前不久，筆者在國家超級計算天津中心參觀了天河一號A，異構融合結構、自主知識產權CPU等產品、高新尖應用等都給筆者留下了深刻的印象。在參觀之后，筆者與國家超級計算天津中心劉光明主任和NVIDIA（英偉達）公司PSG全球副總裁Shanker Trivedi等進行了深入的交流，不僅了解了我們國家在超級計算機領域的最新動向，對CPU和GPU異構融合結構也有了更深的理解。
國家超級計算天津中心劉光明主任
與NVIDIA公司PSG全球副總裁Shanker Trivedi先生接受專訪
天河一號A三種形式CPU的分工
相對于傳統的超級計算機，天河一號A采用了三種形式的CPU，分別是Intel處理器，還有NVIDIA（英偉達）Tesla，還有自主研發的飛騰1000，那么這三種不同架構的CPU又是如何進行分工協作的呢？
對此國家超級計算天津中心劉光明主任解釋道，國際上千萬億級計算機，或者更高級別的計算機，用通用CPU計算機去做的話因為規模大，功耗大，而且使用起來不一定很好。包括IBM曾承擔了一個美國計算機的研究項目，完全都是通用CPU的方法去構建最快計算機，結果這個項目流產了，就是因為研制費用很高，做出的機器占地規模大，功耗也比較大。
中國“天河一號A”
在2005年到2007年間，國防科技大學便在研究通用CPU和GPU加速器的結合，來提高超級計算機的計算性能，比如流體力學、氣動力學、FFT、CFD的東西，包括還有很多算法都適合這種結構，解決很多復雜的數學問題，這種結構是適用的。在2009年做天河一號第一期的時候，選用了AMD的GPU來替代當時國防科技大學自己研究的流處理器，這樣就誕生了當時的天河一號。后來英偉達推出了Tesla 2050，因為AMD的GPU沒有ECC校驗，而Tesla有ECC校驗，所以在2010年的時候，天河一號A進行了升級，GPU換成了NVIDIA的。同時高速互聯系統換成自主研發的產品。
在目前天河一號A中，整體系統分為兩部分，一部分是Intel CPU和NVIDIA GPU構成的新系統，這個系統在整個所有天河系統的7/8，另外1/8的部分用的是自主研發的CPU 飛騰1000。天河一號A的系統是經過實驗優化的環境，有很多科技計算的程序、應用都在此做測試實驗，還有一些應用在不斷的調試，測試，完善。
英偉達在HPC方面的規劃
其實不光天河一號A，目前全世界500強的計算機大概有十分之一采用了NVIDIA（英偉達）的加速卡，那么未來NVIDIA（英偉達）在這方面有什么計劃？
GPU運算結點
對此NVIDIA（英偉達）公司PSG全球副總裁Shanker Trivedi先生介紹到，天河一號A已經向全世界證明了異構超級計算是一個非常好的科學計算。未來比如美國的高性能超算中心、德國的超算中心等均將采用GPU加速并行計算的體系結構。在傳統超級計算機中，CPU只貢獻了整個高性能計算的10%甚至更少的份額，GPU貢獻80%，90%的份額，很多計算性能是從GPU貢獻出來的。
另外，NVIDIA（英偉達）已經有了300個以上應用軟件，大量的應用軟件，解決科學問題的工具已經可以在CPU+GPU這樣的異構體系上運行。通過新的異構計算加速的方式，為未來大大的節省超算中心構建的成本，同時節省功耗，降低能源功耗，節省費用。
NVIDIA表示了未來會把基于Kepler方面的應用推到成千上萬個應用，那么NVIDIA在推動異構編程方面未來重點的方向是什么呢？天津超算中心又有哪些關于異構編程和應用這方面的經驗呢？
對此NVIDIA公司PSG全球副總裁Shanker Trivedi介紹到一般是三種方法來做這種異構上的編程：第一類是存在了很多年的，甚至幾十年的應用，對于這樣一類應用，我們建議采用一種直接編程的方法，編程的標準在OpenACC。OpenACC是一個國際標準，這是開放的，很多人都可以采用的標準的編譯的方法，這種方法可以使得傳統的，存在這么久的軟件可以最小的改動，因為寫這個程序的人有可能都不在了，可以以最快的方法編到GPU和CPU上，異構的平臺上進行計算，同時加速。舉一個例子，在美國的能源實驗室里，他們有一個很大的應用，這個軟件應用叫S3D，類似像核聚變這樣的應用，這個程序有100萬行的程序，只改了400行，只改了非常非常小的程序量，大約只有萬分之四，通過編譯器編譯，得到了六倍速度的提升。
第二種類是新的應用，建議用CUDA GPU并行編程的方法，這個架構模型可能大家都熟悉，CUDA可能大家都熟悉，實際上就是把傳統的C語言，類似其他的高性能通用編程語言進行一點點擴展，只是稍微做了一些語法方法的擴展，大家寫程序的方法不變，這樣重新寫出來的程序效率可以大大的提升，可以在這個程序上跑。什么樣的程序多了呢？像信號處理，圖象處理，還有一些科技計算，用這樣的方法來提升計算的效率。
最后一種方法是用一些很多科研機構庫函數的方法，NVIDIA提供了很多系統級的庫函數，還有很多是大學、科研機構，還有網上做了很到的庫函數。舉一個例子，一些很傳統的中間件，你調他的庫函數的話，用這樣的方法來提升，他們那些函數已經是GPU上的，寫程序的人并不用關心他們是怎么實現的，只是調用這些名稱和函數來做就好了。
總而言之，就是對于長期存在已有的程序，NVIDIA推薦用OpenACC，但是對于新程序，或者對性能有追求，一定要求特別高性能的可以用CUDA來進行改寫，對于其他一些傳統的，比較規范的程序，調用大量函數的，可以用調用庫函數的方法來做。
國家超級計算天津中心劉光明主任則道，天河一號A這種異構結構幾個典型的應用還是應用得不錯的。比如在典型的石油勘探數據處理，經過天河一號A，已經完成了具有自主知識產權的石油三維歷史偏移。這個軟件過去是掌握在國外人手上，國外公司手上，對于我們來講是高價政策。我們現在通過天河一號A，從2011年年初開始，跟東方物探進行合作，持續做了兩年的時間，整體性能從通用CPU的版本上升到CPU+GPU的版本，整體性能提升了大概六倍。同時我們在這個基礎上又做了一個基于計算系統做的優化，磁盤的數據處理系統變成一個基于內存的。另外包括現在的氣動力學，大飛機的仿真，說得更通俗一點就是數字風洞的處理，還包括一些典型的應用，包括還有一些源的分析等等這些，現在應用都不錯。
總結：天河一號獲得世界第一之后，引起了高度關注，關于其背后的技術也吸引了大量人士的關注。國家超級計算天津中心通過和NVIDIA成立一個聯合實驗室，對異構在超級計算方面的發展有著重大的意義，NVIDIA也能在軟硬件方面同時提供支持。從筆者的觀察來看，在未來的超級計算機發展中，因為能耗、成本等方面的優勢，異構結構將會成為未來的主流趨勢，在越來越多的超算中得到應用。
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