曙光5000高性能计算机Barrier网络的设计
曙光5000A高效能计算节点的设计与实现
曙光5000A高效能计算节点的设计与实现
曾宇;王洁;孙凝晖
【期刊名称】《计算机工程》
【年(卷),期】2009(35)6
【摘要】由于求解问题和系统规模的不断扩大,基于cluster架构的高性能计算机面临扩展性、可靠性、功耗、占地面积、均衡性等诸多挑战.该文针对计算模块、交换管理模块、自适应功率管理、专用FPGA硬件加速部件、高速PCI-E全交换扩展等方面,设计并实现高效能计算节点.基于该节点构建的曙光5000A百万亿次计算机能有效解决计算密度、I/O扩展及带宽瓶颈和能耗等方面的瓶颈.
【总页数】4页(P17-19,22)
【作者】曾宇;王洁;孙凝晖
【作者单位】中国科学院计算技术研究所计算机系统结构重点实验室,北京,100080;中国科学院研究生院,北京,100039;中国科学院计算技术研究所计算机系统结构重点实验室,北京,100080;中国科学院研究生院,北京,100039;中国科学院计算技术研究所计算机系统结构重点实验室,北京,100080
【正文语种】中文
【中图分类】TP303
【相关文献】
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3.AMD助力曙光 5000A跻身全球超级计算机前十强 [J],
4.艾默生为上海超算“曙光5000A”配套制冷系统 [J], 潘
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高性能计算机系统设计与实现
高性能计算机系统设计与实现一、概述在当今快速发展的计算机产业中，高性能计算机已成为各大企业和科研机构必备的设备之一。
高性能计算机具有处理能力强、并行计算能力高、存储系统大等多种特点，因此在各个领域的计算问题中都扮演着重要角色。
本文将介绍高性能计算机的设计与实现。
二、高性能计算机系统的组成高性能计算机系统通常由四个主要部分组成，分别是计算节点、通信网络、I/O子系统和管理节点。
1、计算节点计算节点是高性能计算机的核心部分，它包括多个处理器和内存模块。
处理器通常是多核或多处理器结构，它们可以同时运行多个线程，加快计算速度。
内存模块通常为高速缓存或显存，以支持更快的数据交换。
2、通信网络高性能计算机的另一个核心组成部分是通信网络。
通信网络是连接计算节点和I/O子系统的桥梁，确保数据的快速传输和并行计算的正确性。
在高性能计算机系统中，通信网络通常采用高速互联技术，例如Infiniband和Myrinet等技术。
3、I/O子系统I/O子系统是高性能计算机系统中进行数据输入输出的部分。
在不同的应用中，I/O子系统的需求也不同。
例如，在高性能计算机系统中，大规模的并行文件系统可以帮助处理大量数据的并行读写操作，从而加快大规模数据处理的速度。
4、管理节点高性能计算机系统还需要一个管理节点来控制计算节点、通信网络和I/O子系统之间的协作，并支持用户在集群中的资源调度和管理。
三、高性能计算机系统的性能指标性能是高性能计算机系统所追求的核心之一。
高性能计算机系统的性能指标通常有以下几个方面：1、处理器性能处理器性能通常使用FLOPS（每秒浮点运算次数）和IPC（每指令周期执行的指令数）来衡量，FLOPS越高、IPC越高，则代表高性能计算机的单个处理器运行速度越快。
2、并行计算能力高性能计算机系统的主要特点之一是能够进行并行计算，因此并行计算能力也是性能指标之一。
并行计算能力通常使用并行化算法的执行时间来衡量，同时需要考虑负载均衡和通信开销等因素。
高性能计算网络
高性能计算网络高性能计算网络（High Performance Computing Network）是一种专门用于处理大数据和高性能计算任务的网络体系结构。
