NEC SX-Aurora TSUBASA

NEC SX-Aurora TSUBASA — векторный процессор семейства архитектуры NEC SX . ^{[1] [2]} В отличие от предыдущих суперкомпьютеров SX , SX-Aurora TSUBASA поставляется в виде карты PCIe, называемой NEC «Vector Engine» (VE). ^[2] Восемь карт VE могут быть вставлены в векторный хост (VH), который обычно представляет собой сервер x86-64 , работающий под управлением операционной системы Linux . ^[2] Продукт был анонсирован в пресс-релизе 25 октября 2017 года, и NEC начала продавать его в феврале 2018 года. ^[3] Продукт приходит на смену SX-ACE .

SX-Aurora TSUBASA является преемником серии NEC SX и SUPER-UX , которые являются векторными вычислительными системами, на которых основан суперкомпьютер Earth Simulator . Его аппаратное обеспечение состоит из хостов x86 Linux с векторными движками (VE), подключенными через PCI Express (PCIe)-соединение. ^[4]

Высокая пропускная способность памяти (0,75–1,2 ТБ/с) достигается за счет восьми ядер и шести модулей памяти HBM2 на кремниевом интерпозере, реализованном в форм-факторе карты PCIe. ^[5] Функциональность операционной системы для VE выгружается в VH и обрабатывается в основном демонами пользовательского пространства, запускающими VEOS. ^[6]

В зависимости от тактовой частоты (1,4 или 1,6 ГГц) каждый ЦП VE имеет восемь ядер и пиковую производительность 2,15 или 2,45  TFLOPS в двойной точности. Процессор имеет первую в мире реализацию шести модулей HBM2 на интерпозере Silicon с общим объемом памяти с высокой пропускной способностью 24 или 48 ГБ. Он интегрирован в форм-фактор стандартной полноразмерной, полноразмерной и двухширинной карты PCIe, размещенной на сервере x86_64, Vector Host (VH). Сервер может размещать до восьми VE, кластеры VH могут масштабироваться до произвольного количества узлов. ^{[1] [7] [2]}

Версия 2 Векторный двигатель ^[8]

Версия 1 Векторный двигатель

Версия 1.0 Vector Engine была произведена по 16 нм техпроцессу FinFET (от TSMC ) и выпущена в трех SKU (последующие версии добавляют E в конце): ^[9]

Каждое из восьми ядер SX-Aurora имеет 64 логических векторных регистра. ^[10] Они имеют длину 256 x 64 бита, реализованную как смесь конвейера и 32-кратных параллельных блоков SIMD. Регистры подключены к трем блокам умножения и сложения с плавающей точкой FMA, которые могут работать параллельно, а также к двум арифметическим логическим блокам ALU, обрабатывающим операции с фиксированной точкой, и конвейеру деления и квадратного корня. ^[10] Принимая во внимание только блоки FMA и их 32-кратный параллелизм SIMD, векторное ядро ​​способно выполнять 192 операции двойной точности за цикл. ^[10] В «упакованных» векторных операциях, где два значения одинарной точности загружаются в пространство одного слота двойной точности в векторных регистрах, векторный блок обеспечивает вдвое больше операций за такт по сравнению с двойной точностью.

Скалярный процессор (SPU) обрабатывает невекторные инструкции на каждом из ядер.

Память процессора SX-Aurora TSUBASA состоит из шести модулей памяти HBM2 второго поколения с высокой пропускной способностью, реализованных в том же корпусе, что и ЦП, с помощью технологии Chip-on-Wafer-on-Substrate. В зависимости от модели процессора модули HBM2 представляют собой 4- или 8-кристальные 3D-модули емкостью 4 или 8 ГБ каждый. Таким образом, процессоры SX-Aurora имеют либо 24 ГБ, либо 48 ГБ памяти HBM2. Модели, реализованные с большими модулями HBM2, имеют пропускную способность памяти 1,2 ТБ/с. ^[11]

Ядра векторного двигателя совместно используют 16 МБ "Last-Level-Cache" (LLC), кэш обратной записи, напрямую подключенный к векторным регистрам и кэшу L2 SPU. Размер строки кэша LLC составляет 128 байт. Приоритет сохранения данных в LLC может в некоторой степени контролироваться программно, что позволяет программисту указывать, какие из переменных или массивов должны сохраняться в кэше, функция, сопоставимая с функцией Advanced Data Buffer (ADB) NEC SX-ACE .

