NEC SX-Aurora TSUBASA

هندسة SX-Aurora TSUBASA

معالج NEC Vector Engine

المعالج Vector Engine من NEC في النظام الجديد سيحتوي على ثمانية نوى متجهة مستقلة.

سيكون هناك 64 مسجلاً متجهًا وظيفيًا كاملاً لكل نواة، يمكنه تغذية الوحدات الوظيفية أو استلام النتائج منها. هذا هو أول تحسين كبير ومهم مقارنةً بأنظمة SX السابقة، التي كانت تحتوي فقط على ثمانية مسجلات متجهة، بالإضافة إلى 64 مسجلاً يُسمى مسجلات بيانات متجهة يُستخدم للنتائج الوسيطة، لكنه يفتقر إلى الوظائف الكاملة لمسجل متجه، أي أن يكون مدخلًا للوحدات الوظيفية. لذلك في المستقبل سيحصل المترجم على المزيد من الخيارات لتحسين استخدام المسجلات وبالتالي سيعزز كفاءة النظام.سيكون لدى مسجلات المتجه 256 مدخلًا بعرض 8 بايت، مما يتيح التعامل مع بيانات الدقة المزدوجة بسرعة كاملة. لذا يمثل مجموعة المسجلات الكاملة 128 كيلوبايت من البيانات متاحة مباشرة للحسابات بسرعة مسجل! سيحتوي النظام الجديد على ثلاث وحدات FMA، بالإضافة إلى وحدة للانقسام والجذر التربيعي، لكل نواة. FMA تعني “ضرب زائد جمع النقطة العائمة”، ويعكس تعبيرًا مثل a * b + c.
أهمية أنبوب الانقسام والجذر التربيعي غالبًا ما يُقلل تقديره. في الواقع، هذه العمليات لا تهيمن في التطبيقات العلمية العادية. لكن إذا كانت هناك حالات تحتاج إليها، غالبًا ما تُثبت أنها محدودة، أو على الأقل تُساهم بشكل كبير في الحسابات. تقوم معمارية أخرى بمحاكاة هذه العمليات عبر تقريب برمجي، مما قد يكون مستهلكًا للوقت.
من أجل توفير قدرة حسابية عالية، تم تصميم هذه الأنابيب مع توازي 32 مسارًا، أي أن كل أنبوب ينتج 32 نتيجة في كل دورة. تقليديًا، تُحسب فقط عمليات الجمع والضرب عند حساب الأداء الذروة للمعمارية. بالنسبة للنظام الجديد، يكون هذا إذن 3 * 2 * 32 = 192 عملية نقطية مزدوجة الدقة في كل دورة
هناك أنابيب أكثر للعمليات الثابتة والنقطة المنطقية. وكلها متصلة بالكامل بمسجلات المتجه عبر شريط تقاطع غير مسدود بالكامل.

ذاكرة NEC SX-Aurora TSUBASA

معالج NEC Vector Engine Processor يحتوي على "Last-Level-Cache" (LLC) مشترك مطور حديثًا، وهو أول ذاكرة تخزين مؤقت متجهة مشتركة على الإطلاق. يخدم هذا LLC المشترك جميع النوى في وقت واحد، ويملك سياسة "write-back"، مما يعني أن التناسق بين النوى المختلفة، LLC والذاكرة يظل مضمونًا بسهولة. في الوقت نفسه، تسمح هذه البنية التحتية بسهولة التوازي في الذاكرة المشتركة، سواء عبر التوازي التلقائي أو OpenMP، بينما يُستخدم MPI لتوازي عبر محركات مختلفة. ذاكرة التخزين المؤقت من المستوى الأخير لها حجم سطر 128 بايت، وتم تنفيذ بعض الميزات الإضافية لزيادة الكفاءة في عمليات التخزين المتسلسلة أو عمليات التشتت.

يستخدم NEC الجيل الثاني من معيار "High Bandwidth Memory" المعروف بـ HBM2. يتم تحقيق كتلة HBM2 عن طريق تجميع أربعة أو ثمانية شرائح معًا، ويحقق عرض نطاق يصل إلى 200 جيجابايت/ثانية مع توفير 4 أو 8 جيجابايت من السعة. يتم توصيل ستة من هذه الكتل الذاكرة ومعالج Vector Engine عبر ما يُعرف بـ "Silicon interposer"، وهو شريحة خاصة لتثبيتها وتربط الذاكرة والمعالج. توفر هذه التكوينات إجماليًا من 24 جيجابايت إلى 48 جيجابايت لكل Vector Engine وعرض نطاق استثنائي يبلغ 1.53 تيرابايت/ثانية، وهو أفضل عرض نطاق في السوق.

