LES SUPER-ORDINATEURS

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1 LES SUPER-ORDINATEURS Un ordinateur fait au bas mot 1 million d'opérations à la seconde, mais il a que ça à penser, aussi. - J.M. Gourio "Brèves de comptoir 1988" CRAY 1

2 1 Mesure des performances La mesure des performances de gros ordinateurs, en général constitués de plusieurs processeurs en parallèle (parfois plusieurs milliers), est relativement difficile. On indique généralement la puissance théorique qui est la somme de celles des processeurs constituants mais on s intéresse aussi à la puissance mesurée lors de benchmarks 1 qui tient mieux compte de la réalité du fonctionnement. L unité de mesure n est plus le nombre d instructions par seconde (mesuré en millions d instructions par seconde ou MIPS) mais le nombre d opérations sur des réels par seconde (FLOPS). C est ce que mesurent les benchmarks. Les multiples de cette unité sont le megaflops (1 MFLOPS = 10 6 FLOPS) et le teraflops (1 TFLOPS = 10 9 FLOPS). 2 Un peu d histoire Des tentatives de réalisation de super-ordinateurs utilisant des architectures non Von Neumann en général de type parallèle ont été entreprises très tôt. La première est, peut être, le BIZMAC de RCA, commencé en 1952, il faisait appel à des petits ordinateurs satellites sous-traitant certains travaux (échanges, tris...). Malheureusement, il ne sera terminé qu en 1958, époque à laquelle il était déjà dépassé. Pour le reste voici quelques événements clés : 1955 : IBM produit le 704 qui atteint les 5 KFLOPS : Quelques projets ambitieux démarrent cette année là :. L IBM 7030 (STRETCH) qui atteint 500 KFLOPS dont quelques exemplaires seront vendus à partir de L ATLAS de l université de Manchester et Ferranti, terminé en 1962, est la première machine a utiliser la mémoire virtuelle, l exécution des instructions en pipeline et la mise en parallèle de certains opérateurs de l UAL. Il atteint 200 KFLOPS : En France, Bull fabrique la GAMMA 60 dont l unité d échange et les trois unités de traitement fonctionnent en parallèle. Elle possède des instructions pour le parallélisme (fork et join) : CDC (Control Data Corporation) créée en 1958 lance le développement du CDC 6600 qui sera le premier super-ordinateur commercial en C est un processeur 60 bits doté de 10 unités d entrées/sorties en parallèle. Il offrira une puissance de 3 MIPS : Sous l impulsion de l Atomic Energy Commission et de l US Air Force, plusieurs projets importants démarrent : en particulier le CDC STAR-100 et l ILLIAC-IV (université de l Illinois, CDC 6600 Burroughs et Texas Instruments). Ce dernier est conçu autour de blocs de 16 processeurs. Une version de l ILLIAC-IV à 64 processeurs sera utilisée par la NASA en : Bernstein amorce les travaux sur la programmation parallèle tandis que Flynn propose une taxonomie des architectures d ordinateurs : L institut de mécanique de précision et de technologie des ordinateurs (ITMVT) de Moscou produit le BESM-6. C est une machine à 48 bits atteignant 1 MIPS. Elle contient une mémoire virtuelle et un processeur en pipeline : E. Dijkstra introduit les sémaphores qui résolvent les problèmes de concurrence et D. Adams décrit un modèle de flot de données (Dataflow). L IBM 2938 est le premier Array Processor commercialisé, il atteint les 10 MFLOPS en 32 bits. 1 Un benchmark est un programme spécialement écrit pour tester les performances d un type de machine. Pour les ordinateurs parallèles, on utilise souvent des programmes de résolution de systèmes d équations linéaires (Linpack). 2