В настоящее время NEC продает векторный двигатель SX-Aurora TSUBASA, интегрированный в четыре платформы: ^{[12] [9]}

• A111-1: ПК в корпусе Tower с одной картой VE типа 10B
• A101-1: ПК в корпусе Tower с одной картой VE типа 10CE
• A311-4: масштабируемый сервер Xeon с двумя сокетами, высотой 1U и высотой 19 дюймов, монтируемый в стойку, оснащенный четырьмя картами VE типа BE
• A311-8: масштабируемый сервер Xeon с двумя сокетами, высотой 4U и высотой 19 дюймов, с возможностью установки в стойку и возможностью установки до восьми карт VE типа BE
• A511-64: 19-дюймовая стойка, оборудованная 64 VE типа AE. Это единственная конфигурация, которая явно продается как суперкомпьютер.

В узле VH VE могут взаимодействовать друг с другом через PCIe. Большие параллельные системы, созданные с помощью SX-Aurora, используют Infiniband в настройке PeerDirect в качестве межсоединения.

NEC также продавала векторный двигатель SX-Aurora TSUBASA, интегрированный в пять платформ:

• A100-1: ПК в корпусе Tower с одной картой VE типа 10C.
• A300-2: сервер Skylake высотой 1U с одним сокетом, монтируемый в стойку, оснащенный двумя картами VE типа 10B или 10C.
• A300-4: двухпроцессорный сервер Skylake высотой 1U, монтируемый в стойку, оснащенный четырьмя картами VE типа 10B или 10C.
• A300-8: двухпроцессорный сервер Skylake высотой 4U, монтируемый в стойку, с возможностью установки до восьми карт VE типа 10B или 10C.
• A500-64: стойка, оборудованная процессорами семейства Intel Xeon Silver 4100 или Intel Xeon Gold 6100 и 32, 48 или 64 виртуальными средами типа 10A или 10B. ^[13]

Все типы имеют исключительно воздушное охлаждение, за исключением серии A500, в которой также используется водяное охлаждение.

Операционная система векторного движка (VE) называется «VEOS» и полностью выгружена в хост-систему, векторный хост (VH). ^[14] VEOS состоит из модулей ядра и демонов пользовательского пространства, которые:

• управлять процессами VE и их планированием на VE
• управлять адресными пространствами виртуальной памяти процессов VE
• обрабатывать передачи между памятью VH и VE с помощью механизмов VE DMA
• обрабатывать прерывания и исключения процессов VE, а также их системные вызовы. ^[15]

VEOS поддерживает многозадачность на VE, и почти все системные вызовы Linux поддерживаются в VE libc. ^[15] Выгрузка служб операционной системы в VH смещает дрожание ОС от VE за счет увеличения задержек. ^[15] Все пакеты, связанные с операционной системой VE, лицензируются в соответствии с GNU General Public License и опубликованы на github.com/veos-sxarr-nec .

Для разработчиков и клиентов NEC доступен комплект разработки программного обеспечения. Он содержит фирменные продукты и должен быть приобретен у NEC. SDK содержит:

• Компиляторы C, C++ и Fortran, которые поддерживают автоматическую векторизацию и автоматическое распараллеливание, а также OpenMP. ^[16]
• Инструменты оптимизации производительности: ftraceviewer и veperf. ^[17]
• Оптимизированные численные библиотеки для VE: BLAS, SBLAS, LAPACK, SCALAPACK, ASL, Heterosolver. ^[18]

NEC MPI также является собственной реализацией и соответствует спецификации стандарта MPI-3.1. ^[19]

Можно создавать гибридные программы, которые используют VE в качестве ускорителя для определенных функций ядра хоста, используя C-API разгрузки VE. ^[20] В некоторой степени разгрузка VE сравнима с OpenCL и CUDA, но обеспечивает более простой API и позволяет разрабатывать ядра на обычных языках C, C++ или Fortran и использовать практически любые системные вызовы в VE. ^{[ требуется ссылка ]} Привязки Python к VEO доступны на github.com/SX-Aurora/py-veo .

¹ Коллекция числовых библиотек NEC — это коллекция математических библиотек, поддерживающая разработку программ численного моделирования.

• NEC SX-Aurora TSUBASA
• Новости и статьи для SX-Aurora Vector Engine.
• Форум NEC Aurora
• VEOS для SX-Aurora TSUBASA
• SX-Aurora: Коллекция инструментов и проектов