ربط NEC SX-Aurora TSUBASA

يمكن لـ NEC Vector Engine التواصل مع محركات Vector أخرى أو مع معالجات x86 عبر الذاكرة المشتركة، PCI Express أو شبكة عالية السرعة

برمجيات NEC SX-Aurora TSUBASA

بيئة برمجيات NEC SX-Aurora TSUBASA

مع إصدار NEC SX-Aurora TSUBASA، تم تطوير مفهوم جديد عندما يتعلق الأمر بالبرمجيات. كانت الجيل السابق من آلات NEC SX‑series تعمل بنظام تشغيل Super‑UX، الذي قدم أداءً أمثلًا لمجموعة الأجهزة المخصصة الموردة مع آلات NEC SX. بدمج هذه المعرفة مع وظائف مكدس نواة Linux الحالي، يمكن تحقيق مجموعة أكبر من مفاهيم الأجهزة والبرمجيات لـ SX‑Aurora TSUBASA.

يستفيد نظام NEC SX-Aurora TSUBASA من مرونة لينكس. يتيح للمستخدمين الوصول إلى جميع الأجهزة والبرامج المدعومة من لينكس، لكن بالنسبة للتطبيقات يوفر نظام Aurora مترجمًا ومكتبات محسّنة ومُحسّنة. يتولى الـ Vector Host جميع المهام المتعلقة بنظام التشغيل وكذلك مهام مثل الجدولة أو المراقبة دون إزعاج التطبيق. يعمل التطبيق مخصصًا على الـ Vector Engine.

يتم التحكم في واجهة الاتصال بين الـ Vector Host و الـ Vector Engine بواسطة وحدة نواة لينكس حتى يمكن تشغيل التطبيقات بشكل شفاف للمستخدم على الـ Vector Engine.

سيعمل المستخدم في بيئة Linux كاملة، بما في ذلك المترجمات المحسّنة والمكتبات المهيّنة للغاية. يمكن بدء تنفيذ التطبيق من داخل بيئة Linux إما بشكل تفاعلي أو عبر نظام دفعات. كل ما يُجمّع لـ Linux يمكن أيضًا تجميعه لـ Vector Engine. تدعم المترجمات Fortran 2003، مع امتدادات من Fortran 2008، بالإضافة إلى C++14. يمكن للمترجمات أن تُجهّز وتُوازن الحلقات تلقائيًا. للتركيب العام، ستُدعم OpenMP و MPI.

التطبيقات

الكيمياء الحاسوبية

VASP (حزمة المحاكاة فيينا Ab initio)

نظرة عامة على التطبيق

برمجيات الكيمياء الحاسوبية لأداء حسابات ميكانيكية كمية من المبادئ الأولى

تم استخدامه على نطاق واسع في أكثر من 1400 معهد بحث عالمي لتصميم مواد مثل البطاريات والسيراميك والمحفزات والمعادن والمواد شبه الموصلة.

الاستخدام

• • التقليل الإلكتروني
  • توصيف أشباه الموصلات
  • التحسين الهيكلي
  • الديناميكا الجزيئية
  • تحليل الخصائص للقطب
  • حساب مغناطيسي
  • حسابات الحالة الانتقالية وغيرها

تسريع

الخوارزميات الأساسية لحسابات المبادئ الأولية موجهة نحو المتجهات، حيث أنها عمليات مصفوفية وتحويلات فورييه السريعة

الوقت حساب التحليل يقلحوالي “45%" مقارنةً بالحساب على خادم Xeon وحتى 1.78 مرة أعلى في أداء الحوسبة.

QuantumESPRESSO

نظرة عامة على التطبيق

مجموعة متكاملة من أكواد الكمبيوتر مفتوحة المصدر لنمذجة المواد على أساس حسابات البنية الإلكترونية لـ PWscf (المجال الموجي المتسق ذاتيًا).

الاستخدام

• • تقدير الحالة الإلكترونية للمادة، خصائص التوصيل الكهربائي ومجالات التحفيز الضوئي
  • استكشاف بنية المواد لتطوير المواد
  • نمذجة مواد مختلفة عبر محاكاة جزيئية للبلورات، السوائل، إلخ.