它是在传统计算机网络基础上进行了优化和升级，旨在满足大规模计算需求和高速数据传输的要求。
一、概述现代社会对计算资源的需求日益增长，各行各业都在应用中涉及到大规模数据处理和复杂计算任务。
传统计算机网络已经无法满足这些要求，因此高性能计算网络的出现成为必然。
高性能计算网络采用了先进的通信技术和网络设备，通过提高带宽、降低延迟以及加强网络安全性等手段，为大规模计算提供了强有力的支持。
二、关键技术1. 高带宽通信高性能计算网络采用了光纤传输和高速以太网等高带宽通信技术，以满足大数据传输需求。
光纤传输具有高速度、低延迟和抗干扰能力强等特点，能够实现长距离、大容量的数据传输。
高速以太网技术则提供了更高的传输速率和更大的带宽，能够支持大规模数据中心和存储服务器之间的快速通信。
2. 并行计算高性能计算网络采用并行计算技术，将大规模任务分割成多个子任务并行计算，提高计算速度和效率。
并行计算可以通过分布式计算、多核并行处理器和图形处理器等实现。
高性能计算网络通过优化任务调度和数据传输，有效利用计算资源和带宽，提高计算效率和性能。
3. 数据存储与管理高性能计算网络采用分布式文件系统和存储技术，实现大规模数据的高效存储和管理。
分布式文件系统能够将数据分散存储在多个节点上，提高数据的可靠性和可用性。
同时，高性能计算网络还支持大规模数据的备份、压缩和加密等功能，保障数据的安全性和完整性。
4. 网络安全和管理高性能计算网络强调网络安全和管理，采用了多层次的安全策略和措施，保护网络和计算资源不受恶意攻击和非法篡改。
包括防火墙、入侵检测系统、访问控制和身份认证等技术，保障计算任务的安全进行和数据的保密性。
同时，高性能计算网络还提供了管理和监控工具，方便管理员对网络设备和计算资源进行监控和管理。
堆叠式高性能计算机的网络拓扑设计
堆叠式高性能计算机的网络拓扑设计随着计算机技术的快速发展，高性能计算机逐渐成为了科学研究、工业生产和商业运营等领域所必不可少的重要工具。
而在高性能计算机中，网络拓扑结构的设计则是影响其性能表现的重要因素之一。
在本文中，我将重点探讨堆叠式高性能计算机的网络拓扑设计。
一、堆叠式高性能计算机的概述堆叠式高性能计算机，一般由多个处理器节点、高速交换机和存储设备等组成。
其中，每个节点都有多个处理器核心，它们可以同时运行并行计算任务。
在堆叠式高性能计算机中，节点和交换机一般以裸机互连的方式进行连接。
裸机互连即直接将节点和交换机的端口以电缆连接的方式进行互联，因此可以获得更低的网络通信延迟和更高的带宽。
二、常见的网络拓扑结构在高性能计算机中，常见的网络拓扑结构包括星型、总线、环形、树形和网格等，每种拓扑结构都有其优势和劣势。
1. 星型星型拓扑是将多个节点连接到一个中央节点上，形成一个星型结构的网络。
这种拓扑结构的优势在于中央节点能够很好地控制整个网络的流量，因此该结构有很好的可扩展性。
但是，该结构的缺陷在于中央节点的故障将导致整个网络的瘫痪。
2. 总线总线拓扑是将多个节点通过共享一个总线进行互联，形成一个线性结构。
该拓扑结构的优势在于节点之间的通信非常简单，因此适用于节点数量较少的情况。
但是，该结构的缺陷在于当总线带宽受限时，整个网络的性能将受到很大影响。
3. 环形环形拓扑是将多个节点以环形结构进行连接，每个节点只能和相邻节点进行通信。
该拓扑结构的优势在于具有很好的可扩展性，同时节点之间的通信延迟较小。
但是，该结构的缺陷在于当某个节点故障时，整个网络将会被切断。
4. 树形树形拓扑是将多个节点按树型结构进行连接，每个节点只能和它的父节点和子节点进行通信。
该拓扑结构的优势在于具有很好的可扩展性，同时节点之间的通信延迟较小。
但是，该结构的缺陷在于当根节点故障时，整个网络将会被切断。
5. 网格网格拓扑是将多个节点按矩形形状进行互联，每个节点只能和相邻节点进行通信。
