GPU助力天河一号A 探秘全球最强超算机

　　2010年10月27日，全球超级计算机TOP500榜单在美国新奥尔良会议中心正式揭晓，由中国国防科学技术大学研制、安装部署在中国国家超级计算天津中心的“天河一号”超级计算机以性能LINPACK值高达2.507 Petaflops(千万亿次)排名世界第一，创下了全新的性能纪录，也使得“天河一号”越发受世人关注。

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    2010年可以说是中国高性能产业难忘的一年，“天河一号”超级计算机超二千万亿次的性能记录，使中国高性能计算机获得了前所未有的佳绩：名列全球TOP500排行榜第一名，这为中国高性能产业强国目标划上了重要一笔，同时也为中国未来超级计算机产业长远的战略提供强有力支持。

　　而在取得这个成绩的背后，“天河一号”超级计算机系统采用了7168颗英伟达Tesla M2050 GPU受到众人的关注。使得“天河一号”不仅仅是推动超级计算机全面大幅度发展，而且带动通过大规模并行GPU与多核CPU相结合，使超级计算机在性能、尺寸以及功耗等领域的巨大进步，而英伟达GPU成为当代异构计算的典型代表。

NVIDIA总裁黄仁勋与国家超级计算天津中心主任刘光明亲切交谈

    12月22日，NVIDIA总裁黄仁勋先生在结束了“2010 GPU高性能计算峰会”之后，与NVIDIA公司众多专家和媒体共同参观了位于国家超级计算机天津中心，同时也进一步揭开了世界最快超级计算机“天河一号A”的神秘面纱。

国家超级计算机天津中心

国家超级计算机天津中心

中共中央总书记、国家主席、中央军委主席胡锦涛为“天河”千万亿次超级计算机系统题名

温家宝总理发表的重要讲话

天河计算机机房

　　秉承国家领导人对“天河”超级计算机的大力支持，“天河一号A”不负众望在新的TOP500榜单中取得世界第一的成绩，而在“天河一号A”成绩的背后是无数科研人员的努力以及技术上不断的创新，更为重要的是，“天河一号A”在异构计算环境中运用了GPU，得益于在性能及功耗等方面的优势，使得“天河一号A”有着突出的性能和功耗优势，下面我们揭开“天河一号A”神秘面纱。

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   “天河一号”相关专题：//server.zol.com.cn/topic/2057643.html

　　对于“天河一号”来说，之前有众多报道，峰值运算速度为每秒4700万亿次，即“天河一号”超算机运算1小时，相当于全国13亿人同时计算340年以上，而运算1天，相当于1台双核的高档桌面电脑运算620年以上的时间。

　　由此，正是这样高性能的计算系统，在节能、绿色方面也有着独特之处，“天河一号”是一台超级计算机，对能量的利用率很高，每瓦特能耗可实现每秒635.15百万次浮点运算，这个能效值排名世界第二，在其水冷系统设计上就可见不凡。

“天河”千万亿次超级计算机

NVIDIA总裁黄仁勋与国家超级计算天津中心主任刘光明合影

　　“天河一号”由140个机柜组成，每个机柜1.45米宽、1.2米深、2米高，排成13排，这个方阵占地约700平方米，总重量约160吨。站在“天河一号”前，会觉得“天河一号”气势宏伟、震撼人心。

    据了解，“天河一号”在世界上已有的千万亿次超级计算机中算是占地面积相对较小的。“天河一号”在实现高密度计算方面做得相当好，紧凑、装机密度高、相对占地较少、节约空间，并且采用冷冻水空调密闭风冷散热方案，散热效率高。

“天河一号”计算区

冷却系统指示监控

　　在天河一号A的机柜上，冷却系统对于一台超级计算机来十分重要，据专家表示，如果单纯使用传统处理器的话，要达到同样的性能需要至少50000颗CPU，同时系统功耗也会达到惊人的1200万瓦特，而现在使用GPU+CPU混合架构之后功耗仅为404万瓦特，节省下来的电力相当可观。

    对于这样的超算机天河一号A系统来说，模块化的设计起到决定性作用，从天河一号目前的配置来看，不难看出经过对CPU和Tesla计算卡的升级以及创新的加入的国产飞腾系列处理器，使得自主研发的“天河一号”自09年之后以峰值性能1206万亿次问鼎TOP500。

英特尔CPU计算节点

    改进型天河一号A(Tianhe-1A)是由14336颗英特尔六核至强X5670 2.93GHz CPU、7168颗Nvidia Tesla M2050 GPU和2048颗自主研发的八核飞腾FT-1000 CPU。处理内核数突破20万颗，是去年24576颗的8.25倍。天河一号的峰值计算性能达到了4.7Pflops，即每秒4.7千万亿次，是上一代的3.9倍。

飞腾CPU计算节点

八核飞腾FT-1000 CPU

    在天河一号A中最引人关注的是采用了国产处理器“飞腾”，65nm工艺，八核64线程，晶体管数目达到3.5亿个。芯片主频800Mhz-1Ghz，拥有3个HT直连总线接口，4个独立的DDR3内存通道，带宽达到32GBps，8个PCIE 2.0通道。

天河一号A GPU计算节点

　　根据官方资料显示，天河一号A的Linkpack最大性能提升至2.507PFlops(每秒千万亿次浮点运算)，峰值性能更是高达4.7PFlops，主要得益于Fermi新架构的Tesla GPU高性能计算卡M2050 GPU卡，天河一号的系统效率明显提升，从原来的46.7％升至53.3％。

高速互连交换根板BTM

高密度交换机背板SW-BPM

高性能互连接口芯片NIC

    对于超级计算机运算能力，除了通过CPU、GPU异构组合来实现的，网络和节点集合起来使其高速并行的协同工作也十分重要。“天河一号A”通过使用自主研发的处理器、网络、互联芯片解决了这一难题，从而实现了硬件规模和高效运算能力。

    据悉，由于组成“天河一号A”的板卡和芯片，多为国产自主研发设计。正是因为“天河一号A”拥有如此庞大而又高效的互联网络系统，才使得CPU+GPU的异构系统可以获得50%以上的最大性能与峰值性能比值，使得整体性能有效的发挥出来。

高速互连交换板SWM

计算机柜监控板

计算机柜高速交换板NRM

飞腾FT-1000双路服务器

八路EX服务器

NVIDIA总裁黄仁勋与国家超级计算天津中心主任刘光明

　　最后，在采访中中国家超级计算天津中心主任刘光明表示：如果没有GPU，天河一号A的性能与效率几乎是不可能实现的。“天河一号”的投入运行，将有力带动中国的科技进步和经济、社会发展，国家超级计算天津中心将基于“天河一号”，向全中国乃至全世界开放，为人类的科技进步做贡献。

　  而NVIDIA总裁兼首席执行官黄仁勋同样对新的CUDA架构充满希望，表示GPU彻底改变了高性能计算行业。随着天河一号A投入使用，世界三台速度最快的计算机中有两台由GPU提供动力。对于希望加快发现速度科学家来说，GPU超级计算机是不可或缺的工具。

    编外：性能并不代表一切，真正的应用到实际业务中，从计算方法到编程调试以及软件的支持还有很长的路要走，在未来将面向国内外市场，为包括石油勘探数据处理、生物医药研究、航空航天装备研制、卫星遥感、基础科学理论计算等领域内的大规模计算提供服务时，真正提供稳定快速的效率是关键。