Ein kleiner Einblick in die Welt der Supercomputer. Christian Krohn

Transkript

1 Ein kleiner Einblick in die Welt der Supercomputer Christian Krohn

2 Vorschub: FLOPS Entwicklung der Supercomputer Funktionsweisen von Supercomputern Zukunftsvisionen 2

3 Ein Top10 Supercomputer kostet fast 100Mio lohnt sich das? Welchen Nutzen haben wir davon Simulationen von komplexen Vorgängen z.b. Klimamodelle, Medizinische Forschung, Physik, Raumfahrt, Militär u.v.m. 3

4 Floating Point Operation per Second Addition und Multiplikation von Fließkommazahlen Benchmark LINPACK (Linear Algebra Package) Routinen zur Lösung linearer Gleichungssysteme und anderer numerische Verfahren 4

5 Leistungsfähigkeit von Prozessoren (Systemen) Umstritten wegen unterschiedlicher Implementierungen (Schaltnetze) Vektorprozessoren (u.a. GPU s) erreichen sehr hohe Werte: NVIDIA GeForce GT GFLOPS Core i7 3,33Ghz 6 Kerne bis zu 80 GFLOPS 5

6 Moore-Kurve Verdopplung der Rechengeschwindigkeit alle Monate 6

7 1941 Zuse Z3 2 FLOPS Erster frei programmierbarer digitaler Rechner, konnte zwei Additionen pro Sekunde ausführen 1976 Cray FLOPS Legendärer SC über 80 Stück verkauft in vielen Anwendungsbereichen 2002 NEC Earth Simulator FLOPS Über 2 Jahre der schnellste Rechner der Welt (Globale Klimamodelle, Geophysik) 2008 IBM Roadrunner FLOPS Erforschung der Alterung Radioaktiver Stoffe / Sicherheit alternder Kernwaffen und Simulationen in vielen anderen Bereichen 2010 Tianhe-1A FLOPS Derzeit leistungsstärkster Supercomputer der Welt in China (2012+) Fujitsu baut SC in Japan an einem 10 PetaFLOPS System (2012) IBM baut für die US-Energiebehörde ein 20 PetaFLOPS System 7

8 Quelle: 8

9 deutsches-museum.jpg 9

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13 Alle modernen SC sind Parallelrechner Physikalische Grenzen machen zu hohe Taktraten unmöglich Operationen werden auf mehrere CPU s verteilt Programmierung sollte auf einzelne Parallel arbeitende Prozessoren abgestimmt sein Je mehr Prozessoren vorhanden sind, desto schneller steigt der Kommunikationsaufwand überproportional an 13

14 Ressourcen wie Festplattenspeicher und Arbeitsspeicher werden gemeinsam genutzt Die meisten modernen SC bestehen aus Skalaren Prozessorarchitekturen und Vektorprozessoren 14

15 Ein Befehl pro Prozessortakt Jeder Befehl beinhaltet mehrere Teilaufgaben z.b.: A Befehlscode laden B Instruktionen dekodieren und Daten laden C Befehl ausführen D Ergebnisse zurückgeben 15

16 Pro Takt wird nur eine Teilaufgabe ausgeführt Es werden mehrere Teilaufgaben Parallel erledigt 16

17 Führen eine Operation gleichzeitig an vielen Daten (Array/Vektor) aus Vektorprozessoren sind überlegen wenn viele Vektor und Matrizenoperationen durchgeführt werden 17

18 Y = a X + Y X und Y sind Vektoren gleicher Länge und a ein Skalar L.D F0, a ; Skalar a laden LV V1, Rx ; Vector X laden MULVS.D V2, V1, F0 ; Vector-skalarMultiplikation LV V3, Ry ; Vector Y laden ADDV.D V4, V2, V3 ; Vektor Addition SV Ry, V4 ; Resultat speichern Nur 6 Befehle für Vektorprozessoren 18

19 GPU s sind Vektorprozessoren GPGPU General Purpose Computation on Graphics Processing Unit Einbindung von GPU s in Computersysteme um CPU s zu entlasten, da diese für Vektoroperationen ein vielfaches an Befehlen ausführen müssen. 19

20 Beowulf Cluster Parallel Computing mit normaler PC Hardware Organisation mithilfe: Einer Server Node Einer oder mehrere Client Nodes Vernetzung in einem TCP/IP LAN Zerlegung des Jobs in kleinere Teile und Verteilung auf die Nodes Kommunikation zwischen den Job-Teilen durch das Message Passing Interface (MPI) 20

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22 Simulationen werden komplexer und benötigen mehr Rechenleistung Optimistische Einschätzung der Bedarfsentwicklung für Rechenzeit vom Vorstandvorsitzenden des Jülicher Forschungszentrums: Die Nachfrage nach Rechenzeit wird in den nächsten fürn Jahren um Faktor 1000 steigen. 22