魔方(曙光5000A)超级计算机的测试与分析
ＳＰ－Ｍ Ｚ随着问题规模的增加（如从 Ｃ ＬＡ ＳＳ Ａ 到 Ｃ ＬＡ ＳＳ Ｅ ），整个计算域被划分成多个相等大小的子 域，这样ＳＰ－Ｍ Ｚ就易于达到负载均衡。相比之下， Ｂ Ｔ－Ｍ Ｚ由于问题的特性产生的ｚｏｎｅ的大小变化很大， 使其更接近于真实的应用场景。而Ｂ Ｔ－Ｍ Ｚ每个ｚｏｎｅ的 大小不相同，ｚｏｎｅ的大小变化跨度大，最大的ｚｏｎｅ和 最小的ｚｏｎｅ大小比接近２０，这就使得Ｂ Ｔ－Ｍ Ｚ相比ＳＰ－ Ｍ Ｚ更难以达到负载均衡。
４． Ｂ ｅｎｃｈｍ ａｒｋ结果及分析
４．１ Ｓ ｔｒｅａｍ 测试结果及分析 在“魔方”刀片上使用１６线程，测试规模
Ｎ ＝２２７，Ｓｔｒｅａｍ 使用的内存为３Ｇ Ｂ ，使用 ｐｇｃｃ ７．０ 编 译器，编译选项为－ｆａｓｔ －ｍ ｐ －Ｏ ２ －ｔｐ ｂａｒｃｅｌｏｎａ－６４ － ｍ ｃｍ ｏｄｅｌ＝ｍ ｅｄｉｕｍ ，编译Ｓｔｒｅａｍ 得到的数据如表１。
文中，以“魔方”作为测试平台，选取单点内 存带宽测试程序Ｓｔｒｅａｍ 进行单点性能测试，使用Ｉｎｔｅｌ Ｍ ＰＩ Ｂ ｅｎｃｈｍ ａｒｋ进行集群系统的组通信性能测试； 应用上，选取已被广泛用于评价高性能计算机系统 的Ｎ Ａ Ｓ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｂ ｅｎｃｈｍ ａｒｋ及Ｎ Ａ Ｓ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｂ ｅｎｃｈｍ ａｒｋ Ｍ ｕｌｔｉ－Ｚｏｎｅ作为测试算例，研究在Ｈ ＰＰ架构下消息传 递编程模型、共享内存编程模型及混合编程模型下 应用的性能。
如何设计高可用性的超级计算机网络架构
如何设计高可用性的超级计算机网络架构超级计算机网络架构的高可用性是确保系统在面对硬件故障、网络中断或其他意外情况时能够保持持续运行的能力。
设计一个高可用性的超级计算机网络架构需要考虑各个方面的因素，包括硬件冗余、网络拓扑、高带宽和低延迟等。
首先，一个高可用性的超级计算机网络架构需要具备硬件冗余机制。
这意味着在关键的计算节点、存储设备和网络交换设备上都需要设置冗余的备份。
当一个节点或设备发生故障时，系统可以无缝地切换到备份设备，保持整个系统的功能性。
冗余机制可以采用主-备份或主-主模式，确保在主设备故障时备份设备能够接替工作，并且切换过程对用户是透明的。
其次，网络拓扑的设计对于高可用性至关重要。
采用多路径网络拓扑可以提高网络的弹性和鲁棒性。
通过将计算节点和存储设备连接到多个交换设备，可以避免单点故障，确保网络的连通性。
同时，使用高可靠性的交换设备和路由器，通过自适应路由和快速转发算法，可以降低网络传输的延迟和丢包率，提高系统的性能和可靠性。
另外，高带宽和低延迟是保证超级计算机网络架构高可用性的关键要素。
在设计网络时，需要考虑计算节点之间的数据传输需求，选择高带宽的传输介质和协议。
此外，通过使用高速交换设备和光纤通信技术，可以减小数据传输的延迟，提高系统的响应速度。
除了以上几点，还需要考虑监控和管理系统的策略。
通过实时监测网络设备和计算节点的状态，可以及时发现故障并采取相应的措施。
同时，建立自动化的故障诊断和恢复机制，可以减少人为干预，提高系统的可靠性和稳定性。
除了硬件和网络层面的设计，还需要考虑软件层面的工作。
一个高可用性的超级计算机网络架构需要具备分布式计算和存储系统。
通过将计算和存储任务分发到不同的节点上，并采用数据冗余和备份机制，可以提高系统的性能和可靠性。
此外，采用容错和恢复机制，例如检验点和回滚，能够保证在节点故障后能够恢复到故障前的状态。
总结起来，设计一个高可用性的超级计算机网络架构需要考虑硬件冗余、网络拓扑、高带宽和低延迟、监控和管理以及分布式计算和存储系统等方面的因素。
