מחשוב על ביבמ: מנפצים שיאי ביצועים ועוברים ממחקר מדעי לעולם העסקי

אבי בליזובסקי

קישור ישיר לדף זה: https://www.hayadan.org.il/bluegene151104.html

רשימת 500 המחשבים החזקים בעולם: יבמ מובילה בביצועים, במספר ההתקנות, ובסך עוצמת העיבוד

"יבמ ממשיכה לשמוע על מעמדה כמובילה הברורה ברשימת 500 המחשבים החזקים בעולם, עם 43.2% מהמערכות ו- 49.3% מכושר העיבוד המותקן. HP, במקום השני, מחזיקה ב- 34.6% מההתקנות ו- 21% מהביצועים. אין עוד יצרן התופס למעלה מ- 7% בכל קטגוריה שהיא". כך קובעת המהדורה ה- 24 של רשימת 500 מחשבי העל החזקים בעולם, המתפרסמת בשיתוף פעולה בין אוניברסיטאות מנהיים בגרמניה, נוקסוויל טנסי, וברקלי קליפורניה.

מערכת הביתא של מחשב BlueGene/L של יבמ, המותקנת עבור מעבדות לורנס ליברמור של משרד האנרגיה של ארה"ב, ניצבת במקום הראשון ברשימה, עם ביצועים של 70,72 טרא-פלופס (טריליארד פעולות חישוב בשניה). במקום השני, עומד מחשב מתוצרת SGI שנבנה עבור מעבדות Ames של סוכנות החלל האמריקאית, עם ביצועים של 51.87 טרא-פלופס. טכנולוגיות חדשות המשולבות בשתי המערכוץ האלה איפשרו להן לדחוק למקום השלישי את מחשב הסימולציה של כדור הארץ, מתותר NEC, שהחזיק במקום הראשון מאז הותקן, בשנת 2002.

שינויים משמעותיים נוספים ברשימת עשרת הגדולים כוללים מערכת BlueGene נוספת, שהותקנה בספרד, התופסת את המקום הרביעי ומהווה את המחשב החזק ביותר באירופה, עם 20,53 טרא-פלופס, ומחשב "סופק-מק" המבוסס על שרתים של אפל, הניצב במקום השביעי, עם 12.25 טראפלופס.

לראשונה מאז מתפרסמת הרשימה, חצה סך כל הכוח המצטבר של המחשבים הכלולים בה את סף הפטא-פלופס, והוא עומד עתה על 1.127 מטא לעומת 813 טרא-פלופס לפני ששה חודשים בלבד.

54 מערכות ברשימה מתבססות על מעבדי POWER של יבמ – ובהן 5 בעשרת המקומות הראשונים. 48 מבוססות על מעבדי PA Risc של HP, 31 על מעבדי AMD והשאר – על מעבדי אינטל. ארכיטקטורת האשכול היא התצורה הפופולארית ביותר ברשימה, עם 296 מערכות.

בניתוח גיאוגראפי, בולטת מגמת הגידול במספר המערכות באסיה מחוץ ליפאן: הרשימה כוללת 30 מערכות ביפאן – ו- 57 במדינות אחרות באסיה. אירופה מקדימה עדיין את אסיה, עם 127 מערכות. זינוק משמעותי נרשם בתחום מחשוב העל בסין, עם 17 מחשבי על לעומת 9 בלבד לפני שנה. מספר מחשבי העל בארה"ב עלה גם הוא, מ- 247 ל- 267.

מחשוב על ביבמ: מנפצים שיאי ביצועים ועוברים ממחקר מדעי לעולם העסקי

מחשב העל של יבמ, BlueGene/L, שנבנה עבור משרד האנרגיה של ארצות הברית, רשם החודש את הביצועים הגבוהים ביותר שהושגו אי-פעם על ידי מערכת כל שהיא: 70.72 מיליארד פעולות חישוב בשניה – (teraflop/s), תוך שימוש במדד התעשייה LINPACK. למרות שלעת עתה פועל המחשב המותקן במעבדות לורנס ליברמור בקליפורניה רק ברבע מההיקף הסופי המתוכנן שלו, הוא מבטיח כבר את העליונות האמריקאית לשנים הקרובות בתחום מחשוב העל.

