Supercomputer-Hardware auf Basis von x86-prozessoren

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1 Supercomputer-Hardware auf Basis von x86-prozessoren Vortragsreihe Professioneller IT-Betrieb in mittleren und großen Umgebungen HPC Systems Architect December 01, 2011

2 Titel: Supercomputer-Hardware auf Basis von x86-prozessoren Auszug: Supercomputer auf Basis von x86 Hardware sind die Zukunft! So deutet es jedenfalls ein Blick auf die vergangenen Top500 Listen an. x86 ist eine bekannte und ebenso etablierte Basis für HPC (High Performance Computing) Cluster. Jedoch birgt der Ansatz mit konventionaler Hardware auch Schwierigkeiten, die insbesondere in großen Umgebungen schnell Grenzen aufzeigen. Der Vortrag schildert die Entwicklung von Supercomputern im Allgemeinen, der x86 Prozessoren und übriger Hardware über die letzten Jahre und zeigt an einem aktuellen Beispiel, wie moderne x86 Supercomputer aufgebaut sind. 2

3 Torsten Bloth IBM Deutschland GmbH HPC Systems Architect Fokus auf: - x86 HPC Cluster - HPC Storage Solutions - Cluster Systems Management - High Speed Interconnects - LRZ SuperMUC Architect 3

4 Agenda - Historie von Supercomputern und HPC Clustern - x86 Mikroprozessor Historie - x86 Supercomputer heute - Generelle Komponenten - Netzwerk - Trends und Herausforderungen für die Zukunft - Exascale Computing - x86 Supercomputer vor Ort - SuperMUC 4

5 Eine kurze Definition: (HPC) Cluster HPC Clusters Clusters Tightly-coupled Clusters Loosely-coupled Clusters Simple Failover Clusters Single-purpose Server Farms Multi-purpose Server Farms Standalone Networked Servers Multiple Standalone Servers Interconnected nodes Extensive inter-node communication Ultra high speed links Operations performed on one node depend on output of operations on one or more other nodes in the cluster parallelized applications Crash of single nodes impacts operation of entire cluster Local storage and NAS/SAN required SPOC for hardware/software management and software/application distribution and maintenance Interconnected nodes Minimal to no internode communication High speed links Operations performed on one node are independent of operations on any other node users or tasks distributed across nodes Crash of one node may impact performance of cluster, but operation of cluster continues Local storage and NAS/SAN required SPOC for hardware/software management and software/application distribution and maintenance Two interconnected nodes Node-to-node communication limited to heart-beat only Only simple cable interconnect required Each node normally handles half the workload If one node crashes, the other node takes over its operations; significant performance impact Local storage and/or NAS/SAN SPOC for hardware management; may support SPOC for software/application management and distribution Interconnected nodes No inter-node communication No special interconnect required Nodes operate independently, but all nodes dedicated to same application/ workload Crash of a node has no impact on operation of any other component in the server farm Local storage and/or NAS/SAN SPOC for hardware management only; may support SPOC for software/application management Interconnected nodes No inter-node communication No special interconnect required Nodes operate independently, and nodes run two or more applications/ workloads Crash of a node has no impact on operation of any other component in the farm Local storage and/or NAS/SAN SPOC for hardware management only; may support SPOC for software/application management Interconnected nodes No inter-node communication Nodes operate independently Crash of one node has no effect on operation of any other node Local storage or NAS May or may not have SPOC for hardware management No connection between nodes Nodes operate independently Crash of one node has no effect on operation of any other node Local storage or NAS No SPOC Note: SPOC = single point-of-control 5

6 Cluster dominieren die Top500 Liste eindeutig TOP500 Architecture History Definitions: Constellation Cluster of large SMP nodes MPP Massively Parallel Processor Cluster Commodity processor and interconnect SMP Symmetric Multi- Processor Single Processor SIMD Single Instruction stream Multiple Data stream Constellation MPP Cluster SMP Single Proc SIMD Nov94 Jun95 Nov95 Jun96 Nov96 Jun97 Nov97 Jun98 Nov98 Jun99 Nov99 Jun00 Nov00 Jun01 Nov01 Jun02 Nov02 Jun03 Nov03 Jun04 Nov04 Jun05 Nov05 Jun06 Nov06 Jun07 Nov07 Jun08 Nov08 Jun09 Nov09 Jun10 Nov10 Jun11 Nov11 Source: Jun93 Nov93 Jun94 Number of Entries 6

7 Evolution der Supercomputer Multi-Petaflop (~2010) Multicore Low Power (~2008) Linux Cluster (~2001) RISC SMPs (~1994) Vectors (~1983) MainFrames (~1979) 7 * Natürlich gab es auch etwas vor 1979