计算机的网络规划设计与实施方案
计算机的网络规划设计与实施方案在当今数字化时代，任何一个企业、学校或机构都无法避免网络的存在。
一个稳定、高效的网络不仅能够提高效率，还能给用户带来更好的体验。
因此，在设计计算机的网络规划方案时，我们需要综合考虑网络的稳定性、性能、成本以及未来的扩展性。
一、网络拓扑结构设计网络拓扑结构主要指网络的物理连接方式。
目前常见的网络拓扑结构有总线型、星型、环状、树状、网状等多种形式。
其中，星型网络较为常见，并且布线较为方便与管理，因此我们在网络规划设计中采用星型网络拓扑结构。
为了提高网络的可扩展性，我们采用三层结构设计，分别为核心层、汇聚层和接入层。
核心层主要负责网络的高速转发、安全策略的控制以及路由的处理。
汇聚层主要是对接入层交换机进行数据聚合，同时再次确定访问控制、策略实施等决策，同时还要保证汇聚路由器的高可靠性。
接入层则是直接与终端用户相连接的层次，涉及网口数量最多，同时需要维持较高的通道带宽，还要适应不同客户端的各种应用场景需求，确保网络的质量与稳定性。
二、网络安全方案设计由于网络的开放性，面临安全性问题。
因此，设计网络安全方案是网络规划设计中重要的一环。
我们需要从数据的保护、用户访问控制、网络运行监控和数据加密四方面考虑网络的安全。
首先，我们需要通过网络安全防火墙实现对所有路由接口的访问控制，只有通过认证的用户才能进入系统。
进一步地，我们可以在防火墙内部设置安全区域，以限制可能的威胁和非法访问。
其次，我们可以将敏感数据加密，从而保护网络中的敏感信息。
第三，实时监测网络运行情况，识别故障，避免职责不落实。
最后，为了增强系统的安全性，我们可以使用业内公认的安全协议，如IPSec、SSH等。
三、硬件设备选配硬件设备的选配是保证网络运行稳定性与性能的基础。
所选设备需要具备高度的稳定性、性能和扩展性等特点。
我们需要根据不同层次的网络需求，选择相应的网络设备。
如核心层需要选用可靠性极高的路由器设备、汇聚层需要选择强大的交换机，并配备多个冗余的连接，而接入层所需的设备则要求更高的数据聚合和并发处理能力。
高性能计算平台的设计与实现
高性能计算平台的设计与实现高性能计算（High Performance Computing，HPC）是一种针对大规模数据计算和处理的计算方式，用于解决复杂问题和加快科学研究的速度。
设计和实现高性能计算平台是提高计算效率和加速科学研究的关键。
本文将介绍高性能计算平台的设计原理和实现方法。
首先，一个高性能计算平台需要具备高带宽、低延迟的互连网络。
互连网络决定了计算节点之间的通信效率和数据传输速度。
一种常用的互连网络拓扑结构是全互连网络，其中每个计算节点都直接连接到其他计算节点，实现最快的数据传输。
此外，网络拓扑结构还应考虑有效的路由算法，以实现最短路径和负载均衡。
针对大规模的数据中心和超级计算机，还可以采用多层次的互连网络，如三维扇出网格（3D Torus），以实现更好的扩展性和容错性。
其次，高性能计算平台的计算节点需要具备高性能的处理器和内存。
处理器的选择非常关键，常用的选项包括领先的多核处理器、图形处理器（GPU）和专用加速器。
这些处理器都具备较高的并行性和浮点运算能力，适用于并行计算。
内存的选择应考虑计算节点的内存容量和带宽，以满足大规模数据的计算和传输需求。
此外，高性能计算平台的存储系统也需要具备高速读写和存储容量，以支持大规模的数据存储和检索。
此外，高性能计算平台的操作系统和软件工具也需要进行优化和定制。
操作系统应能充分发挥硬件资源的性能，并提供有效的并行计算支持。
一些常用的优化技术包括使用高效的调度算法、减少上下文切换、合理分配资源等。