מחשבי על של יבמ מחזיקים במקום הראשון ברשימת 500 המערכות החזקות בעולם, שהתפרסמה החודש, ובארבעה מעשרת המקומות הראשונים. (1,4,8,9).

מערכות Blue Gene של יבמ הם מחשבי העל הנהנים משיעורי הצמיחה הגבוהים ביותר בתעשייה.

BlueGene/L הוא תוצאה של שנים ארוכות של מחקר ופיתוח משותפים ליבמ ולמעבדות מנהל אבטחת האנרגיה הגרעינית של ארה"ב. המחשב מיועד למשימות ניסויים מחשוביים שיבטיחו את הבטיחות והאמינות של מאגר הנשק הגרעיני של ארה"ב – ללא צורך בניסויים גרעיניים תת-קרקעיים.

מחשוב-על מהווה את עמוד השדרה של השיתוף בין מוסדות ממשלתיים, גופי מחקר וחברות מחשוב. משרד האנרגיה של ארה"ב הפך זה מכבר לאחד הגופים המקדמים את תעשיית מחשבי העל – בתהליך המעודד את השימוש המסחרי בטכנולוגיות האלה, וההעברה המהירה של פריצות דרך טכנולוגיות ומדעיות, המתבצעות בין השאר במעבדות יבמ – אל עולם היישום בפועל.

פתרון בעיות מדעיות בתחומי הכימיה, הפיסיקה, ומדעי החומרים, דורש יכולת עיבוד גבוהה – גם אם לעתים מציב צרכים צנועים יחסית בתחום צריכת הזיכרון. מנהל אבטחת האנרגיה הגרעינית של ארה"ב מריץ על המערכות האלה סימולציות מתקדמות ותוכניות מחשוב הבוחנות בין השאר את תהליכי ההזדקנות של כלי נשק גרעיניים. הבנת המאפיינים הפיסיקליים של חומרי הביקוע המרכיבים את כלי הנשק האלה, אפשרית באמצעות הדמייה תלת-מימדית של מבנה החומר – האפשרית בזכות המבנה המיוחד של BlueGene/L, המותאם לתמיכה בחישובים בהיקפים גדולים מאי-פעם.

השימוש ב- BlueGene/L יקצר את משך העיבוד הנדרש בשורה ארוכה של בעיות מחשוב. כך, למשל, משימת עיבוד שדרשה בשנת 2003 חודש ימים של עבודה על המחשב שדורג באותה שנה במקום השלישי ברשימת מחשבי העל בעולם – תדרוש שלושה ימים בלבד על המחשב החדש, המהווה רק רבע מהתצורה הסופית המתוכננת של BlueGene. המחשב, בתצורתו הסופית, יהיה בעל עוצמה גבוהה פי 9 ממחשב הסימולציה של כדור הארץ, הפועל כיום ביפאן – וידרוש רק שביעית מצריכת הזרם שלו, ואחד חלקי ארבעה עשר משטח הרצפה. מדדי צריכת השחמל והשטח הנדרש חשובים במיוחד למוסדות מחקר אקדמי, מפתחים תעשייתיים וגופי ממשל , הזקוקים למערכות מחשוב-על יעילות.

המחשב החזק בעולם

ב- 4 בנובמבר, הודיע משרד האנרגיה של ארה"ב כי גרסה בת 16 ארוניות-מעבדים (rack) של מחשב-על IBM eServer BlueGene הפכה למחשב החזק ביותר בעולם. גרסה גדולה הרבה יותר, BlueGene/L, מפותחת עתה ביבמ, והיא צפויה להימסר לממשל האמריקאי בשנה הבאה.

