Yüksek seviyeli Hesaplama ve Dijital Elektronik

Yüksek performanslı hesaplama (HPC) kümeleri, modern bilimsel keşif, mühendislik simülasyonu ve veri yoğun analitiklerinin arka kemiği oluşturur. Bu sistemler, tek bir makinede sorunsuz bir şekilde çözülürken binlerce bilişim düğümü toplamaktadır.

Dijital elektronik yenilikler, homojen CPU kümelerinden, grafik işleme birimleri (GPU) dahil olmak üzere heterojen sistemlere kadar manzarayı değiştirdi ve bu parçalar uyum içinde çalışmalıdır ve son gelişmeler, aynı zamanda hafıza genişliği, her büyük dijital elektronik domaini inceler ve kolektif olarak HPC kümelerini nasıl güçlendirdiğini açıklıyor.

Süreçor Mimari Yenilikçiler

Hesap Node her HPC kümesinin kalbidir ve işlemci tasarımı, modern iş yükleri tarafından gerekli ikinci (FLOPS) için yüzen akış işlemleri sunmak için radikal değişiklikler geçirdi. Üç büyük trende hakim oldu: paralellik, özel hız ve süreç ölçeklendirme.

Multi-Core ve Many-Core CPUs

Geleneksel CPUlar şimdi soket başına düzinelerce çekirdek entegre ediyor. AMD'nin EPYC “Bergamo” ve Intel'in Xeon “Sierra Forest” hatları, daha küçük proses düğümlerine dayanan 128 temele sahiptir (5 nm ve 7 nm) kontrol gücü ile daha fazla transistör paketlemek için.Bu tasarımlar, yüksek hafıza bant genişliğini, HBM3 için vurgular.

GPU Hızlandırıcılar

Grafik işleme birimleri HPC'nin iş kümeleri haline geldi, özellikle de matrix çarpım işlemleri için yapay zeka ve simülasyon görevleri için büyük veri paralelliği sergiliyor.Demokrat'ın Ponte Vecchio (max 1000 serisi) yüksek bant genişliği ve çipleri azaltıyor. Bu hızlandırıcılar gelişmiş paketlemeye güveniyor -örneğin, Xerox'un CoWoS (Chipon-Wa-Subon-Subkto-proks-proks-proks-proks-projektifleri ve 3 boyutlu bellekler.

FPGAs ve Özel Hızlandırıcılar

Sabit-işlevsel GPUs'ların aşırı hesaplaması için, FPGA'lar, Google'ın Ultrasonik (Tensor Processing Unit) ve Cerebras'ın yüksek maliyetli motorlarında, dijital elektroniklerin doğrudan domain-özel mimarilere doğru ilerlediğini gösteriyor.

Süreç Node ve Ambalaj Advances

Geometrik yazıcılar (7 nm'den 3 nm ve ötesinde) daha yüksek saat frekanslarına izin verir ve operasyon başına güç azaltır. Ancak en dönüştürücü paketleme yenilikleri aynı pakette çipli çipli çipler ile çipler. Intel'in Foveros ve EMIB (Embedded Multi-die Interconnect Bridge) teknolojiler benzer rollerde gerçekleşir ve dikey bağlantı kurma mantığı ile bağlanır.

Memory and Storage Technologies

Süreçor hız iyileştirmeler yalnızca verinin yeterince hızlı bir şekilde işlem birimleriyle beslenebilse de uygulama hızına tercüme eder. Memory and storage, modern HPC kümelerinin taleplerini karşılamak için gelişti, hesaplama ve veri erişimi arasındaki geniş boşlukları azalttı.

Yüksek-Band geniş bellek (HBM)

HBM yığınları DRAM dikey olarak, yüksek bellekli eğitim için yüksek bantlar için yüksek bantlar kullanarak ölür ve HBM3'e kadar 80 GB /s'a ulaşır, 800 GB /'ye ulaşır. Bu, büyük dil modellemesi için gerekli olan yüksek bellekler için çok önemlidir.

5 ve CXL Memory

Prat5 DRAM, sunucu platformlarında standart hale geldi, HPC kümelerini en önemlisi, sahip olunan işlere kıyasla daha yüksek yoğunluk ve bant genişliği sunmak ve tüm mülklerin maliyetini azaltmak için izin verebilir. CXL 3.0 ortak hafıza paylaşımını ve şifreleri destekleyen ve hızlandırıcıları destekleyen, anlamlı bir şekilde paylaşılabilir.

Non-Volatile Memory and Storage Class Memory

Intel'in Optane Persistent Memory (şimdi durduruldu, ancak diğer formlarda teknoloji yaşıyor) DRAM ve SSD arasında bir aşama tanıtıldı. Samsung'un PM1743 PCIe 5.0 SSD ve Kioxia'nın CXL-attached bellekleri gibi teknolojilerle ilgili olarak, SCM veritabanında (SCM) hızla kontrol noktaları için kullanılabilir.

