IBM приподняла завесу над программой по созданию самого быстродействующего в мире суперкомпьютера, обнажив двунаправленную стратегию, необычную новую конструкцию процессоров и склонность к операционной системе Linux.

Амбициозный проект расширения горизонтов возможностей суперкомпьютеров Blue Gene имеет конечной целью создание системы, способной выполнять один квадрильон вычислений в секунду, или один петафлопс. IBM рассчитывает на то, что этой вехи в развитии вычислительной техники впервые достигнет ее машина Blue Gene/P. По сравнению с этим меркнет быстродействие современного лидера производительности NEC Earth Simulator - оно составит всего около одной тринадцатой петафлопса. Пока же правительство США обеспокоено, что страна уступает в вычислительной мощи Японии.

"У Blue Gene будет невиданная доселе конструкция, - комментирует аналитик Illuminata Джонатан Юнис. - Не все его компоненты будут уникальными, и тем не менее это совершеннейшая экзотика по сравнению с тем, что можно купить".

IBM приступила к созданию процессоров для первой машины Blue Gene - Blue Gene/L с 65536 вычислительными узлами, которая будет работать под Linux. Каждый узел, по словам директора института IBM Deep Computing Institute и руководителя проекта Билла Пуллейбланка, содержит по кристаллу с необычно большим числом функций: в нем упаковано два процессора, четыре вспомогательных вычислителя, 4 Мбайт памяти и системы связи для пяти отдельных сетей.

К Blue Gene/L присоединится вторая крупная экспериментальная система Cyclops, в которой на каждом кристалле будет содержаться гораздо больше процессоров - возможно, по 64. Для всего семейства Blue Gene IBM, вероятно, использует ОС Linux. "Я уверен: это то, что нам надо", - сказал Пуллейбланк.

Первоначальной миссией Blue Gene было решение сложнейшей вычислительной задачи по прогнозированию на основании законов физики процесса синтеза сложных белков, таких как гемоглобин, из цепочек биохимических компонентов в соответствии с программой, заложенной в ДНК. Однако IBM добавила к этому и другие задачи, включая моделирование климата и анализ финансовых рисков. "Мы нацелены на широкий спектр приложений", - говорит Пуллейбланк. Это поможет IBM решить одну из задач, стоящих перед проектом Blue Gene: создать технологию, которую можно будет продавать коммерческим заказчикам.

IBM уже израсходовала больше 100 млн $, которые были выделены на проект первоначально. Хотя окончательный вариант машины в 2004 году компания представить не успеет, зато она достигла прогресса в воплощении своих идей в жизнь. IBM изготавливает процессоры для Blue Gene/L и планирует использовать их уже в этом году в машине, которая станет прототипом Blue Gene/L в миниатюре. Пуллейбланк обещает Blue Gene/L к концу 2004 года. Компания приступила и к разработке процессоров для машины Cyclops, которую в IBM называют Blue Gene/C.

Фактическая производительность, достигнутая Blue Gene/L и Cyclops, определит конструкцию, которую IBM выберет для окончательной машины Blue Gene/P. "Единственное, в чем мы уверены: это будет в большой степени параллельная архитектура. Она будет очень экономичной с точки зрения потребления энергии и занимаемого пространства", - сказал Пуллейбланк. То, каким способом IBM достигнет своей цели перевалить за петафлопс, "зависит главным образом от того, что мы увидим, когда заработает Blue Gene/L".

Первоначальные планы IBM несколько отличались от теперешних. Например, процессоры будут основаны на PowerPC 440GX, а не на принципиально новой конструкции. Их охлаждение будет не водяным, а воздушным. Сеть тоже будет другой. Уменьшен объем памяти, хотя в целом он все равно составит ошеломительную цифру в 16 Тбайт.

По размеру Blue Gene/L будет намного меньше современных суперкомпьютеров IBM, таких как машина ASCI White, используемая в Ливерморской национальной лаборатории Лоренса для моделирования ядерного оружия (там же будет установлен и Blue Gene/L). Если ASCI White занимает площадь в два баскетбольных поля, или 875 кв. м, то Blue Gene/L должен разместиться на половине теннисного корта, то есть примерно на 130 кв. м.

