Supercomputing under et nyt objektiv:Et Sandia-udviklet benchmark rangerer topcomputere

Et softwareprogram fra Sandia National Laboratories, der nu er installeret som en ekstra test til den vidt observerede TOP500 -supercomputerudfordring, er blevet stadig mere fremtrædende. Programmets fulde navn - High Performance Conjugate Gradients, eller HPCG - kommer ikke snublende til tungen, men ord siver ud, at dette relativt nye benchmarking -program bliver lige så værdifuldt som dets ærværdige partner - High Performance LINPACK -programmet - som nogle siger er blevet mindre end tilfredsstillende til at måle mange af nutidens beregningsmæssige udfordringer.

"LINPACK -programmet bruges til at repræsentere et bredt spektrum af de kerneberegninger, der skulle udføres, men tingene har ændret sig, "sagde Sandia -forsker Mike Heroux, der skabte og udviklede HPCG -programmet. "LINPACK-programmet udfører beregningsrige algoritmer på tætte datastrukturer for at identificere den teoretiske maksimalhastighed for en supercomputer. Dagens applikationer bruger ofte sparsomme datastrukturer, og beregninger er slankere. "

Udtrykket "sparsomt" betyder, at en overvejet matrix for det meste har nulværdier. "Verden er virkelig sparsom i store størrelser, "sagde Heroux." Tænk på dine sociale medieforbindelser:der kan være millioner af mennesker repræsenteret i en matrix, men din række - de mennesker, der påvirker dig - er få. Så, den effektive matrix er sparsom. Påvirker andre mennesker på planeten dig stadig? Ja, men gennem mennesker tæt på dig. "

Tilsvarende for et videnskabeligt problem, hvis løsning kræver milliarder af ligninger, de fleste matrixkoefficienter er nul. For eksempel, ved måling af trykforskelle i et 3-D-net, trykket på hver knude er direkte afhængig af naboernes pres. Trykket på fjerne steder er repræsenteret gennem nodens nære naboer. "Omkostningerne ved at gemme alle matrixbetingelser, som LINPACK -programmet gør, bliver uoverkommelig, og beregningsomkostningerne endnu mere, "sagde Heroux. En computer kan være meget hurtig til at beregne med tætte matricer, og dermed score højt på LINPACK -testen, men rent praktisk er HPCG -testen mere realistisk.

For bedre at afspejle de praktiske elementer i nuværende supercomputerende applikationsprogrammer, Heroux udviklede HPCGs prækonditionerede iterative metode til løsning af systemer, der indeholder milliarder af lineære ligninger og milliarder af ukendte. "Iterativ" betyder, at programmet starter med et indledende gæt på løsningen, og beregner derefter en række forbedrede svar. Forkonditionering bruger andre egenskaber ved problemet til hurtigt at konvergere til et acceptabelt tæt svar.

"For at løse de problemer, vi har brug for i vores mission, som kan variere fra en fuld våbensimulering til en vindmøllepark, vi er nødt til at beskrive fysiske fænomener til høj trofasthed, såsom trykforskellen i en væskestrømssimulering, "sagde Heroux." For et net i et 3D-domæne, du har brug for at kende på hver node på nettet, relationerne til værdier ved alle de andre noder. En forkonditionering får den iterative metode til at konvergere hurtigere, så der anvendes en multigrid forkonditionering på metoden ved hver iteration. "

Supercomputere som NVIDIA Corp., Fujitsu Ltd., IBM, Intel Corp. og kinesiske virksomheder skriver versioner af HPCG's program, der er optimale for deres platform. Selvom det kan virke underligt for eleverne at ændre en test, så den passer til sig selv, det er klart ønskeligt for supercomputere af forskellige designs at tilpasse testen, så længe hver konkurrent rører ved alle de aftalte beregningsgrundlag.

"Vi har tjek i koden for at registrere optimeringer, der ikke er tilladt i henhold til offentliggjort benchmark -politik, sagde Heroux.

På listen HPCG TOP500, Sandia og Los Alamos National Laboratory supercomputer Trinity er steget til nr. 3, og er den øverste afdeling for energisystem. Trinity er nr. 7 i LINPACK -rangeringen. HPCG afspejler bedre Trinity -designvalgene.

Heroux siger, at han skrev basis -HPCG -koden for 15 år siden, oprindeligt som en undervisningskode for studerende og kolleger, der ønskede at lære anatomi i et program, der bruger skalerbare sparsomme opløsere. Jack Dongarra og Piotr Luszczek fra University of Tennessee har været essentielle samarbejdspartnere om HPCG -projektet. I særdeleshed, Dongarra, hvis synlighed i det højtydende computersamfund er uovertruffen, har været en stærk promotor for HPCG.

"Hans salgsfremmende bidrag er afgørende, "sagde Heroux." Folk respekterer Jacks viden, og det hjalp enormt meget med at sprede ordet. Men hvis programmet ikke var solidt, reklame alene ville ikke være nok. "

Heroux investerede sin tid i at udvikle HPCG, fordi han havde et stærkt ønske om bedre at sikre den amerikanske lagers sikkerhed og effektivitet. Supercomputersamfundet havde brug for et nyt benchmark, der bedre afspejlede behovene hos det nationale sikkerhedsvidenskabelige computersamfund.

"Jeg havde arbejdet hos Cray Inc. i 10 år, før jeg kom til Sandia i '98, " han siger, "da jeg så det algoritmiske arbejde, interesserede jeg mig for at flytte til laboratorierne for Accelerated Strategic Computing Initiative (ASCI). Da USA besluttede at overholde traktaten om omfattende forbud mod atomprøve, vi havde brug for avanceret computing for bedre at sikre atomlageret sikkerhed og effektivitet. Jeg syntes, det var en ædel ting, at jeg ville være glad for at være en del af det, og at min ekspertise kunne anvendes til at udvikle næste generations simuleringskapaciteter. ASCI var det store nye projekt i slutningen af ​​1990'erne, hvis jeg ville gøre noget meningsfuldt inden for mit område inden for forskning og udvikling. "

Heroux er nu direktør for softwareteknologi for Department of Energy's Exascale Computing Project. Der, han arbejder på at harmonisere databehandlingsarbejdet i DOE's nationale laboratorier - Oak Ridge, Argonne, Lawrence Berkeley, Pacific Northwest, Brookhaven og Fermi, sammen med de tre laboratorier i National Nuclear Security Administration.

"I dag, vi har mulighed for at skabe en integreret indsats blandt de nationale laboratorier, "sagde Heroux." Vi har nu daglige fora på projektniveau, og de mennesker, jeg arbejder tættest med, er mennesker fra de andre laboratorier. Fordi Exascale Computing Project er integreret, vi skal levere software til applikationer og hardware på alle laboratorier. Energiministeriets forsøg på et multilaboratorium, multi-universitetsprojekt giver en organisatorisk struktur for os til at arbejde sammen som en sammenhængende enhed, så software leveres til at passe til de vigtigste applikationer. "