המחשב החדש מספק ביצועים מיוצבים של 70.72 טרא-פלופס, וביצועי שיא של 91.75. 16 הארוניות משלבות 16,384 צמתי עיבוד, שבכל אחד מהם שני מעבדי PowerPC – ובסך הכל 32,768 מעבדים, הפועלים במהירות 700 מגה-הרץ, ונשענים על זיכרון מרכזי של 512MB לכל צומת עיבוד. גישת תכנון חדשה ויעילה הופכת את המכונה הזאת לקומפטית פי 50 ומקטינה את צריכת הזרם שלה עד כדי 1/14 מצריכת הזרם של מחשב הסימולציה של כדור הארץ, הפועל ביפאן, ואשר החזיק עד כה במקום הראשון ברשימת מחשבי העל.

הארכיטקטורה הייחודית של יבמ מאפשרת למחשב החדש טווח מידרוג, ציפיפות, יעילות בצריכת הזרם ויחס משופר של עלות לביצועים – תוך שהוא נשען על תקני התעשייה, ועושה שימוש במערכת ההפעלה לינוקס הפועלת בקוד מקור פתוח. גודל כל אחת מארוניות המסד דומה לזה של מקרר ביתי גדול, וצריכת הזרם שלה מקבילה לסך הכל צריכת הזרם הממוצעת בבית מודרני.

על מנת להבין את עוצמת העיבוד של המחשב החדש, אפשר להשתמש בדוגמא הבאה: אם כל פעולת חישוב בודדת הייתה דורשת שניה אחת בלבד – היו נדרשות 2,219,000 שנים על מנת להשלים את פעולות החישוב אותן מבצע Blue Gene/L בשניה אחת בלבד.

כאשר יושלם המחשב הזה, בשנת 2005, צפוי הפער ממנו נהנית יבמ בצמרת מחשבי העל בעולם להתרחב ולגדול. המחשב השלם יהיה מסוגל לעבד נתונים בקצב של טראביט שלם מדי שניה – שווה ערך לתפוקת הנתונים של עשרת אלפים לווייני חיזוי מזג אוויר, למשל.

התצורה הסופית של Blue Gene/L תכלול 65,536 צמתי עיבוד, ובהם למעלה מ- 130,000 מעבדים. כל מעבד כזה כולל שתי יחידות לפקודות נקודה צפה – שהן שני מנועים נפרדים לעיבודים מתמטיים. כל שני צמתים יושבים על גבי מודול – להב עיבוד – אחד. 16 להבים כאלה נארזים ביחידת שילדה, ו- 32 יחידות מותקנות בארונית מסד בודדת.

בסך הכל, יותקנו במעבדות לורנס ליברמור 64 ארוניות מסד, שכל אחת מהן תנוהל על ידי 1,024 צמתי קלט-פלט – הכל תחת גרסה מותאמת במיוחד של מערכת ההפעלה לינוקס.

לעומת מחשב ASCI White של יבמ, שהיה בזמנו מחשב העל החזק ביותר בתחומי ארה"ב ותפס שטח דומה לזה של שני מדרשי כדור-סל, ייכנס Blue Gene/L לשטחו של חצי מגרש טניס בלבד.

פרוייקט Blue Gene/L יצא לדרך בנובמבר 2001, כאשר הוכרז על שיתוף הפעולה בין יבמ ובין מעבדות לורנס ליברמור, בהמשך, הורחב שיתוף הפעולה וכלל גם את משרד ההגנה של ארה"ב. שנתיים אחר כך, בנובמבר 2003, כבר רשם אב-טיפוס בעל 1,000 מעבדים ביצועים של 1.4 טראפלופס – שהכניסו אותו למקום ה- 73 ברשימת 400 המחשבים החזקים בעולם.

בפברואר השנה, הודיעו יבמ והקרן ההולנדית למחקר אסטרונומי, על מאמץ מחקר משותף שיתבסס על טכנולוגיית מחשוב העל של Blue Gene/L. במאי, הודיעו המעבדות הלאומיות Argonne על כוונתן לרכוש מחשב כזה. ביוני, רשם אב-טיפוס בעל 8,000 מעבדים ביצועים של 11.68 טרא-פלופס, ונכנס – יחד עם אב-טיפוס בעל 4,000 מעבדים לרשימת 500 המחשבים החזקים בעולם.