软件工具方面，可以使用并行计算框架如MPI（Message Passing Interface）和OpenMP（Open Multi-Processing），以实现分布式计算和并行任务的协同工作。
针对特定的科学计算领域，还可以利用专门的数值计算库、数据可视化工具和大规模并行处理软件来优化计算性能。
另外，高性能计算平台的管理和监控系统也是非常重要的。
管理系统可以用于实时监控和管理计算节点的运行状态、负载均衡、任务调度等。
曙光GPGPU高性能计算解决方案
曙光GPGPU高性能计算解决方案曙光信息产业（北京）有限公司2010年5月目录1.曙光方案优势 (4)1.1.CPU和GPU计算能力均衡设计 (4)1.2.采用水冷散热设计 (4)1.3.采用低延迟Infiniband设计 (5)1.4.配置了丰富的集群软件 (5)1.5.专业的高性能计算厂商 (5)2.曙光公司与中国高性能计算 (7)3.GPGPU的应用及其产品 (9)4.曙光百万亿次GPGPU高性能计算解决方案 (12)4.1.总体设计原则 (12)4.2.方案配置 (13)4.2.1.系统总体布置图 (13)4.2.2.方案一（260T） ...............................................................错误!未定义书签。
4.2.3.方案二（193T） ...............................................................错误!未定义书签。
4.3.曙光GHPC1000高性能计算机 (14)4.3.1.概述 (14)4.3.2.特性与优势 (16)4.3.3.技术规格 (17)4.4.计算系统 (17)4.4.1.概述 (17)4.4.2.技术特色 (18)4.4.3.技术规格 (19)4.5.网络系统 (21)4.6.存储系统 (24)4.7.软件系统 (28)4.7.1.Gridview服务器综合管理系统 (28)4.7.2.PowerConf服务器节能软件 (35)5.机房建设方案 (38)5.1.水冷机柜方案 (38)5.1.1.概述 (38)5.1.2.高效节能的水冷机柜系统 (39)5.1.3.水冷机柜产品介绍 (40)5.1.4.冷机柜解决方案 (43)5.1.5.机房物理环境要求及水冷机柜系统设备参数 (45)5.2.风冷机柜方案 (47)5.2.1.机柜尺寸和摆放要求 (47)5.2.2.机房环境要求 (49)5.2.3.供电和环境要求 (50)6.用户服务方案 (51)6.1.售后服务承诺 (51)6.1.1.概要 (51)6.1.2.保修期限和服务方式 (51)6.1.3.服务流程及响应时间 (52)6.1.4.有偿服务收费标准 (54)6.2.技术支持及服务项目 (55)6.2.1.硬件升级服务项目 (55)6.2.2.系统软件支持服务项目 (55)6.2.3.应用软件及解决方案支持服务项目 (56)6.2.4.应用开发和移植支持服务项目 (56)7.培训方案 (57)7.1.概述 (57)7.2.培训目标 (58)7.3.培训教材 (58)7.4.项目实施前培训 (58)7.4.1.培训方式 (58)7.4.2.培训地点 (59)7.4.3.培训人数 (59)7.4.4.培训内容 (59)7.4.5.培训时间 (60)7.5.现场培训 (61)1.曙光方案优势1.1. CPU和GPU计算能力均衡设计曙光GHPC 1000高性能计算平台采用通用CPU和专用GPU均衡设计，既保证了GPU的处理性能，又兼顾了通用CPU的计算能力。
高性能计算机体系结构的设计
高性能计算机体系结构的设计 高性能计算机作为国家科技发展的重点和技术竞争的核心，其体系结构的设计被视为高性能计算领域中最重要的研究方向之一。高性能计算机体系结构的设计涵盖了多个方面，如指令集架构、内存访问模式、处理器核心结构和通信互联等，其中每个方面的设计都直接影响着计算机的性能和可扩展性。
