Терафлопсы для физтеха

Каждый терафлопс в этом кластере стоит миллион рублей

Создание лаборатории I-SCALARE стало результатом участия МФТИ в конкурсе, проведенном два года назад Министерством образования и науки РФ. Физтех вошел в число его победителей, представив программу создания программно-аппаратных архитектур, наиболее эффективных для решения задач биоинформатики и фармакологии (см. «'Торнадо’ в МФТИ», Computerworld Россия, № 26, 2011). Программа разработана под руководством Владимира Пентковского, выпускника МФТИ, одного из создателей советских вычислительных систем «Эльбрус» и процессоров Pentium; с начала 90-х он работает в Intel и в настоящее время является научным руководителем лаборатории I-SCALARE. Целевыми приложениями для исследователей являются задачи моделирования вирусов, клеточных мембран, взаимодействия белков и внешних полей с клеточными мембранами, решение которых требует новых подходов к созданию высокопроизводительных кластеров.

Пентковский, выступая в режиме телеконференцсвязи, подчеркнул: для их построения наиболее целесообразно использовать высокопроизводительные модульные масштабируемые архитектуры общего назначения с высоким уровнем параллелизма, для реализации которых применяются коммерчески доступные компоненты, включая процессоры и межсоединения. Такой подход, считает Пентковский, наряду с выбором конфигураций кластеров с учетом специфики приложений позволяет конкурировать как по энергоэффективности, так и соотношению производительности и стоимости с мировыми лидерами суперкомпьютерного рейтинга Top500.

Грант в размере 150 млн долл., полученный по итогам конкурса, предоставил возможность приобрести для исследований и моделирования вычислительный комплекс на базе архитектуры «РСК Торнадо». Расходы, непосредственно связанные с его развертыванием и модернизацией, составили 84,4 млн руб.

На первом этапе прототип системы содержал 16 вычислительных узлов, каждый с двумя процессорами Intel Xeon X5680/3,33 ГГц и с максимальной производительностью 2,5 TFLOPS. Затем был введен в действие кластер с пиковой производительностью 41,57 TFLOPS, который занял 20-ю позицию в списке Top50 суперкомпьютеров России и других стран СНГ. Первоначально в кластер входило 112 двухпроцессорных узлов на базе Intel Xeon E5-2690/2,9 ГГц; к настоящему времени число узлов кластера увеличено в два раза, а его производительность составила 84,14 TFLOPS.

Основные задачи группы моделирования архитектур — разработка методологии моделирования суперкомпьютеров на основе применения существующих платформ для анализа функциональных возможностей систем следующих поколений, определение их оптимальной конфигурации, оценка производительности пользовательских приложений при их исполнении на будущих системах. Моделирование осуществляется с применением комплексного программного симулятора Wind River Simics, позволяющего исследовать работу аппаратных платформ — от процессоров до распределенных вычислительных систем совместно с приложениями пользователей.

По словам аспиранта МФТИ Григория Речистова, результаты исследований группы позволили оптимизировать конфигурацию кластера, определив рациональный объем оперативной памяти, приходящейся на каждое ядро, сократив емкость дисковых накопителей и повысив их производительность за счет добавления SSD.

Еще одно направление моделирования — оптимизация архитектуры вычислительных узлов для решения конкретных задач и разработка моделей аппаратных ускорителей.

Результаты моделирования планируется использовать в перспективе для повышения эффективности реальных машин. Пока же организовано обучение студентов, выпущено учебное пособие «Основы программного моделирования ЭВМ», появилось более 15 научных публикаций, включая две монографии, получено четыре патента.

Высокопроизводительный кластер, установленный в МФТИ, поддерживает широкий спектр научных исследований. Его используют, в частности, ученые Института биоорганической химии РАН, работы которых сформировали платформу дальнейшего рационального дизайна новых антибиотиков. Исследовательская группа химфака МГУ осуществляет моделирование структуры и молекулярной динамики опасных для человека вирусов и процессов их взаимодействия с клетками организма. Изучение таких сложных молекулярных процессов позволит ускорить создании лекарств для лечения клещевого энцефалита, лихорадки Денге, лихорадки Западного Нила, желтой лихорадки и ряда других не менее опасных заболеваний.

Резервы вычислительных ресурсов кластера пока еще есть, его загрузка в течение последнего квартала составила около 50%. Дмитрий Серверов, координатор лаборатории со стороны МФТИ, полагает, что с маркетинговой помощью Intel и РСК удастся привлечь заказчиков для моделирования их будущих приложений. По его словам, уже подана заявка на продление гранта.