3 1969 : G. Paul, W. Wilson et C. Cree réalisent le langage VECTRAN qui est une extension de FORTRAN permettant d exprimer du parallélisme. Un compilateur réellement parallèle : le PFC (Parallel Fortran Compiler) sera écrit en 1980 par K. Kennedy à l université de Rice. Honeywell propose son système d exploitation Multics capable de gérer des machines ayant jusqu à 8 processeurs (le nom "Unix" a été choisi en référence à Multics) : L ambitieux projet C.mmp débute à Carnegie Mellon. Il sera terminé en 1977 tandis que, dès 1975, avait démarré le projet Cm*. Dans les deux cas, il s agit d étudier des architectures à partir de multiples processeurs fortement connectés (16 mini-ordinateurs PDP-11 de DEC pour Cm*) : CDC réalise le Cyberplus qui est une machine de traitement parallèle d images radar qui atteint des performances 250 fois supérieures au CDC : S. Cray quitte CDC pour fonder Cray Research Inc. qui sera la première société exclusivement consacrée aux super-ordinateurs. Goodyear produit le STARAN constitué de 4x256 processeurs à 1 bit travaillant autour d une mémoire associative. STARAN sera utilisé pour faire du contrôle aérien. Burroughs réalise PEPE (Parallel Element Processor Ensemble) constitué, quant à lui, de 8x36 processeurs autour d une mémoire associative : Production du Cray 1, premier super-ordinateur de la firme Cray. C est un monoprocesseur vectoriel qui atteint les 133 MFLOPS et doit être refroidi au fréon. A. Davis de l université de l Utah construit avec Burrroughs le premier ordinateur Data-flow (DDM1) dont le principe d architecture avait été décrit dès 1974 par J. Dennis et D. Misunas : Kung et Leiserson publient un papier sur les réseaux systoliques qui utilisent la circulation de l information comme puissance de calcul : Au CERT de Toulouse est réalisé le premier multiprocesseur data-flow avec 32 processeurs. Il utilise le modèle statique LAU (Langage à Assignation Unique). CRAY X/MP 1982 : Cray produit le X/MP utilisant 2 processeurs vectoriels en parallèle pour atteindre les 500 MFLOPS. Cette famille sera étendue à des modèles à 4 processeurs en Hitachi présente la série des S-810 dont le premier atteint 800 MFLOPS. Fujitsu, avec son VP-200 entre aussi sur le marché des processeurs vectoriels. Il atteint 500 MFLOPS : NEC présente le SX-1 qui est aussi un ordinateur vectoriel. Avec le VP- 200 et le S-810 il confirme l entrée en force de l industrie japonaise dans ce type de machines. Goodyear Aerospace installe le MPP (Massively Parallel Processor) à la NASA. cette machine contient 16K processeurs organisés en matrice 128x128 et ayant chacun une mémoire de 1024 bits : La Connection Machine CM-1 dont l architecture avait été décrite en 1981 par D. Hillis est présentée par Thinking Machine Corp. (TMC). Elle peut comporter jusqu à processeurs à 1 bit connectés en hypercube. INTEL réalise un hypercube appelé ipsc/1 à partir de processeurs alors que ncube produit le ncube/10. Il s agit dans les deux cas d architectures massivement parallèles. Naissance du Cray-2, avec son horloge à 4,1 ns il atteint les 1,9 GFLOPS. INMOS produit le premier transputer (T414) qui est un microprocesseur spécialement adapté à la réalisation d architectures massivement parallèles et de réseaux systoliques. Il utilise le langage Occam défini par D. May en Fujitsu produit le VP-400 et NEC le SX-2 qui peut atteindre les 1,3 GFLOPS avec un seul processeur : TMC présente la Connection Machine CM-2 constituée de processeurs à 1 bit organisés en hypercube et de 2048 processeurs en virgule flottante (Weitek). Elle atteint 14 GFLOPS : INMOS produit le T800, transputer capable de calculs sur des réels. 3