تسريع

الخوارزميات التي تكمن في الحسابات من المبادئ الأولى مناسبة للمتجهات، حيث أنها عمليات مصفوفية وتحويلات فورييه السريعة.

تم تقليل وقت حساب التحليل بنحو "نصف" مقارنة بالحساب على خادم Xeon.

التحليل الهيكلي

CalculiX

نظرة عامة على التطبيق

CalculiX هو برنامج مفتوح المصدر للتحليل بالعنصر المحدود.

تم تطويره من قبل فريق من موظفي MTU Aero Engines، شركة تصنيع محركات الطيران الألمانية.

يمكنك إجراء حسابات هندسية مثل تحليل الهيكل، تحليل القوة، تحليل انتقال الحرارة، والتحليل المدمج

تم تطويره ليكون متوافقًا مع تنسيق ملف الإدخال Abaqus (INP)، وهو برنامج تحليل العناصر المحدودة المعروف

الاستخدام

• • بناء النماذج ومعالجة الحسابات للطيارات الصغيرة مثل محركات النفاثة
  • تحليل تأثير الانخفاض للمعدات
  • تقييم الانحناء والضغط بسبب الإجهاد الحراري على لوحات الدوائر الإلكترونية، إلخ.
  • تنبؤ عمر التعب للقطع الملحومة
  • يمكن استخدام محاكاة التصميم الخاصة به لنمذجة وتحليل أنواع مختلفة من الهياكل، ويُستخدم في الهندسة المعمارية، والتصنيع، وتطوير المواد.

حول نسخة SX-Aurora TSUBASA من CalculiX ("CalculiX for Aurora")

• • لقد دمجنا مكتبة NLC (Numeric Library Collection) HeteroSolver وSBLAS في محلل CalculiX
  • المحلل المنفذ متاح للتحليل الثابت، التحليل الديناميكي، التحليل الحراري وما إلى ذلك.
  • في هذا الإصدار العام، من الممكن بناء بيئة عمل باستخدام PrePoMax* كأداة ما بعد المعالجة المسبقة
  • هذا الإصدار "CalculiX for Aurora" هو نتيجة بحث مشترك مع البروفيسور ريويتشي شيباتا من كلية التقنية الوطنية في جيفو. بالإضافة إلى ذلك، تعاون مركز الترويج للحواسيب الفائقة (ISCPC) معنا في تسريع وإنشاء أداة (builder) لبناء بيئة الاستخدام

حول PrePoMax

PrePoMax هو أداة تحليل هيكلي مجانية متاحة حصريًا لنظام Windows تتضمن محلل CAE مفتوح المصدر "CalculiX" الذي يُقدّر تقليديًا بشدة، كما أنه سهل الاستخدام للغاية، يقترب من مستوى CAE التجاري.

التسريع

إصدار Aurora من CalculiX يستخدم نموذج حساب هجين يجمع VH و VE، وهو أحد ميزات SX-Aurora TSUBASA.

أجرينا حسابًا في VH لتلك العمليات التي لا تتناسب مع التوابع المتجهية مثل أجزاء ما قبل المعالجة وما بعد المعالجة من CalculiX، ودمجنا NLC (Numerical Library Collection) HeteroSolver (الطريقة المباشرة) و SBLAS (الطريقة التكرارية (طريقة CG)) في محلل التحليل لتنفيذها في VE.

من خلال هذه الطريقة، حققنا حسابًا عالي السرعة.

مقارنةً بمحلل SPOOLES الأصلي على خادم Xeon، فإن حساب التحليل أسرع تقريباً 5 مرات في تحليل الإجهاد الثابت للبراغي وأكثر من 8 مرات في تحليل الاتصال للوصلات الخشبية

المكتبة

محلّل المصفوفة الفائقة

نظرة عامة

• Super Matrix Solver هو مجموعة من المكتبات التي تم تطويرها أصلاً بواسطة VINAS لحل المعادلات الخطية المتزامنة. يمكن دمجه في تطبيقات التحليل العددي في مجالات مختلفة.
• "Super Matrix Solver-BEM" لل matrices الكثيفة و "Super Matrix Solver-MF" لل matrices الضعيفة تم ضبطهما لمعالجات المتجه. توفر هذه المكتبة حلًا سريعًا ومستقرًا لمجموعة متنوعة من المعادلات الخطية المتزامنة.

