浪潮HPC助力超導替代硅晶圓做芯片

　　在硅晶圓技術逐漸接近極限的今天，人們開始關注下一代計算機芯片將會采用什么材料來制作?相比量子計算機、光計算機、DNA計算機等更加超前的概念，超導計算機的可行性要大得多。日前，上海超導科技股份有限公司(以下簡稱上海超導)開始利用浪潮TS10000高性能計算集群，開發(fā)新型的超導芯片。

　　神奇的超導計算機

　　目前制成的超導開關器件，其理論上開關動作所需時間為千億分之一秒，是當今所有電子、半導體、光電器件都無法比擬的。這意味著超導計算機的運算速度將比現(xiàn)在的電子計算機快100倍，而電能消耗僅是電子計算機的千分之一。打個比方，如果目前一臺大中型計算機每小時耗電10千瓦，那么同樣計算力的超導計算機只需一節(jié)干電池就可以工作了，并且體積也只有原來的幾十分之一。

　　不過，超導計算機的實現(xiàn)還有待于科學家們對高溫乃至常溫超導材料的研究。目前，科學家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有28種元素和幾千種合金和化合物可以成為超導體，但這些超導材料最高的超導臨界溫度也要在零下140度以上?？茖W家們期望尋找到成本低廉的常溫超導材料，利用它制成超導開關器件和超導存貯器，再利用這些器件制成超導計算機，從而改變整個計算機的世界。

　　胖瘦結(jié)合，加速超導芯片研究

　　超導材料的研究離不開高性能計算機。不過，超導材料理論較為復雜，從原理上決定了對高性能計算的要求不盡相同，如Materials Studio、ADF、PWSCF等計算方法對CPU主頻和內(nèi)存帶寬要求比較高，而量化計算Gaussian則對共享內(nèi)存并行效率有更高要求，需要SMP胖節(jié)點服務器。

　　根據(jù)上海超導的應用需求，浪潮按需定制了基于英特爾?至強?E5-2600V3系列的高性能天梭TS10000集群系統(tǒng)，整套系統(tǒng)采用胖瘦節(jié)點分工、高速網(wǎng)絡和存儲結(jié)合的設計。其中，瘦計算節(jié)點為滿足高主頻和大內(nèi)存MPI并行計算應用需求，使用了浪潮2U雙路機架服務器NF5280M4，配置了2.5 GHz主頻、十二核心的E5-2680v3處理器，單節(jié)點128G內(nèi)存，可輕松處理普通計算任務。而像Gaussian、ATK/VNL、MedeA等應用，隨著計算規(guī)模的擴大，對內(nèi)存的需求將隨基函數(shù)數(shù)量的平方而增加，特別是支持Open-MP和TPC-Linda兩種并行方式的Gaussian，在選擇MP2計算方法時會產(chǎn)生大量臨時文件常駐內(nèi)存，通用計算節(jié)點將很難完成數(shù)據(jù)處理工作。為此，浪潮提供4U機架式服務器NF8460M3作為胖計算節(jié)點，配置4顆E7-4820v2處理器，內(nèi)存可擴展至2TB，滿足了大內(nèi)存并行計算的需求。

　　存儲系統(tǒng)采用浪潮TStor500存儲系統(tǒng)，提供3GB/s的聚合帶寬，在滿足Gaussian MP2等計算方法對較高IO帶寬要求的同時，也讓整個系統(tǒng)數(shù)以千計的客戶端、服務器和存儲設備之間實現(xiàn)了完全并行。同時，元數(shù)據(jù)服務器和對象數(shù)據(jù)存儲服務器在不同的服務器，兩個對象存儲服務器采用Actice-Active方式運行：元數(shù)據(jù)存儲陣列采用浪潮光纖存儲AS500H，兩個MDS元數(shù)據(jù)節(jié)點保障HA高可用;數(shù)據(jù)存儲節(jié)點采用浪潮4U機架式服務器SA5224H，全部采用高性能專用處理器，集成BMC智能控制芯片。為了與高速存儲相匹配，整個集群采用56Gb/s FDR端到端的IB交換機，在1U空間提供36端口互聯(lián)所有計算節(jié)點、管理節(jié)點、登錄節(jié)點和存儲系統(tǒng)，實現(xiàn)了超高的MPI信息傳輸率及微妙級的點對點延遲，提供更好的應用程序計算性能。

　　元數(shù)據(jù)服務器、對象存儲服務器和客戶端可以分別運行于獨立的操作系統(tǒng)中，也可以運行于一個操作系統(tǒng)內(nèi)部。最優(yōu)的解決方案是元數(shù)據(jù)服務器位于一個單獨的服務器中，對一個元數(shù)據(jù)存儲對象提供服務，單獨的對象存儲服務器為多個對象存儲對象提供服務，客戶端也位于單獨的服務器。其結(jié)構(gòu)如下圖所示，圖中為一個元數(shù)據(jù)服務器，一個對象存儲服務器，和一個客戶端的示意圖，元數(shù)據(jù)服務器服務于一個元數(shù)據(jù)存儲對象，對象存儲服務器服務于三個目標存儲對象。

　　浪潮還為并行存儲系統(tǒng)配備了自主開發(fā)的智能化、專用定制化的存儲管理界面，支持圖形化界面顯示，支持圖形化安裝與部署，可實現(xiàn)存儲資源的量化和用戶配額制。

　　此外，浪潮還為用戶配置了Cluster Engine云服務平臺及集群部署還原軟件，讓用戶管理整套集群系統(tǒng)就像管理一臺計算機一樣方便。

　　“胖瘦組合計算模式”化解超導應用難題 ，多個超導科學領域?qū)＜以诮?jīng)過實際測試后，認為浪潮為上海超導量身定制的高性能集群提供了充足的總體計算能力，節(jié)點間的數(shù)據(jù)交換和系統(tǒng)的I/O帶寬加速效果明顯，系統(tǒng)可擴展性得到充分保障。同時，浪潮針對實際運算需求開發(fā)的不同級別的軟件應用，促進了系統(tǒng)內(nèi)部服務器、存儲、應用之間最大限度趨近協(xié)同運算，顯著提高了超導材料研究應用的運行效率。