Проект IBM Blue Gene носит академический характер, но конечной целью компании служит извлечение прибыли. По доле рынка высокопроизводительных технических вычислительных машин, объем которого составляет 4,7 млрд $, IBM уступает только Hewlett-Packard. По данным IDC, с 2001 по 2002 год продажи IBM на этом рынке выросли на 28% с 1,04 млрд $ до 1,33 млрд $, а у НР они сократились на 25% с 2,1 млрд $ до 1,58 млрд $.

Подобно спонсированию автогонок автопроизводителями, создание самых передовых компьютеров весьма престижно: это привлекает талантливых инженеров и убеждает заказчиков в том, что компания строит долгосрочные планы.

Конструкция Blue Gene/L Конструкция Blue Gene/L выражается степенями двойки, начиная с каждого из 65536 вычислительных узлов. Сдвоенный процессор каждого узла содержит по два математических устройства с плавающей запятой.

Каждый чип узла площадью 121 кв. мм изготавливается по технологическому процессу со 130-нм нормой. Современный флагманский процессор IBM Power4+, применяемый в мощных Unix-серверах, имеет площадь кристалла 267 кв. мм. Малый размер чипов Blue Gene очень важен: это гарантия того, что они не будут излучать избыточное тепло, поэтому можно будет размещать их достаточно плотно.

Два узла составляют модуль, 16 модулей - блок, а 32 блока монтируются в стойку. Всего к концу 2004 года в Ливерморской лаборатории будет установлено 64 стойки, а первый прототип - полустойка с 512 узлами - должен появиться этой осенью в Исследовательском центре IBM им. Томаса Дж. Уотсона.

Все узлы по конструкции одинаковы, но 1024 из них будут решать более важную задачу, чем остальные. Эти так называемые узлы ввода/вывода будут исполнять копию Linux и распределять вычисления между 64 вычислительными узлами.

Последние работают не под Linux, а под управлением специальной ОС, в которой имеется только самое необходимое. Если им встречается задача, на которую они не рассчитаны, вычислительные узлы передают ее на верхний уровень, где эту задачу подхватывает один из узлов ввода/вывода. "Получается, что каждый из 1024 узлов ввода/вывода управляет группой из 64 вычислительных узлов", - пояснил Пуллейбланк.

Исполнение Linux возможно благодаря использованию относительно стандартного процессора 440GX. Это важное условие того, что система будет коммерчески полезной. "Тем самым мы открыли ее для широкого спектра приложений, которые в противном случае были бы недоступны", - говорит Пуллейбланк.

В каждом узле один из двух процессоров отведен для вычислений, а другой - для связи с остальной частью системы. В такой конфигурации система должна работать со скоростью 180 Тфлопс (триллионов операций в секунду). В некоторых случаях, где требуется минимальная связь между узлами, оба процессора каждого узла могут сосредоточиться на вычислениях, что доводит производительность до 360 Тфлопс.

Задачу поддержания связи между узлами IBM решает при помощи двух главных сетей. Первая сеть - это решетка, соединяющая каждый узел с каждым другим, так что сообщение, передаваемое от одного узла к другому, должно миновать максимум 64 промежуточных узла. Вторая сеть имеет древовидную структуру и может быстро доставлять сообщения во все узлы или собирать информацию от них. "Когда нужно передать сообщение, лучший способ выбирается автоматически, - говорит Пуллейбланк. - Интересно также, что, если одна сеть откажет, вторая все равно обеспечит работу всей системы, хотя и медленнее".

Есть еще и третья сеть - на базе обычной технологии Ethernet 1 Гбит/с и две сети управления, одна из которых помогает загружать узлы, а другая осуществляет контроль и управляет ими.

У Blue Gene есть несколько необычных особенностей, но IBM старается по возможности придерживаться массовой технологии. Оставаться на проторенной колее - лучший способ использовать преимущество технологии, которая развивается самыми быстрыми темпами; к тому же это облегчает создание продуктов с применением результатов исследований Blue Gene. "Мы старались как можно больше опираться на эти стандартные компоненты", - сказал Пуллейбланк.

Дизайн и поддержка: Silicon Taiga

Обратиться по техническим вопросам