解读最新TOP500排行榜MPP结构略胜Cluster,四核主流地位不变

文/杜晓梅 王广益 李利

解读最新TOP500排行榜MPP结构略胜Cluster,四核主流地位不变

文/杜晓梅 王广益 李利

第35届全球超级计算机TOP500排行榜于2010年5月31日在德国汉堡举行的SC10大会上发布。排名第一的仍是美国Cray公司研制的“美洲豹”系统；中国曙光公司制造的“星云”超级计算机以1.27Pflops的Linpack性能和2.98Pflops的峰值性能排名第二。

TOP10重点分析

在TOP10系统中，IBM公司占有4台（一台“走鹃”和三台“蓝色基因”），Cray公司拥有2台（“美洲豹”和“海怪”），SGI、Sun以及中国的曙光公司和国防科技大学各占有一台。但必须指出，我国所制造两台系统（“星云”和“天河”）的核心部件CPU和GPU仍是源自美国的Intel、AMD以及NVIDIA公司。由此可见，美国在高性能计算领域的综合技术实力是无可比拟的。

三种技术路线并存

从技术路线来看，TOP10系统可分为三种技术路线：一是基于高性能通用CPU；二是基于低功耗嵌入式CPU；三是基于通用CPU+加速器（或称协处理器）。

采用第一种技术路线的系统有4台。其中，Cray公司的“美洲豹”和“海怪”系统基于AMD六核2.6GHz Opteron处理器；SGI公司的“昴宿星”和Sun公司的“红色天空”系统则是基于Intel四核EM64T Xeon处理器（型号和频率不同）。

采用第二种技术路线的系统有3台。它们都属于IBM“蓝色基因”系列，都是基于低功耗嵌入式PowerPC处理器，其中2台“蓝色基因/P”系统基于850MHz PowerPC 450处理器，1台“蓝色基因/L”系统基于700MHz PowerPC 440处理器。

采用第三种技术路线的系统也有3台。它们分别为IBM公司的“走鹃”以及我国曙光公司的“星云”和国防科技大学的“天河”系统。所不同的是，作为2008年世界首台Linpack实测性能突破千万亿次大关的IBM“走鹃”系统采用Cell处理器（最初用于索尼公司的PS游戏机）作为加速器，而我国的“星云”和“天河”系统则是利用GPU来实现加速。具体地说，“走鹃”是AMD Opteron CPU+ PowerXCell 8i；“星云”是Intel X5650 CPU+NVIDIA Tesla C2050 GPU；“天河”是Intel E5540 CPU+AMD/ATI Radeon 4870 GPU。

表1 TOP10系统对比（性能单位：Tflops；能效单位：Mflops/W）

MPP结构略胜Cluster

从大的体系结构来看，TOP10系统分为两种：MPP（大规模并行处理）和Cluster（机群）。其中，采用MPP结构的系统有6台——Cray“美洲豹”和“海怪”、三台IBM蓝色基因机器、SGI“昴宿星”；采用Cluster结构的机器有4台——曙光“星云”、IBM“走鹃”、国防科大“天河”、Sun“红色天空”。

MPP结构的系统又分为基于高性能通用多核CPU（Cray、SGI系统）和基于低功耗嵌入式CPU（IBM蓝色基因系统）。

Cluster结构则分为同构（只用一种CPU，Sun“红色天空”）和异构（CPU+GPU或Cell，“星云”、“天河”和“走鹃”）。

商用互连和专用互连平分秋色

从互连技术来看，TOP10系统采用商用互连和专用互连的机器各占一半。其中，“星云”、“走鹃”、“昴宿星”、“天河”、“红色天空”都是采用商用Infiniband互连。“美洲豹”和“海怪”系统采用了基于Cray专有Seastar2+芯片的高带宽低时延互连网络；3台“蓝色基因”系统采用基于IBM公司专有ASIC路由器芯片的三维环网。由此可见，Cluster结构的机器基本都是采用商用标准互连，而MPP结构则一般采用专用互连技术，SGI“昴宿星”MPP系统是一个例外。

在操作系统方面，TOP10系统全部采用了Linux操作系统。

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TOP500综合分析

系统性能继续攀升，系统规模不断扩大

此次500台系统的总Linpack性能从6个月前的27.6Pflops增加到32.4Pflops，一年前为22.6Pflops。TOP500进入门槛的Linpack性能为24.7Tflops，6个月前为20Tflops，一年前为17.1Tflops。TOP100的进入门槛从6个月前的47.72Tflops提高到52.84Tflops。此次排名最后一位的系统在6个月前的TOP500中位列357。其更新率远低于平均水平，反映了目前的经济形势和HPC市场将出现新的产品周期。

自从2008年6月份第31届TOP500首次出现千万亿次超级计算机（Roadrunner）以来，两年的时间里峰值性能突破千万亿次的系统增加到7台，其中有3台系统的Linpack性能超过千万亿次。

