Тенденции развития вычислительных узлов современник суперкомпьютеров

Abstract

В данной работе выполнен анализ вычислительных узлов современных суперкомпьютеров с двух точек зрения — аппаратно-компонентной и инфраструктурной. На основании проведённого анализа названы основные конструктивные элементы, которыми должен быть оснащен современный вычислительный узел. В статье приведены классификации архитектур современных универсальных и специализированных ядер с примерами; проведен обзор современных тенденций организации подсистемы памяти и внутриузлового интерконнекта; упомянуты способы использования энергонезависимых устройств хранения на узлах при организации современных высокопроизводительных систем хранения. Также разобраны основные требования к организации инфраструктуры узла современного суперкомпьютера, в частности, дана краткая классификация современных подходов к организации жидкостного охлаждения и мониторинга вычислительных узлов. Выявленные тенденции приводят к основным вариантам дизайна вычислительных узлов, состоящих из энергоэффективного универсального процессора и совокупности энергоэффективных специализированных ускорителей. В статье сделан акцент на современных технологиях, которые достигли стадии выхода в производство или, как минимум, создания рабочих прототипов. Обсуждаются современные суперкомпьютерные задачи и их отображение на архитектуру вычислительных узлов. В заключении приведено кратное обсуждение актуальных технологических проблем и основных направлений для сохранения прогресса в компьютерной отрасли. This work includes analysis of the computation nodes of modern supercomputers from two perspectives; first the hardware components focus and secondly discuss the infrastructure. Identified trends leads to basic options of computation node design. The paper classifies the modern architectures of universal processing cores and specialized hardware accelerators cores; studies the recent trends in memory hierarchy design and intra-node interconnect; the paper includes ways of using the non-volatile memory in modern memory hierarchy. Furthermore, the paper analyses the recent trends in HPC infrastructure, in particular in modern liquid cooling approaches and monitoring. The basic variants of HPC computing nodes design are based on energy efficient universal processor and set of energy-efficient specialized hardware accelerators cores, according to the observed trends. The paper focuses on recent technologies that are currently at various stages of production or at the functional prototype stage. The study also discusses state-of-the-art computational challenges and algorithms-to-architecture mapping issues. Lastly, the paper discusses the current technological problems and main areas to maintain the progress in HPC area.