4 Silicon Graphics présente les stations de travail graphiques de la Power Serie utilisant jusqu à 8 processeurs RISC R2000. Le Cray Y/MP offre, avec ses 8 processeurs vectoriels, une puissance de calcul de 2,6 GFLOPS : NEC produit son premier multiprocesseur, le SX-3. Il contient 4 processeurs vectoriels et fonctionne avec un cycle d horloge de 2,9ns, sa mémoire est de 4 Go. Il peut atteindre 22 GFLOPS. Le VP-2600 de Fujitsu peut, quant à lui, atteindre les 5 GFLOPS avec un seul processeur. CRAY Y/MP 1991 : Un ncube 2 doté de 64 processeurs, de 48 processeurs d entrée sortie et de 205 disques réalise 1073 transactions par seconde sur une BD. Cray produit le Y/MP C90 avec 16 processeurs pour 500 MFLOPS : TMC présente la Connection Machine CM-5 constituée de 1024 processeurs SPARC qui atteint 60 GFLOPS : CRAY produit le T3D pouvant être équipé de 2048 processeurs et atteindre les 300 GFLOPS. Fujitsu crée le Numerical Wind Tunnel constitué de 140 processeurs. Chaque processeur est un ordinateur vectoriel avec 256 Mo de mémoire et une performance de 1.6 GFLOPS : Lancement du projet ASCI (Accelerated Strategic Computer Initiative) dont l'objectif est de produire des machines capables de dépasser le TFLOP. INTEL y répondra par l'asci RED qui sera le premier à dépasser le TFLOP en décembre 1996, SGI par l'asci Blue Mountain et IBM par l'asci Blue Pacific. 3 Evolution des performances des super-ordinateurs : En traçant la courbe de l évolution des performances des machines on peut constater qu elle suit une progression exponentielle (l axe vertical a une échelle logarithmique). Performance en FLOPS 1000 T 100 T 10 T 1 T 100 G 10 G 1 G 100 M 10 M 1 M Années

5 Le segment de droite placé au dessous indique la puissance de calcul disponible, à la même époque, sur microordinateur (on peut constater que sur les 10 dernières années l'écart s'est creusé puisque l'on passe d'un rapport de 5000 à un rapport de ). 4 Les architectures utilisées On distingue 2 types d'architectures (selon la taxonomie de Flynn) : SIMD (Single Instruction Multi Data) qui sont constituées selon le cas : - d un seul processeur capable de traiter simultanément plusieurs données (processeur vectoriel) - de processeurs en très grand nombre (plusieurs milliers) qui exécutent tous le même programme sur différentes données (array processor). MIMD (Multi Instruction Multi Data) qui sont des architectures constituées de plusieurs processeurs interconnectés. Certaines architectures utilisent une ou plusieurs mémoires partagées par tous les processeurs d'autres des mémoires locales à chaque processeur parfois accessibles par les autres processeurs. D'autres sont constitués de grappes de processeurs ou encore de stations de travail reliées par un réseau rapide. Nous allons présenter quelques unes des machines les plus représentatives : 4.1 Les SIMD Les processeurs vectoriels Au départ il s'agissait de machines monoprocesseur spécialement adaptées au calcul vectoriel et matriciel. Elles ne dépassaient pas quelques GFLOPS. Elles ont connu leur heure de gloire mais on n'en rencontre plus beaucoup. Leurs performances sont largement dépassées par des architectures MIMD. Actuellement les processeurs vectoriels sont devenus plus rares et sont utilisés comme cœurs de machines multiprocesseurs. Constructeur Modèle Cycle d horloge pour les calculs vectoriels Cycle d horloge pour les calculs scalaires Performance (en GFLOPS) Mémoire (en Go) NEC Earth 3,1ns 3,1ns 102,4 16 Simulator Fujitsu VPP 5000/U 3,3ns 3,3ns 9,6 16 NEC SX-6i 2ns 2ns 8 8 Hitachi S-3800/180 2 ns 6 ns 8 2 NEC SX-3 2,5 ns 2,5 ns 6,4 8 Fujitsu VPX 260 3,2 ns 6,4 ns 5 2 NEC SX5S 4 ns 4 ns 4 4 Hitachi S-820/80 4 ns 8 ns 3 1 Fujitsu VX 7 ns 7 ns 2,2 2 Hitachi S-3600/180 4 ns 8 ns 2 1 NEC SX-4C 8 ns 8 ns Les array processors Ce sont des machines massivement parallèles comportant un grand nombre de processeurs élémentaires simples et relativement peu puissants exécutant tous les mêmes instructions. Leur puissance vient essentiellement du nombre élevé de ces processeurs. Ces machines sont réservées à des usages très spécifiques pour lesquels elles offrent des puissances pouvant atteindre le TFLOPS. On n en rencontre plus beaucoup et la plupart sont des machines déjà anciennes. Constructeur Modèle Cycle d horloge (en ns) Nombre maximal de processeurs Performance (en GFLOPS) Mémoire (en Go) Quadrics APEmille 3, = 32x8x8 (tore 3D) Mo par proc Thinking Machine CM en hypercube de 655,36 8 Corp. dimension 12 Thinking Machine CM en hypercube de Corp. dimension 12 INFN APE = 8x16x16 (tore 3D) 102,4 4 5