ועכשיו: הגרסה המסחרית של Blue Gene

ימים אחדים בלבד לאחר ש- Blue Gene במהדורה החלקית שלו התייצב בצמרת מחשבי העל בעולם – הודיעה יבמ על זמינותה ללקוחות של גרסה מסחרית של מחשב העל הזה. ההודעה פותחת עידן חדש בתולדות המחשוב, שבו מחשבים מקביליים-מאסיביים ארוזים ומותאמים לצרכים עסקיים: הם קטנים יותר, זולים יותר, קלים לשימוש – ומבטיחים לחולל מהפיכה בתעשיית שרתי המחשוב.

IBM eServer Blue Gene משתמש בארכיטקטורה המתקדמת של מעבדי POWER של יבמ ובטכנולוגיות קירור ותצורת אשכול מתקדמת, על מנת להציע ביצועי שיר של 5.7 טרא-פלופס ליישומים עסקיים, מדעיים ומסחריים – תוך צריכצת חלקיק משטח הקצפה שנדרש למחשבי-על מדורות קודמים. עם שטח בסיס של פחות ממטר מרובע אחד – מצעה המערכת ביצועים גבוהים פי עשרה ויותר בהשוואה למחשבי-על המוכרים והנכרים כיום בשוק.

המחשב החדש של יבמ, זמין לאספקה מידית, במחירים של החל מ- 1.5 מיליון דולר. יבמ מאפשרת לעסקים ולגופי מחקר ופיתוח גם לשכור את כוח המחשוב הזה, בהתקשרות עם אחד ממרכזי מחשוב העל שלה בארה"ב או באירופה, תוך תשלום על פי השימוש בפועל.

Blue Gene הוא תולדה של מאמץ מחקר ופיתוח ארוך שנים ביבמ, שבו הושקעו ישירות למעלה ממאה מיליון דולר. היישומים הראשונים של הטכנולוגיות הייחודיות האלה של יבמ נרשמו בעולם מחקר החלבונים ופיענוח הצופן הגנטי – מה שהוליד את השם אותו נושאת סדרת המחשבים הזאת.

יבמ משתפת פעולה עם שורת שותפים עסקיים ומפתחי תוכנה, על מנת להתאים את Blue Gene לעבודה בשורת תחומים מדעיים ועסקיים. יחד עם אוניברסיטאות, מעבדות מחקר לרומיות וגופים נוספים, מפתחת יבמ יישומים וקוד תוכנה העושים שימוש במערכת בתחומי מדעי החיים, מודלים פיננסיים, הידרו-דינמיקה, כימיה קוונטית, דינמקיה מולקולארית, אסטרונומיה ומחקר החלל, ומודלים אקלימיים. תחומי עניין נוספים בהם עוסקת יבמ ומתאימה את מערכותיה לפעולה, כוללים מחשוב סריגי (grid), כריית מידע, ניתוח סיכונים, מחקרים ובדיקות בתחום האווירודינמיקה, ותהליכי יצור.

על מנת לסייע ללקוחות ולהקל על הגישה למשאבי Blue Gene, מפתחת יבמ תוכנית ראשונה מסוגה של שימוש במרכזי מחשוב העל שלה במודל תשלום על פי דרישה, בגישה באמצעות רשת פרטית וירטואלית ייעודית לצורך זה.

מחשב-על בגודל מכשיר טלוויזיה

רמז ראשון לכוונתה להוביל את Blue Gene אל העולם המסחרי, סיפקה יבמ בשנה שעברה, כאשר הציגה מחשב-על שכל גודלו כגודל מכשיר טלוויזיה בת 30 אינטש, ואשר דורג עם הצגתו במקום ה- 73 ברשימת מחשבי-העל החזקים בעולם.

עם ביצועים של 2 טרא-פלופס – 2 טריליארד פעולות בשניה – הצליח אב הטיפוס המוקטן של מחשב Blue Gene/L מתוצרת יבמ להשתבץ במקום מכובד ברשימה – למרות שכל גודלו אינו עולה על מטר מעוקב אחד.