8 Vektorrechner Cray (oder kennen sie den Film Sneakers Die Lautlosen (Redford, Kingsley)) 8

9 Vektorrechner NEC Earth Simulator 9

10 SMP Cluster IBM ASCI White 10

11 Linux Cluster IBM MareNostrum 11

12

13 Linux Cluster IBM RoadRunner (1PFLOP) 13

14 Multicore und Low Power IBM BlueGene 14

15 Multicore (und Low Power?) Tianhe-1A, x86+gpgpu + 15

16 10 PFLOP Maschine K Computer 864 Racks GHz Megawatts 16

17 x86 Mikroprozessor Historie 1947: Transistor wird erfunden, Bell Labs 1965: Moore s Law 1968: Moore, Noyce, Grove gründen Intel 1969: Intels erstes Produkt erster MOS static RAM (1101) 1971: Intel stellt den ersten Mikroprozessor vor, den 4-Bit : Intel stellt den 8080 (8-Bit) vor, 4500 Transistoren 10x schneller als sein Vorgänger (8008) 17

18 x86 Mikroprozessor Historie ff. 1975: Intel 8080 wird im Altair 8800 verbaut Bill Gates und Paul Allen entwickeln (Altair) Basic für den : Rückschlag für x86 Jobs und Wozniak kündigen Apple II mit 8-Bit 6502 von MOS Technology an 1978: Intel kündigt 16-Bit 8086 an wird Industriestandard 1980: Intel kündigt mathematischen Co-Prozessor 8087 an 1981: IBM wählt Intel 8088 für seine PCs ( the biggest win ever for Intel (Source: Intel) ) 18

19 x86 Mikroprozessor Historie ff. 1984: IBM entwickelt 2te Generation PC-AT, basierend auf Quasi-Standard für die kommenden 10 Jahre 1985: Intel fokussiert sich aufs Kerngeschäft und bringt 32-Bit : Compaq springt auf den Zug auf und bringt PC 1987: VIA wird gegründet und entwickelt x86 Core Logic Chips 1989: eingebauter mathemat. Co-Prozessor 1,2 Mio Transistoren 19

20 x86 Mikroprozessor Historie ff. Später 80er: Intel i860 als eigene RISC Architektur 1993: Pentium vorgestellt 1995: Pentium Pro (RISC Killer ) vorgestellt Out of Order Execution Schneller On-Chip Cache 1997: Intel stellt 64-Bit EPIC Prozessor und MMX Pentium vor 1998: Celeron 20

21 x86 Mikroprozessor Historie ff. 2000: Pentium 4 (42 Mio Transistoren) 2003: AMD kündigt x86-64 an 2004: AMD zeigt Dual-Core Prozessor 2005: Intel bringt ersten Dual-Core Prozessor 2005: Apple schwenkt von PowerPC auf x86 um Ab 2006: Quad-Core von Intel und AMD 21

22 Quelle: Wikipedia 22

23 Intel technology is the processor in 76% of the systems followed by AMD Opteron in 12.6% followed POWER in 9.8% PowerXCell 8i 0,4% BQC, 1,0% PPC 440/450, 2,2% PPC 970, 0,2% POWER7, 2,8% POWER5/6, 3,2% Xeon SB, 2,0% November 2011 TOP500 Processor Technology SPARC, 0,4% Opteron DC, 0,4% Opteron QC, 3,4% Opteron 6C/8C 2,6% Opteron 12/16C, 6,2% Itanium2, 0,8% Other, 0.4% Xeon SC/DC, 1,0% Xeon QC, 27,0% Xeon 8/10C, 1,0% Xeon 6C, 45,0% Notes: POWER6 includes 2 Hitachi systems, POWER7 includes 1 Hitachi system Source: Legend Processor, % of TOP500 Systems 23

24 x86 Supercomputer heute Komponenten - 2 Sockel oder 4 Sockel Server - Intel/AMD CPUs - Rack oder Blade Formfaktor - Netzwerk - 1/10GigE - InfiniBand, Myrinet, Quadrics,... - Storage - FC, iscsi, SAN - weg von lokalen Disks - parallele Dateisysteme - Infrastruktur - Racks - Switches 24

25 x86 Supercomputer heute Netzwerk Typische Netzwerke für: - Management und Monitoring - High Performance Kommunikation - Selten dediziertes Storage Netzwerk Technologien - 1GigE, 10GigE, 40GigE - InfiniBand (DDR, QDR, FDR) - Myrinet, Quadrics, proprietäre Technologien 25

26 x86 Supercomputer heute Netzwerk ff. Management Netzwerk - Üblicherweise 1GigE / 10GigE - Monitoring - Betriebssystem- und Software-Verteilung - Kommunikationsnetz für Scheduler - remote Management von Rechenknoten 26

27 x86 Supercomputer heute Netzwerk ff. High Performance Interconnect - 1/10/40GigE und InfiniBand, selten noch Myrinet o.ä. - InfiniBand stark auf dem Vormarsch - Low Latency Kommunikation, MPI - Oft auch als Storage Netzwerk genutzt für parallele Dateisysteme (Lustre, GPFS,...) Top /2011 Statistiken - IB 42% aber 38.6% der Gesamtperformance - GigE 45% aber nur 17.7% der Gesamtperformance 27

