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超级计算机天河二号的组成结构

  天河二号由16000个节点组成,每个节点有2颗基于Ivy Bridge-E Xeon E5 2692处理器和3个Xeon Phi,累计共有32000颗Ivy Bridge处理器和48000个Xeon Phi,总计有312万个计算核心。


  每个Xeon Phi使用其中的57个核心,而不是使用全部的61个,因为使用61个在运算周期协调方面会有问题,而使用57个核心能够加速4个执行线程,并且在每个线程单周期可以达成4Gflops的运算量,运行在1.1GHz的Xeon Phi可以生产1.003 Tflops的双精度运算能力。如果考虑CPU,2 Ivy Bridge * 0.2112 Tflop/s + 3 Xeon Phi * 1.003 Tflop/s=3.431 Tflops,2个Ivy Bridge+9个Xeon Phi单个节点可以有3.431 Tflops运算能力,16000个节点总计可达54.9PFlops性能。每个运算节点有256GB主存、而每个Xeon Phi板载8GB内存,因此每个节点共有88GB内存,总计16000个节点一共有1.404 PB内存,而外部存储器容量方面更是高达12.4PB.


超级计算机天河二号的组成结构


  在每个主板上有2个计算节点,而每个框架则有16个主板,4个框架组成一个机柜,整个系统由125个机柜组成。每个计算节点主板分为两块,一块CPU一块APU,CPU上有4核Ivy Bridge、内存和一个Xeon Phi协处理器,而APU基板上则承载着5个Xeon Phi协处理器.CPU和APU之间有5个水平插入的链接口,由Ivy Bridge内置的PCI-E 2.0进行连接,虽然Ivy Bridge内置为PCI Express 3.0接口,但Xeon Phi仅支持2.0,单个通路为10Gbps带宽。


  计算节点的前端处理器为4096个FT-1500处理器, FT-1500处理器是由国防科技大学为天河1研发,其可以说是天河1项目的最大收获,其为16核心的Sparc V9架构处理器,在40nm工艺情况下运行频率为1.8Ghz,峰值性能为144 Gflops/s,功耗为65W,但相比英特尔22nm 12核 2.2GHz 211Gflops/s性能的Ivy Bridge还是有明显差距。


  天河二互联方面采用自主研发的 Express-2 内部互联网络,其为有13个交换机,而每个交换机有576个端口。连接介质为光电混合。具体控制器是名为NRC的ASIC专用目的集成电路,其采用90nm工艺,封装尺寸为17.16x17.16 mm,共有2577引脚。单个NRC的吞吐能力为2.56Tbps.而在终端方面网络接口也采用类似结构的NIC,但规模稍小,为10.76x10.76 mm, 675 pin,其采用PCIE 2.0方式连接,传输速率为6.36GB/s.并且在在12000节点的情况下延迟也很低,仅为85us.


  而在计算能力方面,使用14336个节点 总计50GB内存进行LINPACK测试,理论性能为49.19Pflops,而实际测试性能为30.65Pflops,效率为62.3%.这个效率并不算高,还有很大优化提升潜力。当然也可能是被Xeon phi仅支持PCI Express 2.0带宽不足限制。


  上面测试使用了16000个节点中的14336个,运用了90%的规模,基本可以代表天河2的整体性能表现。天河2的性能部件(处理器、内存、互联)整体功耗为17.6MW,而整体的运算能力为30.65PFlops,这样计算每瓦的性能为1.935Gflops,这个性能/功耗比可以排在超算TOP500的前五,其整体性能/功耗比十分出色。


  系统的整体功耗为17.6 MW,并且这个功耗还不包括水冷这样的散热系统,如果考虑上整体功耗将高达24MW,广州国家超算中心将采用城市供水系统构建高散热效能的冷却系统,有能力可以提供80KW系统的散热能力。

  天河二号超级计算机系统由170个机柜组成,包括125个计算机柜、8个服务机柜、13个通信机柜和24个存储机柜,占地面积720平方米,内存总容量1400万亿字节,存储总容量12400万亿字节,最大运行功耗17.8兆瓦。天河二号运算1小时,相当于13亿人同时用计算器计算一千年,其存储总容量相当于存储每册10万字的图书600亿册。相比此前排名世界第一的美国“泰坦”超级计算机,天河二号计算速度是“泰坦”的2倍,计算密度是“泰坦”的2.5倍,能效比相当。与该校此前研制的天河一号相比,二者占地面积相当,天河二号计算性能和计算密度均提升了10倍以上,能效比提升了2倍,执行相同计算任务的耗电量只有天河一号的三分之一。

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超级计算机天河二号研究历程

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