6 MasPar MP = 16x16x4x4 2,4 1 Cambridge DAP610C ,6 128 Mo Cambridge Gamma II = 64x64 2,4 512 Mo 4.2 MIMD : Les multiprocesseurs Il s agit de machines constituées de processeurs vectoriels ou de microprocesseurs mis en parallèle. La puissance de calcul est liée au nombre de processeurs mis en œuvre, dans les configurations les plus grandes ce sont des centaines de TFLOPS qui sont possibles. Dans certaines architectures, les processeurs partagent une mémoire commune organisée en bancs multiples pour permettre les accès simultanés. Ce sont en général des machines constituées de peu de processeurs vectoriels puissants. D autres sont constituées de processeurs plus classiques en très grand nombre ayant chacun leur mémoire et connectés par des réseaux spéciaux ultra rapides (crossbar, oméga, hypercubes...). Enfin, certaines architectures font appel à de multiples machines de l un des deux types précédents assemblées autour d un réseau à très haut débit permettant des communications en parallèle. CRAY T3D Le tableau ci-dessous présente un certain nombre de modèles anciens parmi les plus représentatifs : Année Constructeur Modèle Horloge ( MHz) Nombre de processeurs Type de processeur Performance (en GFLOPS) Mémoire (en Go) 1985 Cray Cray à 4 vectoriel 1, Cray YMP à 8 vectoriel 2, ncube ncube à 8192 maison 19, NEC SX à 4 vectoriel 25, INTEL Paragon à 6768 INTEL i XP/S 1991 Cray YMP C à 16 vectoriel 15, Thinking CM à vectoriel Machine Corp Meiko Computing 50 8 à SPARC et 2 204,8 128 Surface 2 vectoriels 1993 Cray T3D à 2048 DEC ALPHA 307, Fujitsu VPP à 222 vectoriel , Cray Cray à 16 vectoriel 15, IBM SP à 128 Power 2 34, ncube ncube à maison par proc SGI Power 90 2 à 128 MIPS R Challenge 1995 NEC SX à 512 vectoriel Cray YMP T à 32 vectoriel 58, SGI (Cray) T3E 300 jusqu à DEC ALPHA par proc Hitachi SR à 2048 RISC 614,4 1 par proc Fujitsu VPP à 256 CMOS vectoriel 614,

7 NEC SX-4 Les modèles récents utilisent le plus souvent des microprocesseurs classiques. En voici quelques uns classés par performance des processeurs utilisés : Constructeur Modèle Horloge ( GHz) Type de processeur Performance par proc. (GFLOPS) 102,4 Fat tree Interconnexion NEC Earth Simulator 3,2 NEC (processeur vectoriel) IBM pserie 575 4,7 IBM Power 6 18,8 Infiniband IBM BladeCenter 3,2 Power XCell 8i 12,8 Voltaire Infiniband QS22 Cluster SGI SGI Altix 3 Intel EM64T Xeon 12 Infiniband ICE 8200 E54xx Sun Sun 2,93 Intel EM64T Xeon 11,72 Infiniband Constellation X55xx (Nehalem-EP) HP Cluster 2,66 Xeon 53xx 10,7 Infiniband Platform 3000BL IBM idataplex 2,53 Intel EM64T Xeon 10,12 Gigabit Ethernet E55xx (Nehalem-EP) 9,6 Cray Cray XT5 2,3 AMD Opteron Quad 9,2 Cube 3D Core Sun Sun Blade 2,3 AMD Opteron Quad 9,2 Infiniband System Core Dawning Magic cube 1,9 AMD x86_64 Opteron 7,6 Infiniband Quad Core IBM Blue Gene/P 0,85 PowerPC 450 3,4 Propriétaire IBM Blue Gene/L 0,7 PowerPC 440 2,8 Propriétaire 7