28 x86 Supercomputer heute Netzwerk Statistik Top500 11/2011 Interconnect Family System Share 42% 45% GigE Infiniband Custom Interconnect Proprietary Cray Myrinet NUMALink Fat Tree Quadrics SP Switch Mixed 28

29 x86 Supercomputer heute Netzwerk Topologien Fat Tree (CLOS) - Populär - kann volle bisektionale Bandbreite zwischen Paaren von Knoten etablieren 2D/3D Mesh - Jeder Knoten ist mit 4 (2D) bzw. 6 (3D) weiteren Knoten verbunden - positive und negative X und Y bzw. Z (3D) Achse 2D/3D Torus - Die Enden der 2D/3D Meshes sind miteinander verbunden 29

30 x86 Supercomputer heute Software - Linux dominiert als Betriebssystem, Unix vereinzelt, Windows eher selten - Breite Masse an Cluster Systems Management Tools - Mit unterschiedlichen Stärken (CLI, GUI, Skalierung,...) - z.b.: xcat, Platform, Warewulf, Bright, MS HPC, Moab, Scyld, Scali, Rocks, Oscar, CSM - Compiler und Bibliotheken als bewährte Middleware - Intel C/C++, EKOPath, Portland, IBM XL C/C++,.. - ACML, ScaLAPACK, ATLAS, Intel MKL, ESSL/PESSL - Workload Manager und Scheduler - Moab, PBS Pro, LSF, SGE, Maui, Torque, LoadLeveler - Monitoring und Eventanalyse - Ganglia, Nagios, IBM Director, Moab, self-written - Sehr viel OpenSource 30

31 Trends und Herausforderungen - GPGPU und Beschleuniger - Intel MIC, Intel Atom - Kommunikationsnetze und Topologien - Sehr schnelle und verlässliche, parallele Dateisysteme - Silent Data Corruption vs - End-to-End Data Integrity 31

32 Nov11 TOP500 Processor Family Trend Major Processors Only System Count Jun01 Nov01 Jun02 Nov02 Jun03 Nov03 Jun04 Nov04 Jun05 Nov05 Jun06 Nov06 Jun07 Nov07 Jun08 Nov08 Jun09 Nov09 Jun10 Nov10 Jun11 Source: POWER Sparc Intel x86 Itanium Other Opteron 32

33 Trends und Herausforderungen ff. Exascale Computing nächste Generation des Supercomputing - Energie/Kühlung, RAS, Programmiermodelle sind bereits heute herausfordernd - Hinzu kommt die Explosion der Daten solcher Systeme Arten massiv-paralleler Workloads Compute Intensive Data Intensive Network Intensive 33

34 Trends und Herausforderungen... für wirklich große HPC Systeme (ExaScale) Energieeffizienz (heute: 1MW == 1M /Jahr Energiekosten) Programmierbarkeit und Skalierbarkeit - Frequenzen steigen nicht mehr - Mehr Parallelität benötigt - Bandbreiten im System müssen balanciert werden - Shared Memory vs. Beschleuniger Modell - Code Debugging Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit Daten-Management und Aufwand für das Speichern/Bewegen von Daten - Explosion der Daten - Life Cycle Management - Bandbreiten und Latenzen - Checkpointing 34

35 LRZ Procurement Source: LRZ

36 x86 Supercomputer LRZ SuperMUC ** Illustration 36

37 SuperMUC Proposed Architecture Dense HPC Cluster with QDR/FDR10 Infiniband Interconnect Island configuration of minimal 8K cores Scalable for up to 36 islands IB blocking ratio within islands of 1:1 IB blocking ratio between islands of 1:4 in phase 1 Special requirement on IB blocking ratio of appr. 1:1 for I/O island to get maximum bandwidth 18 thin compute node islands 1 island as migration island and later used as fat compute island 1 island with GPFS I/O and services and login nodes Fully warm water cooled system for thin compute nodes to support free cooling 37

38 SuperMUC Executive Summary Next PetaFLOP Computer in Germany in Gauß-Center Fastest Computer in Germany in 2011/ Nodes with 2 Intel SandyBridge-EP CPUs 207 Nodes with 4 Intel Westmere-EX CPUs 9531 Nodes with total CPUs / Cores 3 PetaFLOP/s Peak Performance 324 TB Memory InfiniBand FDR10 Interconnect Large File Space for multiple purpose 10 PetaByte File Space based on IBM GPFS with 200GigaByte/s aggregated I/O Bandwidth 2 PetaByte NAS Storage with 10GigaByte/s aggregated I/O Bandwidth No GPGPUs or other Accelerator Technology Innovative Technology for Energy Effective Computing Hot Water Cooling Energy Aware Scheduling with xcat and LL Most Energy Efficient high End HPC System PUE 1.1 Green IT Linux powered

39 Phase1 Major steps Migration System (SuperMIG) by end of July/2011 Main System (SuperMUC) by end of June/2012 Integration of migration system into main system Q3/

40 Was macht die Komplexität aus? - ~ DIMM Module - ~ CPUs - ~ optische Kabel - ~ IP Adressen - ~ Festplatten - Skalierbare Software und Programmiermodelle 40

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