最新TOP500的系统规模同上一期相比继续扩大，系统所用内核数也发生变化，内核数在4097~8192个的系统数量最多，从六个月前的252台增加到291台，达到58.2%，而六个月前为252台。系统规模在8193~16384个处理器的系统从上一次的48台增加到57台。而系统规模在2049~4096个处理器的系统规模继续减少，从一年前的228台，到六个月前的160台，此次则减少到111台。规模低于2048个处理器的系统已经寥寥无几。其他规模的系统数量变化不大。

此次TOP500中平均每系统内核数从6个月前的9174个增加到10267个，一年前为8210个。此次TOP50中平均每系统内核数从6个月前的44338个增加到49080个，一年前为40871个。具体情况如表2所示。

继续关注能效指标

此次TOP500按惯例跟踪了500台超级计算机的实际功耗。此次TOP500的平均功耗为397kWatt，平均能效为195Mflops/Watt（一年前为108Mflops/Watt，六个月前为125Mflops/Watt）。

表2 TOP500系统规模（性能单位：Tflops）

排名第1的Jaguar系统最高总功耗为6.95Mwatt。TOP10的平均功耗为2.89Mwatt（一年前为2.45MWatt），平均能效为300Mflops/Watt（一年前为280Mflops/Watt）。

能效最高的系统主要基于：采用IBM PowerXCell 8i处理器的Qpace机群系统，能效最高达774Mflop/Watt；IBM QS22 Cell处理器刀片系统，能效高达458Mflop/Watt；采用Intel Westmere处理器的iDataPlex系统，能效高达418Mflop/Watt。

四核主流地位不变，Intel引领发展

此次TOP500的系统中，处理器结构仍以多核处理器为主。有85%（425台）都使用了4核处理器，有5%的系统使用了6核或以上的处理器。仍有48台系统采用双核处理器。

Intel无疑仍是最大赢家。在所有500台系统中，使用Intel处理器的占了81.2%，而且在使用4核处理器的系统中，Intel的份额超过了90%。使用Intel Core i7（Nehalem-EP）处理器的系统数量增长迅速，从上次的95台增长到此次的186台，几乎翻了一倍。

表3处理器制造商情况（性能单位：Tflops）

表4 TOP500系统保有量前10国家（性能单位：Tflops）

AMD Opteron系列处理器的采用率此次超过IBM，排名第二，从42台增加到47台，占9.4%。IBM Power处理器份额略有下降，从52台减少到42台，占8.4%。具体情况如表3所示。

美国仍旧一家独大，中国系统性能再创新高

美国的领先地位依旧无人能撼，500台系统中占了282台（6个月前277台）。欧洲所占份额（从152台减少到144台）仍远远超过亚洲（从51台增加到57台）。

亚洲系统拥有量占优势的分别是中国（从21台增加到24台）、日本（从16台增加到18台）和印度（从3台增加到5台）。

在欧洲，英国的系统保有量仍位居第一，有38台（6个月前为45台）。法国有29台（6个月前为26台），超过德国（24台，6个月前为27台）排名第2。

中国保有的系统数持续增长，此次达到24台，与德国持平，系统保有数排名第四，排名前三的国家依次是美国、英国和法国。而就系统总体性能值而言，中国仅次于美国之后，排名第二，超过了排名第三的德国。表4所示为系统保有量前十位的国家。

机群地位牢固，Infiniband奋起直追

机群结构仍是TOP500系统主要使用的结构，此次机群结构的系统数量继续稳步增加，达到424台（占85%。），六个月前为417台，一年前为410台。采用MPP结构的系统数量继续减少，从六个月前的81台减少到74台（一年前为88台），虽然数量不多，但仍主打高端系统。在TOP50中，MPP结构占据大半江山，数量达到28台，在TOP100中，也有47台系统使用了MPP结构。采用星群结构（Constellations）的系统仍为两台。

在操作系统方面，Linux继续扩大优势，以455台的绝对优势独霸一方，比上一次的446台有所增加。而且Linux系统占据高端，排名前十的系统全部采用该操作系统。Unix和Mixed的份额都有所下降。具体情况如表5所示。

表5 TOP500操作系统情况（性能单位：Tflops）

表6 TOP500互连类型（性能单位：Tflops）

采用千兆以太网（Gigabit Ethernet）的系统数量虽略有下降，但仍是使用最多的互连技术，有244台系统使用，并广泛应用于工业用户。排在第2的是InfiniBand技术，有205台系统使用。

但是，使用Infiniband技术的系统的总体性能（15.9Pflops）是使用千兆以太网技术总体性能（7.8Pflops）的2倍。

在前十台系统中，Infiniband和专有互连平分秋色，使用台数都为5台。TOP50中仅有一台系统采用千兆以太网（Gigabit Ethernet）互连技术。TOP100中有63台系统采用Infiniband互连结构。表6所示为TOP500互连的具体情况。

为江南计算技术研究所)

本文转载于上海超算中心内部刊物《高性能计算发展与应用》最新一期，经授权引用。