解讀最新TOP500排行榜MPP結構略勝Cluster,四核主流地位不變

文/杜曉梅 王廣益 李利

解讀最新TOP500排行榜MPP結構略勝Cluster,四核主流地位不變

文/杜曉梅 王廣益 李利

第35屆全球超級計算機TOP500排行榜于2010年5月31日在德國漢堡舉行的SC10大會上發布。排名第一的仍是美國Cray公司研制的“美洲豹”系統；中國曙光公司制造的“星云”超級計算機以1.27Pflops的Linpack性能和2.98Pflops的峰值性能排名第二。

TOP10重點分析

在TOP10系統中，IBM公司占有4臺（一臺“走鵑”和三臺“藍色基因”），Cray公司擁有2臺（“美洲豹”和“海怪”），SGI、Sun以及中國的曙光公司和國防科技大學各占有一臺。但必須指出，我國所制造兩臺系統（“星云”和“天河”）的核心部件CPU和GPU仍是源自美國的Intel、AMD以及NVIDIA公司。由此可見，美國在高性能計算領域的綜合技術實力是無可比擬的。

三種技術路線并存

從技術路線來看，TOP10系統可分為三種技術路線：一是基于高性能通用CPU；二是基于低功耗嵌入式CPU；三是基于通用CPU+加速器（或稱協處理器）。

采用第一種技術路線的系統有4臺。其中，Cray公司的“美洲豹”和“海怪”系統基于AMD六核2.6GHz Opteron處理器；SGI公司的“昴宿星”和Sun公司的“紅色天空”系統則是基于Intel四核EM64T Xeon處理器（型號和頻率不同）。

采用第二種技術路線的系統有3臺。它們都屬于IBM“藍色基因”系列，都是基于低功耗嵌入式PowerPC處理器，其中2臺“藍色基因/P”系統基于850MHz PowerPC 450處理器，1臺“藍色基因/L”系統基于700MHz PowerPC 440處理器。

采用第三種技術路線的系統也有3臺。它們分別為IBM公司的“走鵑”以及我國曙光公司的“星云”和國防科技大學的“天河”系統。所不同的是，作為2008年世界首臺Linpack實測性能突破千萬億次大關的IBM“走鵑”系統采用Cell處理器（最初用于索尼公司的PS游戲機）作為加速器，而我國的“星云”和“天河”系統則是利用GPU來實現加速。具體地說，“走鵑”是AMD Opteron CPU+ PowerXCell 8i；“星云”是Intel X5650 CPU+NVIDIA Tesla C2050 GPU；“天河”是Intel E5540 CPU+AMD/ATI Radeon 4870 GPU。

表1 TOP10系統對比（性能單位：Tflops；能效單位：Mflops/W）

MPP結構略勝Cluster

從大的體系結構來看，TOP10系統分為兩種：MPP（大規模并行處理）和Cluster（機群）。其中，采用MPP結構的系統有6臺——Cray“美洲豹”和“海怪”、三臺IBM藍色基因機器、SGI“昴宿星”；采用Cluster結構的機器有4臺——曙光“星云”、IBM“走鵑”、國防科大“天河”、Sun“紅色天空”。

MPP結構的系統又分為基于高性能通用多核CPU（Cray、SGI系統）和基于低功耗嵌入式CPU（IBM藍色基因系統）。

Cluster結構則分為同構（只用一種CPU，Sun“紅色天空”）和異構（CPU+GPU或Cell，“星云”、“天河”和“走鵑”）。

商用互連和專用互連平分秋色

從互連技術來看，TOP10系統采用商用互連和專用互連的機器各占一半。其中，“星云”、“走鵑”、“昴宿星”、“天河”、“紅色天空”都是采用商用Infiniband互連?！懊乐薇焙汀昂９帧毕到y采用了基于Cray專有Seastar2+芯片的高帶寬低時延互連網絡；3臺“藍色基因”系統采用基于IBM公司專有ASIC路由器芯片的三維環網。由此可見，Cluster結構的機器基本都是采用商用標準互連，而MPP結構則一般采用專用互連技術，SGI“昴宿星”MPP系統是一個例外。

在操作系統方面，TOP10系統全部采用了Linux操作系統。

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TOP500綜合分析

系統性能繼續攀升，系統規模不斷擴大

此次500臺系統的總Linpack性能從6個月前的27.6Pflops增加到32.4Pflops，一年前為22.6Pflops。TOP500進入門檻的Linpack性能為24.7Tflops，6個月前為20Tflops，一年前為17.1Tflops。TOP100的進入門檻從6個月前的47.72Tflops提高到52.84Tflops。此次排名最后一位的系統在6個月前的TOP500中位列357。其更新率遠低于平均水平，反映了目前的經濟形勢和HPC市場將出現新的產品周期。

自從2008年6月份第31屆TOP500首次出現千萬億次超級計算機（Roadrunner）以來，兩年的時間里峰值性能突破千萬億次的系統增加到7臺，其中有3臺系統的Linpack性能超過千萬億次。