8 5 Les systèmes installés Voici les systèmes les plus puissants actuellement en service. Pour chacun nous donnerons la puissance théorique ainsi que celle qui a pu être mesurée au cours de benchmarks exprimées en TFLOPS. Lorsqu'un même modèle de machine ou des modèles très proches sont implantés sur plusieurs sites nous ne donnerons que celui présentant la performance la plus élevée. Nom (constructeur) Roadrunner (IBM) Jaguar (Cray) Processeur Opteron dualcore 1.8 GHz + Power XCell 8i 3,2GHz AMD Opteron Quad Core 2,3GHz Nombre de processeurs Puissance théorique Puissance mesurée Année d installation Pays , USA , USA JUGENE (IBM) Blue Gene/P (IBM) ,7 825, Allemagne Pleiades (SGI) Xeon 3GHz ,83 487, USA Blue Gene/L (IBM) eserver BlueGene ,38 478, USA (IBM) Ranger (Sun) Opteron quadcore ,38 433, USA 2,3GHz JUROPA (Bull) Xeou X ,28 274, Allemagne 2,93GHz Franklin (Cray) AMD Opteron Quad , USA Core 2,1GHz Magic Cube (Dawning) AMD Opteron ,47 180, Chine Quadcore 1,9GHz Encanto (SGI) Xeon quadcore 3GHz ,03 133, USA Earth simulator (NEC) Earth simulator ,07 112, Japon Monte Rosa (Cray) AMD Opteron Quad ,5 117, Suisse Core 2,4GHz (IBM) Power P6 4,7GHz ,42 115, Angleterre FX1 (Fujitsu) Spark 64 quadcore ,28 110, Japon 2,52GHz Titane (Bull) Novascale R422-E ,51 91, France CRAY Jaguar 8

9 Et pour ce qui est des plus puissants systèmes installés en France : Modèle Constructeur Nombre de processeurs Puissance théorique (TFLOPS) Puissance mesurée (TFLOPS) Année d installation Jade - SGI Altix ICE 8200EX, Xeon quad core 3.0 GHz SGI ,74 128, Centre informatique national de l'enseignement supérieur (GENCI- CINES) Blue Gene/P Solution IBM ,26 116, IDRIS SGI Altix ICE 8200EX, Xeon quad core 3.0 GHz Frontier2 BG/L - Blue Gene/P Solution CEA-CCRT-Titane - BULL Novascale R422- E2 Tera-10 - NovaScale 5160, Itanium2 1.6 GHz, Quadrics Power 575, p6 4.7 GHz, Infiniband CEA-CCRT-Platine - Novascale 3045, Itanium2 1.6 GHz, Infiniband Lieu SGI ,88 106, Total IBM ,41 92, EDF Bull SA ,51 91, CEA Bull SA ,8 52, CEA IBM ,38 52, IDRIS Bull SA ,15 42, CEA Earth Simulator 9

10 Sommaire 1 MESURE DES PERFORMANCES MESURE DES PERFORMANCES UN PEU D HISTOIRE EVOLUTION DES PERFORMANCES DES SUPER-ORDINATEURS : LES ARCHITECTURES UTILISEES LES SIMD Les processeurs vectoriels Les array processors MIMD : LES MULTIPROCESSEURS LES SYSTEMES INSTALLES... 8 IBM Roadrunner 10

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