解讀至強5500在高性能計算的應用

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在高性能計算領域，很多用戶對于HPC方案的需求是相類似的，不管你是在制造、能源、生命科學行業(yè)，還是用HPC來進行財務金融分析、天氣預報預測或數(shù)字內(nèi)容創(chuàng)建。

不同的應用 相似的需求

    雖然不同用戶的高性能計算應用不一樣，但卻有著相似的需求。首先，最重要的一點就是，HPC用戶對于計算性能的追求是永無止境的，因為我們總是希望在最短的時間里，對更大、更復雜的計算模型進行模擬、分析，并將計算結果通過可視化的方式呈現(xiàn)出來。然而，我們卻不想因此增加對數(shù)據(jù)中心供電、散熱或機房空間方面的投資。

    其次，HPC用戶總是希望計算性能可以馬上獲得，而盡可能不需要進行重新購買或開發(fā)軟件。或者，即便需要花費精力和時間來針對一個新的架構進行軟件并行化或優(yōu)化，他們也希望今天的工作可以滿足到未來的需求，投資可以得到一定的保護。

    最后還有一點就是，HPC用戶希望盡可能簡化集群的選型、配置和管理維護工作。對于小型或部門級用戶來說，因為沒有多余的IT人員，不希望HPC配置管理太難；而對于大型機構而言，同樣也希望把時間和精力都盡可能用到創(chuàng)新上面去，而不是整天圍著機器的管理維護轉來轉去。

    2009年3月份英特爾最新推出的至強5500系列處理器（代號Nehalem-EP）在滿足HPC用戶上述需求時將扮演關鍵的角色。首先，這一全新的架構能夠幫助HPC用戶更“智能”、更高效、更快速地實現(xiàn)性能提升；其次，Intel的“Cluster Ready”計劃能夠幫助各類企業(yè)簡化新架構集群的選型、配置和管理工作；同時，英特爾還向用戶提供一系列的軟件開發(fā)工具，可以幫助用戶進行性能調優(yōu)，以使得用戶今天圍繞多核進行并行化、應用優(yōu)化等方面的工作能夠在未來的“眾核”時代繼續(xù)受益。

3倍的性能和帶寬提升

    其實，許多HPC用戶從上一代架構或友商的架構向至強5500轉換，就會立刻感受到新架構帶來的巨大性能提升。而且用戶很少、甚至不需要在軟件開發(fā)方面做些什么。對此，英特爾內(nèi)部的基準測試表明，跟前一代四核英特爾架構相比，至強5500在制造、建模、地震模型等方面可以獲得超過3倍以上的性能提升。

    這些性能的提升主要得益于英特爾至強5500的“智能”特性。比如，由于可以對內(nèi)核、線程、緩存、接口、電源進行動態(tài)的管理，使得用戶可以根據(jù)自己的需要來提高性能、降低能耗。另外，英特爾智能加速技術（Intel Turbo Boost Technology）可以通過提高處理器主頻的辦法來提高單線程應用的性能；而英特爾超線程技術（Intel Hyper-Threading Technology）可以讓用戶在每個處理內(nèi)核上運行多個線程，從而實現(xiàn)總體應用性能的提升，重要的是，這只需要增加一點點功耗就行。

    由于新架構的內(nèi)存帶寬也實現(xiàn)了大幅增加，這對于內(nèi)存密集型應用來說是非常不錯的。新架構集成了內(nèi)存控制器，從而可以提供3通道直連DDR3內(nèi)存。另外，英特爾快速通道互聯(lián)技術（Intel QuickPath Technology）可以在處理器之間實現(xiàn)點對點高速傳輸，而I/O hub可以讓每顆處理器快速地訪問連接到其他處理器的內(nèi)存?？偟膩碚f，跟上一代雙路系統(tǒng)相比，這些變化使得內(nèi)存帶寬提高了3倍以上。

    由于在提高處理器性能的同時也增加了內(nèi)存帶寬，這種新架構從而可以為用戶提供一種均衡的平臺。HPC用戶還可以通過集成使用新的英特爾固態(tài)硬盤、和英特爾以太網(wǎng)服務器集群卡（Ethernet server cluster adapter）來進一步提高I/O的傳輸速率。這些新技術的使用最終帶來的將不只是一部分代碼的性能優(yōu)化，而是HPC總體應用性能的持續(xù)“飛躍”。

無需增加功耗或占地面積

    新的架構雖然提高了性能，但卻幫助服務器系統(tǒng)減少了功耗和占地面積。由于每時鐘周期內(nèi)可以執(zhí)行更多的指令，所以處理器可以比以往更快速地完成更多的工作。這一架構同時也提供了多種功耗狀態(tài)（power states），能夠在這些狀態(tài)之間實現(xiàn)快速切換，比前一代架構的系統(tǒng)閑置功耗也要低不少，從而使得處理器可以更充分的使用電能。因此，至強5500是迄今為止IA架構中每瓦特性能最高的一代平臺。

    同時，新架構也有助于減少HPC集群的體積，提高部署密度。由于在相同的機房空間里能夠“堆疊”更多的服務器，這對于正打算更新數(shù)據(jù)中心的HPC用戶來說是非常不錯的選擇。

軟件也不能少

    對于許多HPC用戶來說，至強5500無須任何軟件開發(fā)就能夠“立馬”獲得性能的飛速提升。但是對于那些準備對這一架構或未來架構進行并行化或應用優(yōu)化的用戶或軟件開發(fā)商而言，還是需要做一些事情的。

    英特爾為此提供了全系列軟件開發(fā)工具，包括線程分析工具、C++和Fortran編譯器和其它性能調試工具套件、性能庫及群集工具包等開發(fā)工具。這些工具可以幫助改善應用軟件編程能力，減少開發(fā)、管理和維護HPC應用方案的時間，還能有效地增加應用的可移植性，允許用戶在不同的集群系統(tǒng)之間轉換代碼。

    比如，英特爾線程分析工具包括線程檢查器、線程檔案器和線程構建模塊，使用這些線程工具可以加速并簡化多線程應用程序的開發(fā)與維護。這些工具幫助快速找到并糾正線程錯誤，并能確定多線程軟件中的性能瓶頸。而VTune性能分析器可通過圖形用戶界面輕松優(yōu)化應用性能，而且無需重新編譯。

    總之，英特爾的軟件開發(fā)工具還能幫助程序員不斷擴展和優(yōu)化性能。通過使用工具對某個應用進行正確的并行化之后，程序員能夠為將來的平臺做好充分的準備。也就是說，今天的投資在未來還能繼續(xù)獲得回報。

“Cluster Ready”簡化HPC采購部署

    另外，值得一提的是，英特爾在2007年6月還推出了Cluster Ready計劃，對許多硬件廠商和軟件廠商的產(chǎn)品進行兼容性認證，讓用戶在搭建集群方面不會那么費心。Intel Cluster Ready可以幫助用戶在采購和使用新平臺時更加簡單——選購經(jīng)過Intel Cluster Ready 認證的應用軟件和集群系統(tǒng)，可以確保硬件平臺和軟件應用之間的互操作性，獲得性能提升和穩(wěn)定可靠的平臺。

    綜上所述，只要人類想讓碰撞試驗的精度越來越高，想找到新的能源，想提高基因分析的效果，想加速商業(yè)分析，預測更大的氣候模型或者創(chuàng)造更好的3D影像，HPC的發(fā)展就不會停步。而全新的英特爾至強5500系列處理器、英特爾的軟件開發(fā)工具以及Intel Cluster Ready 集群認證計劃，都是英特爾為了滿足HPC用戶需求而努力的結果。