הגרסה המלאה של המחשב, הנבנית עתה על ידי יבמ עבור המעבדה הלאומית על שם לורנס ליברמור בקליפורניה, תהיה גדולה פי 128. עם השלמתו, בשנת 2005, צפוי המחשב הזה לעמוד בראש רשימת המחשבים החזקים בעולם.

כניסתו של Blue Gene/L לרשימת 500 המערכות החזקות בעולם מסמלת פריצת דרך באופן הבנייה של שרתי-על, העתידה להרחיב את מגוון היישומים הרצים על מכונות כאלה. המחשב הזה קטן פי עשרים משרתים בעלי ביצועים דומים דוגמת תצורות אשכול של מערכות לינוקס. 2 טרא-פלופס של עוצמת מחשוב דורשים כיום חדרי מחשב שלמים, ועשרות ארוניות-מסד (RACKS). הקטנה דרמטית של צריכת הזרם, עלויות הבניה ודרישות המקום, מאפשרת למהנדסי יבמ להעמיד את המחשוב המקבילי המאסיבי בהישג ידם של מדענים ומהנדסים במגוון רחב של תחומי מחקר ותעשייה.

במסגרת פרויקט Blue Gene, מפתחת יבמ משפחת מחשבי-על המותאמים למשימות פס רחב, בעלי טווח מידרוג גמיש, ויכולת לטפל בכמויות גדולות של מידע בצריכת זרם מזערית. בין היישומים הראשונים העושים שימוש ביכולות הייחודיות למשפחת Blue Gene של יבמ – הרצת מודלים מתקדמים של אופן הקיפול של סליל ה- DNA האנושי. פיענוח התהליכים האלה יאפשר הבנה טובה יותר של מהותן של מחלות שונות – ויפתח דרכים חדשות לריפויין.

המכונה הראשונה במשפחה הזאת, Blue Gene/L, צפויה לספק ביצועים של 360 טרא-פלופס – 360 טריליארד פעולות חישוב בשניה. 64 ארוניות המסד שירכיבו את המחשב הזה יתפסו שטח שגודלו כמחצית מגרש טניס. המדענים מתכננים להשתמש במחשב הזה למחקר החלל, התנהגות זוגות כוכבים הנעים במסלולים זוגיים, סימולציה של תהליכים בסביבה המשלבת לייזר ופלזמה, ותהליכי ההזדקנות של חומרי נפץ וחומרים גרעיניים ישנים.

המחשב החזק באירופה – והרביעי בעולם

משרד החינוך של ספרד חנך בראשית החודש את מחשב-העל החזק באירופה – שתוכנן ויוצר על ידי יבמ. המחשב הפועל בסביבת לינוקס, ישלב בסך הכל 4,564 מעבדי Power של יבמ. הוא מיועד למגוון רחב של משימות מחקר מדעי בתחומי הגנום האנושי, תהליכי קיפול ושכפול חלבונים, פיתוח תרופות ומחקר שינויים אקלימיים.

מחשב MareNostrum, הפועל במדריד, מדיח את HP מצמרת מחשבי-העל באירופה – ומתייצב במקום הרביעי ברשימת מחשבי העל החזקים בעולם. כבר בתצורה הראשונית שלו, הכוללת רק 3,564 מתוך 4,564 המעבדים עליהם יתבסס בתצורה הסופית שלו, מבצע המחשב 20,530 טרא-פלופס. התצורה הסופית צפויה לספק 31,363 טרא-פלופס בעבודה שוטפת – וביצועי שיא של למעלה מ- 40 טרא-פלופס.

שטח הרצפה הנדרש למחשב החדש עומד על פחות מ- 160 מ"ר, והוא צורך 600 קילו-וואט בלבד. שלא כמו מחשבי-על אחרים, המערכת אינה דורשת כל קירור נוסף.

התקנת המחשב במדריד הושלמה בזמן שיא, פחות מחודשיים, לאחר שנבנה ונבדק קודם לכן במתקני יבמ בארה"ב. בקרוב, תועבר המערכת למשכנה הסופי, באוניברסיטה של ברצלונה, שם תופעל בקיבולת מלאה באביב 2005.
ידען מיחשוב על

https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~4244972~~~80&SiteName=hayadan