Ct編程語言不但適用于目前的硬件環(huán)境，還能升級到基于Larrabee和AVX(高級向量擴展)指令集的系統(tǒng)開發(fā)，而無需編程人員的介入。
英特爾中國服務(wù)器產(chǎn)品經(jīng)理顧凡認(rèn)為，“CPU與GPU之間最終是軟件戰(zhàn)爭，誰能保護用戶代碼投資誰就能贏。”不過，目前英特爾還沒有明確時間表將Larrabee用于高性能計算，“英特爾希望給用戶的是一款成熟的產(chǎn)品。”而且，跟Nvidia和AMD不同，英特爾更多會通過“若干大內(nèi)核+數(shù)百小內(nèi)核”的異構(gòu)多核CPU設(shè)計來集成類似GPU功能模塊，以滿足更大規(guī)模并行計算的需要。
綜上所述，GPU和CPU之間的競爭不僅僅是兩種技術(shù)架構(gòu)之間的競爭，也不只是Nvidia和英特爾或AMD兩三家公司之間的競爭，而是標(biāo)準(zhǔn)之爭，是包括硬件、軟件、應(yīng)用在內(nèi)的兩種產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈之間的競爭，涉及到很多軟硬件廠商和用戶。
其實，這場戰(zhàn)爭才剛剛開始!
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