在指令集架构的设计中，重要因素包括指令格式、操作码和寻址方式等。指令集应尽可能简单，以便于实现和编译优化。此外，在跨平台环境下，指令集必须兼容不同架构的处理器，避免因指令集不兼容而产生的兼容性问题。
内存访问模式是高性能计算机体系结构设计中的另一个重要方面。内存访问模式可以影响程序的数据访问模式和性能，包括缓存大小和缓存行大小等。为了获得更好的性能，可以采用多级缓存设计，在数据访问时间和空间复杂度之间进行平衡。
在处理器核心结构设计中，关键因素包括流水线深度、指令并行性和分支预测等。流水线深度的选择应该基于计算机的主要应用程序的处理器需求来定，以最大程度地利用硬件资源和提高性能。指令并行性是通过并行执行多个指令来提升性能的一种技术。分支预测则是指在处理器内部预测分支操作后会发生的指令，提前装载与分支条件相符的操作，以进一步提高处理器的执行效率。
通信互联是高性能计算机体系结构设计中最关键的方面，对整个计算机的性能起着至关重要的作用。通信互联应该采用高速、低延迟的网络结构，结合多种拓扑结构和通信协议，以保证计算机在处理大型和复杂数据集时具有高性能、高效和可扩展性。
高性能计算机体系结构的设计需要综合考虑上述多个方面，各个组件之间以最佳方式相互协作以达到最佳的性能、可扩展性和稳定性。本篇文章最后需要强调的是，高性能计算机体系结构的设计是一个非常严谨和复杂的工作，需要联合多个领域的专业人才，才有可能取得成功。
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”（ 国科 学 院 研 究 生 院 中
北 京 １０ ９ ） ０ １０
北 京 １ ０ ３ ） ０ ０ ９
摘
要
为 优 化 Ｂ ｒｉｒ 作 的性 能 ， 高 大 规 模 并 行 计 算 应 用 在 曙 光 ５ ０ ａｒ 操 ｅ 提 ０ ０系统 中 的执 行 效 率 ， 中提 出 了一 种 基 文
于 硬件 的 Ｂ ｒｉ 加 速 设 计 ． ａｒ ｒ ｅ 该设 计 是 采 用 树 形 Ｂ ｒｉ 算 法 ， 过 增 强 曙光 ５ ０ ａｒ ｒ ｅ 通 ０ ０互联 网 络 交 换 芯 片 的功 能 ， 现 低 实
延 迟 、 扩 展 、 可靠 和可 管理 的 Ｂ ｒｉ 可 高 ａｒ ｒ网络 ． 网 络 支 持 并 发 １ ｅ 该 ６个 Ｂ ｒｉ 操 作 ， 在 Ｆ ｔ ｅ 扑 环 境 下 实 现 ａｒ ｒ ｅ 可 ａ Ｔｒｅ拓 —
Ａｂ ｔａ ｔ ｓ ｒ ｃ
Ｔｏ ｌ ｗ ｅ ｒ ｉｒｏｐ ｒ ｔｏｎ Ｓｌ ｔ ｎ ｙ ａ ｄ ｉ ｐｒ ｖ ａ ｇ ｓ ａ ｅ ｐ ｒ ｌｅ ｐ ｉａ ｉ ｎｓ ｅ ｆ— ｏ ｒｂａ ｒｅ ｅ ａ ｉ ａ ｅ ｃ ｎ ｍ ｏ ｅ ｌ ｒ ｅ— ｃ ｌ ａ ａｌ ｌａ ｐｌｃ ｔｏ ｆｉ
第３卷 １
第１ ０期
计
算
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学
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Ｖｏ ．３ Ｎｏ ０ １ １ ．１
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２０ ０ 年 １ Ｏ月
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关 键 词 高性 能 计 算 机 ； 级 互 联 网络 ； 树 ； ａ ｒ ｒ 同 步 ； 约 ； 发 ； 多 胖 Ｂ ｒ ｅ； ｉ 归 分 可靠 中 图法 分 类 号 ＴＰ ０ ３３
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