الهدف

• محلّلات Super Matrix Solver-BEM … لحل المعادلات الخطية المتزامنة التي تم صياغتها وتقطيعها بواسطة طريقة العناصر الحدودية. قابلة للتطبيق في مجالات مثل تحليل انتشار الموجات، تحليل اهتزاز الأرض، تحليل المشكلات الصوتية، تحليل المجال الكهرومغناطيسي، إلخ.
• Super Matrix Solver-MF … لحل المعادلات الخطية المتزامنة الموزعة بواسطة طرق مثل العناصر المحدودة، الحجم المحدود، والفرق المحدود. قابل للتطبيق في مجالات مثل تحليل الهيكل، تحليل السوائل، تحليل المجال الكهرومغناطيسي، إلخ.

الأداء

• يحقق حساب عالي السرعة لأن حل المعادلات الخطية المتزامنة يتكون في الغالب من عمليات مصفوفية، التي يساهم فيها أداء SX-Aurora TSUBASA العالي. يمكن تحقيق توفير وقت كبير خاصة للمصفوفات الكثيفة
• التحليل المتوازي للذاكرة المشتركة مع OpenMP مدمج.
• يمكن تقليل الوقت الحسابي إلى أقصى حد 1/15 مقارنة بمعالجات Xeon.

لغات البرمجة، الأدوات

لغات البرمجة والمترجمات

المُجمِّع Fortran يلتزم بمعيار Fortran-2003 (ISO/IEC 1539-1:2004) ويدعم العديد من الميزات من Fortran-2008 (ISO/IEC 1539-1:2010).

المُجمِّع C يلتزم بمعيار C11 (ISO/IEC 9899:2011)، والمُجمِّع C++ يدعم معيار C++14 (ISO/IEC 14882:2014) ويدعم بعض ميزات C++17 (المواصفة قيد التقدم، ISO/IEC 14882:2017). المجمّعات C و C++ متوافقة بدرجة عالية مع GNU C و C++، وستدعم الكثير من الامتدادات ذات الصلة.

• يدعم نفس خيارات المترجم كما في GNU C و C++

• دعم العديد من وظائف ما قبل المعالج GNU C المفيدة

• تمكين من الممارسات الخاصة بـ GCC

• __attribute__

• دعم لغة التجميع في الخط المتسلسل

تمتلك NEC أكثر من 30 عامًا من الخبرة في تكنولوجيا المترجم للآلات المتجهة عالية المستوى، وستستند المترجمات الجديدة المطورة إلى هذه الخبرة وتدعم جميع استراتيجيات التحسين التي تشتهر بها مترجمات NEC.
على وجه الخصوص، ستدعم جميع هذه المترجمات التجهير التلقائي على المستوى العالي الذي كان مشهورًا به مترجمات NEC في الماضي. يتم توفير مجموعة من التوجيهات لتزويد المترجم بمعلومات إضافية ولضبط التجهير بشكل أكبر.

NEC MPI

تنفيذ MPI لـ SX-Aurora TSUBASA يعمل عبر الشبكات عالية السرعة، عبر PCI Express ومناطق الذاكرة المشتركة داخل معالج Vector Engine. بهذه الطريقة يمكن تحقيق نقل بيانات منخفض الكمون وعالي العبور. يدعم تنفيذ MPI أحدث معيار MPI 3.1 ويتوفر لكل من Fortran وC/C++

أدوات مساعدة قوية لتطوير البرمجيات

أداة تحليل الأداء، “NEC Ftrace Viewer”

NEC Ftrace Viewer هو أداة تحليل الأداء لبرامج Fortran/C/C++ . يعمل مع الأكواد المتوازية التي تستخدم MPI و OpenMP ويعرض ليس فقط معلومات حول وقت تنفيذ عمليات MPI أو الخيوط ولكن أيضًا معلومات حول وقت الاتصال بين عمليات MPI بطريقة رسومية لتحديد أداء الاختناق وعدم التوازن في الحمل. يدعم NEC Ftrace Viewer مجموعة واسعة من تحليل الأداء بدءًا من برنامج خيط واحد إلى برنامج متوازي واسع النطاق.

مصحح الأخطاء، “NEC Parallel Debugger”

يوفر NEC مصححًا متوازيًا يتيح تصحيح الأخطاء التفاعلي من محطة المستخدم. يمكنه التعامل مع Fortran/C/C++ وتوفير وظائف متعددة بما في ذلك تصحيح تطبيقات مبنية على MPI وتوازي الذاكرة المشتركة مع OpenMP.

※ OpenMP: OpenMP هو علامة تجارية مسجلة لهيئة مراجعة معمارية OpenMP.