最新TOP500的系統規模同上一期相比繼續擴大，系統所用內核數也發生變化，內核數在4097~8192個的系統數量最多，從六個月前的252臺增加到291臺，達到58.2%，而六個月前為252臺。系統規模在8193~16384個處理器的系統從上一次的48臺增加到57臺。而系統規模在2049~4096個處理器的系統規模繼續減少，從一年前的228臺，到六個月前的160臺，此次則減少到111臺。規模低于2048個處理器的系統已經寥寥無幾。其他規模的系統數量變化不大。

此次TOP500中平均每系統內核數從6個月前的9174個增加到10267個，一年前為8210個。此次TOP50中平均每系統內核數從6個月前的44338個增加到49080個，一年前為40871個。具體情況如表2所示。

繼續關注能效指標

此次TOP500按慣例跟蹤了500臺超級計算機的實際功耗。此次TOP500的平均功耗為397kWatt，平均能效為195Mflops/Watt（一年前為108Mflops/Watt，六個月前為125Mflops/Watt）。

表2 TOP500系統規模（性能單位：Tflops）

排名第1的Jaguar系統最高總功耗為6.95Mwatt。TOP10的平均功耗為2.89Mwatt（一年前為2.45MWatt），平均能效為300Mflops/Watt（一年前為280Mflops/Watt）。

能效最高的系統主要基于：采用IBM PowerXCell 8i處理器的Qpace機群系統，能效最高達774Mflop/Watt；IBM QS22 Cell處理器刀片系統，能效高達458Mflop/Watt；采用Intel Westmere處理器的iDataPlex系統，能效高達418Mflop/Watt。

四核主流地位不變，Intel引領發展

此次TOP500的系統中，處理器結構仍以多核處理器為主。有85%（425臺）都使用了4核處理器，有5%的系統使用了6核或以上的處理器。仍有48臺系統采用雙核處理器。

Intel無疑仍是最大贏家。在所有500臺系統中，使用Intel處理器的占了81.2%，而且在使用4核處理器的系統中，Intel的份額超過了90%。使用Intel Core i7（Nehalem-EP）處理器的系統數量增長迅速，從上次的95臺增長到此次的186臺，幾乎翻了一倍。

表3處理器制造商情況（性能單位：Tflops）

表4 TOP500系統保有量前10國家（性能單位：Tflops）

AMD Opteron系列處理器的采用率此次超過IBM，排名第二，從42臺增加到47臺，占9.4%。IBM Power處理器份額略有下降，從52臺減少到42臺，占8.4%。具體情況如表3所示。

美國仍舊一家獨大，中國系統性能再創新高

美國的領先地位依舊無人能撼，500臺系統中占了282臺（6個月前277臺）。歐洲所占份額（從152臺減少到144臺）仍遠遠超過亞洲（從51臺增加到57臺）。

亞洲系統擁有量占優勢的分別是中國（從21臺增加到24臺）、日本（從16臺增加到18臺）和印度（從3臺增加到5臺）。

在歐洲，英國的系統保有量仍位居第一，有38臺（6個月前為45臺）。法國有29臺（6個月前為26臺），超過德國（24臺，6個月前為27臺）排名第2。

中國保有的系統數持續增長，此次達到24臺，與德國持平，系統保有數排名第四，排名前三的國家依次是美國、英國和法國。而就系統總體性能值而言，中國僅次于美國之后，排名第二，超過了排名第三的德國。表4所示為系統保有量前十位的國家。

機群地位牢固，Infiniband奮起直追

機群結構仍是TOP500系統主要使用的結構，此次機群結構的系統數量繼續穩步增加，達到424臺（占85%。），六個月前為417臺，一年前為410臺。采用MPP結構的系統數量繼續減少，從六個月前的81臺減少到74臺（一年前為88臺），雖然數量不多，但仍主打高端系統。在TOP50中，MPP結構占據大半江山，數量達到28臺，在TOP100中，也有47臺系統使用了MPP結構。采用星群結構（Constellations）的系統仍為兩臺。

在操作系統方面，Linux繼續擴大優勢，以455臺的絕對優勢獨霸一方，比上一次的446臺有所增加。而且Linux系統占據高端，排名前十的系統全部采用該操作系統。Unix和Mixed的份額都有所下降。具體情況如表5所示。

表5 TOP500操作系統情況（性能單位：Tflops）

表6 TOP500互連類型（性能單位：Tflops）

采用千兆以太網（Gigabit Ethernet）的系統數量雖略有下降，但仍是使用最多的互連技術，有244臺系統使用，并廣泛應用于工業用戶。排在第2的是InfiniBand技術，有205臺系統使用。

但是，使用Infiniband技術的系統的總體性能（15.9Pflops）是使用千兆以太網技術總體性能（7.8Pflops）的2倍。

在前十臺系統中，Infiniband和專有互連平分秋色，使用臺數都為5臺。TOP50中僅有一臺系統采用千兆以太網（Gigabit Ethernet）互連技術。TOP100中有63臺系統采用Infiniband互連結構。表6所示為TOP500互連的具體情況。

為江南計算技術研究所)

本文轉載于上海超算中心內部刊物《高性能計算發展與應用》最新一期，經授權引用。