從未如此強(qiáng)大 AMD EPYC處理器將高性能計(jì)算推向百億億次時(shí)代

在6月的ISC 2020大會(huì)上，TOP500官方宣布了新一屆全球最強(qiáng)超算的排名。這次的TOP500榜單有很多亮點(diǎn)，去年發(fā)布的第二代AMDEPYC（霄龍）處理器在前50名中占據(jù)四席，并助力Selene超算斬獲第七名，這也是TOP500中首次使用64核128線程的處理器。

64核EPYC處理器在TOP500超算中初露鋒芒，代表著x86處理器在HPC高性能計(jì)算中的新生，這也是AMD超算逆襲的開始。因?yàn)檫^不了多久，基于EPYC處理器的新一代超算將征戰(zhàn)百億億次性能，毫無(wú)疑問會(huì)成為TOP500超算新冠軍。

泰坦超算退役 從16核到64核 AMD全新高性能計(jì)算架構(gòu)接棒

EPYC處理器進(jìn)入超算位列也頗具歷史意義，因?yàn)橐荒昵癆MD歷史上最強(qiáng)的超算Titan退役了。位于美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室ORNL的Titan泰坦超算拿下過2012年的TOP500第一，它使用的是AMD皓龍6274處理器，這是x86處理器中首款16核服務(wù)器CPU，助力超算性能登上2.7億億次。

AMD用16核處理器將HPC高性能計(jì)算推上了億億次時(shí)代，如今超算要挑戰(zhàn)的是百億億次性能，百倍的性能提升同時(shí)還要有更高的能效，這對(duì)高性能計(jì)算提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。不過AMD最終還是交出了滿意的答卷，這就要靠近年來(lái)橫空出世的全新EPYC處理器了。

2017年，AMD正式推出第一代EPYC（霄龍）處理器，一下子就做到了32核64線程。不過，32核開只是開胃菜。AMD在2019年又推出了第二代EPYC處理器，做到了64核128線程，并帶來(lái)了PCIe 4.0等全新一代技術(shù)。

64核128線程不僅創(chuàng)造了x86多核處理器的新紀(jì)錄，更是一舉將原本擠牙膏式發(fā)展的高性能計(jì)算市場(chǎng)往前推了一大步，AMD表示，數(shù)據(jù)中心的性能在2年時(shí)間里直接提升了一倍，

在當(dāng)前的時(shí)代里，人們對(duì)AI人工智能、深度學(xué)習(xí)、生命科學(xué)、藥物合成、石油勘探、天文計(jì)算等領(lǐng)域的算力要求已經(jīng)大幅提升，第二代AMD EPYC超過一倍的性能提升使得它在HPC領(lǐng)域大顯身手，開始全面接棒新一代超算平臺(tái)。

高性能算力哪里來(lái)？AMD創(chuàng)新7nm Zen2/Zen3+IF總線+小芯片設(shè)計(jì)

在半導(dǎo)體行業(yè)，大家都知道最近十年來(lái)摩爾定律一直在放緩。算力提升不是一件簡(jiǎn)單的事，那AMD又是如何做到2年間算力翻倍的呢？這還得從第二代EPYC處理器的諸多創(chuàng)新算起。

首先是全新的架構(gòu)，第一代EPYC使用了14nm工藝及Zen架構(gòu)，做到了32核64線程，這已經(jīng)是x86中的創(chuàng)舉，但當(dāng)前在用的第二代EPYC則是升級(jí)到了7nm Zen2架構(gòu)，使得IPC性能提升了15%。

與第一代Zen架構(gòu)相比，Zen2架構(gòu)優(yōu)化了L1指令緩存、操作緩存容量翻倍、浮點(diǎn)單元數(shù)據(jù)位寬翻倍，同時(shí)L3緩存翻倍到16MB，64核EPYC處理器輕松擁有128MB L3緩存，遠(yuǎn)高于對(duì)手標(biāo)準(zhǔn)。

在這樣的改進(jìn)下，Zen2架構(gòu)的性能相比前代有了明顯提升，同時(shí)憑借7nm工藝帶來(lái)的高能效優(yōu)勢(shì)降低了功耗，同樣在225W TDP下也能做到64核128線程，提高了HPC高性能計(jì)算的能效。AMD六年前定下的25x20能效目標(biāo)提前就完成了，7nm Zen2功不可沒。