NVMe ve Yüksek Performans Depolama

Lustre, GPFS (IBM Spectrum Scale) ve WekaFS, NVMe SSDs'leri sık sık sık okuma / yazma bant sistemlerinden ikinci sırada yer alan yüksek IOPS ve throughput. Modern HPC depolama sistemleri için avantajları genişletir.

Yüksek Hızlı Interconnects

Eş zamanlı bir kümeye binlerce düğümü kovalayan bir ağ, düşük gecikmeli, yüksek bantlı ve sağlam kongestion yönetimi sunar. Interconnect technology directly impact scalability and application performance.

InfiniBand ve HDR /NDR

InfiniBand, HPC için ilk bağlantı olmaya devam ediyor, Mellanox (şimdi NVIDIA) ortak operasyonlarda HDR (200 Gbps) hızları NDR (400 Gbps) şerit başına NDR (400 Gbps) ile hızlara doğru gidiyor.The NVIDIA Quantum-2 platformu birçok port başına 400 Gbps (Remote Direct Memory Access) ve gelişmiş kongestion kontrolü ile destekleniyor.InfiniBand'nin kolektif işlemlerde verimliliği (tüm-reduce, yayın) makine öğrenimi için kritiktir.

Ethernet Advancess

InfiniBand Top500 sistemlerine hükmedirken, Ethernet HPC kullanımı için gelişmeye devam ediyor. 200 GbE ve 400 GbE artık ortak ve 800 GbE standartları RoCEv2 gibi teknolojiler (RDMA over Converged Ethernet) RDMA yeteneklerini standart Ethernet ağlarına getiriyor, ancak HPC trafik modellerine yönelik dengeleyici bir yük dengeleme ve telemetri gerektirir.

GPU'lar arasındaki ara iletişim için, NVIDIA'nın NVLink gibi özel bağlantıları (şimdi 900 GB / iki yönlü) ve NV Transition, tam bağlantılı bir GPU kumaşı yaratır. En son DGX H100 sistemleri, NV Transition'ı paylaşılan hafıza ayrımı ile tek bir düğümü bağlantıya bağlar. Benzer şekilde, AMD'nin Infinity Fabric bağlantıları bir araya getirir.

Topology and Network Design

Ağ topoloji (sahkaha, ejderhafly, torus) altta yatan bağlantı performansı ile etkileşime girer. Modern HPC kümeleri genellikle teknolojilerin bir kombinasyonunu kullanır: her biri, son derece yüksek olasılık ve minimaj için (örneğin, ejderhafly) ağı tasarımı, yerel node gruplar için daha düşük seviyeli bir alandır.

Güç Yönetimi ve Soğutma

HPC kümeleri, megawattları güç tüketiyor ve dijital elektronik sürüş hesaplaması da muazzam ısı üretiyor. Güç verimliliği ve termal yönetimde iyileştirmeler, işletme maliyetlerini ve çevresel etkilerini kontrol altında tutmak zorunludur.

Dinamik gerilim ve Frekans Scaling (DVFS)

Modern işlemciler ve GPUs, iş süresine göre güç devletlerini iş yüklerine göre ayarlayabilecek iyi bir DVFS desteği sağlar. HPC programlayıcıları ve kaynak yöneticileri, sistem tasarımcılarının verimlilik için yüksek ticaret performansına izin verir.

Sıvı Soğutma ve Immersion Soğutma

Hava soğutma, yüksek çözünürlükte HPC düğümleri için sınırlarına ulaşıyor, yüksek hız veya yoğun soğutmayı tüketiyor. Doğrudan-kör sıvı soğutma, CPU'lara bağlı soğuk plakalar, GPU'lar ve diğer sıcak bileşenlere sahip oluyor. Bu sayede, yüksek ısı paketleme veya yüksek hızlar veya yoğun soğutma makinesine izin veriyor.

Enerji-Efficient Interconnect and Storage

Interconnects and storage devices da güç optimizasyonu için hedeflerdir. Yeni nesil anahtarlar düşük güç transceivers (örneğin, PAM4 modulation) ve güçlendiricileri için uzaktan kumandanlık sağlar. NVMe SSDs, hesaplama, ağ ve depolama ile karşılaştırıldığında, çoğu zaman aktif bir güç kontrolcülüğünde çalıştırılır.

Yazılım ve Donanım Co-Design

Donanım yenilikleri sadece yazılımların onları kullanabileceği zaman değer verir. HPC yazılım yığını, performans-kırık özellikleri açığa çıkarırken karmaşıklığı gizleyen soyutlamalar sağlamak için gelişti.

Programlama Modelleri ve Kütüphaneleri

CUDA, ROCm ve bir API, GPU'lar ve diğer hızlandırıcılar üzerinde çalışan kod yazmak için geliştiricilere olanak sağlar.CDA, ROCm, L's ROCm, Instinct hızlandırıcılar için benzer bir işlevsellik sağlarken, bir API'nin donanım için kullandığı bir veri değiştirici C++ soyutlama (DPC++) CPU'lar, GPU'lar ve FPGA'ler için tek bir kod tabanından yararlanarak özel bir şekilde yararlanıyor.

