高性能计算集群系统深度剖析

### 高性能计算集群系统深度剖析 #### 1. Cray XT5 3D 环形架构 Cray XT5 3D 环形架构专为在高性能计算（HPC）应用中实现卓越的消息传递接口（MPI）性能而设计。它通过集成专用的计算节点和服务节点来达成这一目标。 - **计算节点**：旨在高效、可靠地运行 MPI 任务直至完成。每个计算节点由一个或两个 AMD Opteron 微处理器（双核或四核）以及直接连接的内存组成，并配备专用的通信资源。 - **服务节点**：主要用于提供系统和输入/输出（I/O）连接，同时作为登录节点，用于编译和启动作业。每个计算节点的 I/O 带宽设计为 25.6 GB/秒。 #### 2. IBM Roadrunner：2008 年的顶级超级计算机 2008 年，IBM Roadrunner 成为世界上首个达到千万亿次浮点运算性能的通用计算机系统。该系统的 Linpack 性能为 1.456 Pflops，安装在新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）。不过，在 2009 年末，Cray 的 Jaguar 超越了 Roadrunner。Roadrunner 主要用于评估美国核武库的衰变情况。 - **硬件组成**：采用混合设计，包含 12,960 个 IBM 3.2 GHz PowerXcell 8i CPU 和 6,480 个 AMD 1.8 GHz Opteron 2210 双核处理器，总共拥有 122,400 个核心。它是一个由 IBM Cell 处理器加速的 Opteron 集群，Cell 处理器具有八个浮点核心。 #### 2.1 处理器芯片和计算刀片设计 Cell/B.E. 处理器通过单芯片多核提供了卓越的计算能力。其架构支持广泛的应用，首个实现是一个具有九个处理器元素的单芯片多处理器，采用共享内存模型。 - **硬件连接**：机架由 TriBlade 服务器构建，通过 InfiniBand 网络连接。每个节点内部的连接由四个 PCI Express x8 链路组成，每个链路的传输速率为 2 GB/秒，延迟为 2 微秒。扩展槽还包含 InfiniBand 互连，允许与集群的其他部分进行通信，其能力评级为 2 GB/秒，延迟为 2 微秒。 #### 2.2 InfiniBand 互连 Roadrunner 集群采用分层结构构建。InfiniBand 交换机将 270 个机架中的 18 个连接单元集群在一起。该集群总共连接了 12,960 个 IBM Power XCell 8i 处理器和 6,480 个 Opteron 2210 处理器，以及 103.6 TB 的随机存取存储器（RAM），集群复合体可提供约 1.3 Pflops 的性能。此外，系统的 18 个通信/服务节点使用 18 个 InfiniBand 交换机提供 4.5 Tflops 的性能。二级存储单元通过八个 InfiniBand 交换机连接。系统总共安装了 296 个机架，采用两级分层架构。该系统功耗为 2.35 MW，是 2009 年第四节能的超级计算机。 下表总结了 IBM Roadrunner 的主要参数： | 参数 | 详情 | | --- | --- | | Linpack 性能 | 1.456 Pflops | | 处理器数量 | 12,960 个 IBM Power XCell 8i CPU 和 6,480 个 AMD Opteron 2210 双核处理器 | | 核心总数 | 122,400 个 | | RAM 总量 | 103.6 TB | | 功耗 | 2.35 MW | #### 2.3 消息传递性能 Roadrunner 使用 MPI 应用程序编程接口（APIs）以典型的单程序多数据（SPMD）方式与运行应用程序的其他 Opteron 处理器进行通信。运行应用程序所使用的计算节点数量在程序启动时确定。其 MPI 实现基于开源的 Open MPI 项目，因此是标准的 MPI。与其他典型的 MPI 应用程序（如在 IBM Blue Gene 解决方案上运行的应用程序）类似，但 Roadrunner 在应用程序架构方面的不同之处在于其 Cell/B.E. 加速器的使用方式。在应用程序流程的任何时刻，运行在每个 Opteron 上的 MPI 应用程序都可以将计算复杂的逻辑卸载到其下属的 Cell/B.E. 处理器。 以下是其消息传递流程的 mermaid 流程图： ```mermaid graph LR A[Opteron 处理器] -->|MPI 通信| B[其他 Opteron 处理器] A -->|卸载复杂逻辑| C[Cell/B.E. 处理器] ``` #### 3. 集群计算研究领域概述 集群计算自 1990 年以来一直是热门研究领域。DEC 和 IBM 率先开展了相关研究。历史上的里程碑式计算机集群包括 1984 年运行 VMS/OS 的 VAXcluster、1994 年的 Tandem Himalaya HA 集群和 1996 年的 IBM SP2 集群。近年来，超过 85% 的全球前 500 强超级计算机采用集群配置。 - **相关会议和期刊**：每年，电气和电子工程师协会（IEEE）和美国计算机协会（ACM）都会举办多个相关的国际会议，如集群计算会议（Cluster）、超级计算会议（SC）等。还有一些相关期刊，如《集群计算杂志》《并行与分布式计算杂志》（JPDC）和《IEEE 并行与分布式系统汇刊》（TPDS）。 #### 4. 家庭作业问题 以下是一系列与集群计算相关的作业问题，旨在帮助深入理解和应用相关知识： 1. **区分集群相关术语**： - 紧凑集群与松散集群 - 集中式集群与分布式集群 - 同构集群与异构集群 - 封闭集群与开放集群 - 专用集群与企业集群 2. **冗余技术问题**：假设节点故障时，诊断故障需要 10 秒，工作负载切换需要 30 秒。计算在忽略计划停机时间和考虑每周一小时维护（一次一个节点）情况下集群的可用性。 3. **超级计算机集群架构评估**：研究 2010 年 11 月公布的全球排名第一的天河 - 1A 超级计算机的集群架构，包括架构、硬件组件、操作系统、软件支持等方面，并与 Jaguar、Nebulae 和 Roadrunner 进行比较。 4. **集群计算的可扩展性和可用性配置**： - 定义和区分可扩展性的相关术语，如机器规模可扩展性、问题规模可扩展性、资源可扩展性和代际可扩展性。 - 解释热备用、主动接管和容错集群三种可用性集群配置的架构和功能差异，并给出每种配置的两个商业集群系统示例，评论其在商业应用中的优缺点。 5. **多处理器和多计算机的区别**： - 解释统一内