此外，AMD的CPU路線圖是一以貫之的。2019年是7nm Zen2，今年還會(huì)有Zen3架構(gòu)，雖然官方還沒公布具體數(shù)據(jù)，但性能可期。

在今年5月份的財(cái)務(wù)分析師大會(huì)上，AMD又正式宣布了Zen4架構(gòu)，面向未來(lái)的5nm工藝，預(yù)計(jì)會(huì)在2022年問世，首發(fā)用于第四代EPYC處理器Genoa（熱那亞），這將會(huì)是新一代超算的又一個(gè)重要選擇。

光是先進(jìn)的工藝和架構(gòu)也不行，支撐第二代EPYC處理器提升到64核128線程的還有全新的Chiplet小芯片設(shè)計(jì)，這也是AMD在x86處理器上的一個(gè)創(chuàng)舉——將CPU核心與IO核心分離，前者使用7nm工藝制造，后者使用14nm工藝制造，集成了不同數(shù)量的DDR主控、PCIe主控、IF總線等IO單元。

這樣一來(lái)，EPYC處理器就可以擺脫之前的束縛，超多核心極具靈活性，從8核到64核處理器就像是搭積木一樣，1個(gè)IO模塊可以連接多個(gè)CPU模塊，64核只要1個(gè)IO模塊、8個(gè)CPU模塊即可。

Zen2架構(gòu)與小芯片設(shè)計(jì)完成之后，AMD的高性能EPYC還欠一股東風(fēng)，那就是Infinity Fabric總線技術(shù)。它是CPU核心之間、CPU與IO核心之間的關(guān)鍵，從第一代的10.7GT/s速率提升到了18GT/s，4路插槽并行的話可獲得202GB/s的超高帶寬，是64核EPYC處理器發(fā)揮性能的關(guān)鍵之一。就好像高速公路一樣，有了它，超級(jí)能裝的EPYC處理器才能跑得更快，運(yùn)載的“數(shù)據(jù)”越多。

EPYC處理器沖刺新一代超算 搶占2百億億次性能制高點(diǎn)

上面所說的EPYC三大性能改進(jìn)還只是AMD高性能架構(gòu)中的一部分，其他的還有PCIe 4.0，第二代EPYC是首個(gè)面向PCIe 4.0技術(shù)而生的高性能處理器，總計(jì)128條PCIe 4.0通道，不論數(shù)量還是帶寬，這賦予了高性能計(jì)算極高的擴(kuò)展性，搭配新一代計(jì)算卡、FPGA及網(wǎng)絡(luò)芯片都是如虎添翼。

基于這些全面性的提升，AMD的EPYC處理器很快就獲得了各大超算中心的青睞，這兩年來(lái)使用EPYC芯片的超算不下于20多臺(tái)，今年進(jìn)入TOP500的就有10臺(tái)，而且這個(gè)名單還在不斷地?cái)U(kuò)大中。

在這些超算中，最強(qiáng)大的兩臺(tái)是Frontier及El Capitan，前者是AMD聯(lián)合Cray公司為美國(guó)能源部橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室打造的超算系統(tǒng)，浮點(diǎn)性能可達(dá)150億億次，而El Capitan則是AMD聯(lián)合HPE為勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）打造的，浮點(diǎn)性能可達(dá)200億億次。

這兩臺(tái)超算的性能都超過了百億億次，El Capitan甚至翻倍到了200億億次，是人類有史以來(lái)最強(qiáng)大的超算，它們使用的都是新一代EPYC處理器，前者預(yù)計(jì)在2021年問世，El Capitan預(yù)計(jì)在2023年問世，屆時(shí)無(wú)疑會(huì)改寫TOP500超算排名。

總之，在HPC高性能計(jì)算領(lǐng)域，隨著AI時(shí)代的到來(lái)，人們對(duì)算力的需求是無(wú)窮無(wú)盡的。現(xiàn)在的矛盾是如何高效率地提升算力，而AMD EPYC處理器憑借先進(jìn)的工藝、架構(gòu)、小芯片設(shè)計(jì)及PCIe 4.0的領(lǐng)先，已經(jīng)領(lǐng)先業(yè)界一步，將超級(jí)計(jì)算機(jī)的算力推向了百億億次時(shí)代。未來(lái)在算力提升的道路上，AMD EPYC將如何改寫市場(chǎng)格局，無(wú)疑是非常值得期待的。