Konteynerizasyon ve Orkestration

Singularity (şimdi Apptainer), Docker ve Podman kullanıcıların tüm bağımlılıklara bağlı karmaşık yazılım yığınlarını paketlemek için izin veriyor. HPC ortamlarda, konteynerizasyon kümeleri boyunca stoklama ve liman kabiliyetine basitleştirir.Slurm veya Kubernetes gibi kaynaklarla birlikte ( HPC programıyla) bir araya geldiğinde, konteynerler elastik ve kaynak izolasyon sağlar.

I/O ve Data Management

HPC kümelerindeki I/O altsystem, kritik bir şişenck. Paralel dosya sistemleri (Lustre, GPFS) şimdi veri hareketçileri ve kalibrasyon tabakaları ile entegre edilir (örneğin, DAOS Intel, Cray DataWarp) ve ADIOS kütüphaneleri bu depolama düğümlerini akıllıca depolamak için yüksek seviyeli bir depolama düğümleri sağlar.

Vaka Çalışmaları: Dijital Elektronik Drive Real-World HPC Systems

Dijital elektronik yeniliklerinin etkisini takdir etmek için, iki temsilci HPC kümelerini düşünün: İLFLT:0)Top500[Dönetici: 1) Pekin Ridge Ulusal Laboratuvarda ve sonraki El Capitan Lawrence Livermore Ulusal Laboratuarı.

[FONT=0)Frontier[[[Dönemli) Önkoşullar, HPE Slingshot interconnect (özel Ethernet tabanlı kumaş) ile bağlantılı olarak gelişmiş sıvıyı gerektiren sistem, HBM2e belleklerini düğümlere kullanarak elde etmek için Infinity Architecture'ı kullanır.Sistemin gücü 74'ün üzerinde geciken kabinlere en aza indirmek için gelişmiş sıvıyı gerektiren bir bellek sistemi kullanır.

[FONT:0]El Capitan[[Dönetici:0)[Dönetici:0)) Birleştirilmiş HBM3 bellek ile tek bir paketle bir araya getiren CXL-tached hafıza, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunan dijital elektronik devreleri kullanarak.

HPC için Dijital Elektronikte Gelecek Yol

Mevcut eski sistemler olağanüstü olsa da, önümüzdeki on yılda daha büyük performans ve verimlilik vaat eden birkaç gelişmekte olan teknoloji.

Kuantum ve Sinirsel Hesaplama

Kuantum Hesaplaması, genel amaçlı HPC için hala deneysel olsa da, Intel'in Gerçek Kuzeyi ve Optimizasyonu gibi belirli sorunlar için üst düzey hız sağlar. Dijital elektronik kuantum kontrol sistemleri (FPGA'lar için qubit okuma ve hata düzeltmesi) ve hibrit klasik-quantum algoritmaları için bir rol oynayabilir.

Fotonik Interconnects

Fotonik çip ve silikon fotonikleri kullanarak optik iletişim, bakır bağlantılarını kümeler içinde uzun menzilli bağlantılar için değiştirebilir, Ayar Laboratuvarları ve Işıkmatter gibi şirketler, en az geç yükleri olan optik ara havuzları geliştiriyor ve TeraPHY transceivers kanal başına yüzlerce Gbps'yi kanal başına taşıyorlar.

Chiplet Ekosystems ve Universal Die Interconnects

Evrensel Chiplet Interconnect Express (UCIe) standardı, farklı satıcılardan gelen çiplerin tek bir paket üzerinde karıştırılabilmesi için açık bir ekosistem oluşturmayı hedefliyor. Bu, HPC sistemi bütünleştiricilerin en iyi hesaplama, hafıza ve hızlandırıcı çipleri seçmesine izin verir, her uygulama için zaman optimize eder. Gelişmiş paketleme (hybrid bağ, mikro-bumps) bir sonraki on yılda, HPC sistemi tümlemeleri seçmenize izin verir.

Enerji Proportional Computing

Future dijital elektronik, enerji orantılı davranışı için çabalayacaktır, güç tüketiminin kullanımla sabit bir şekilde ölçeklendirildiği yer.Bu, saatleri, güç rayları ve tüm mantık blokları dinamik olarak azaltımı gereken devreleri gerektirir. AI-güdümlü güç yönetimi –örneğin, gerçek zamanlı olarak gerilim ve frekans.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Dijital elektronikteki ilerlemeler, yüksek performanslı hesaplama kümelerinin sürekli ilerlemesinin ardındaki motordur. Multi-core CPUs ve GPU hızlandırıcılardan yüksek bant genişliği hafızaya, düşük çözünürlükteki bağlantılara ve akıllı güç yönetimine kadar, her bileşen, bu gelişmelerin bir sonraki nesili ele geçirebilecek sistemler için çok önemli hale geldi.