คิวซีดีโอซี
QCDOC ( quantum chromodynamics on a chip) คือ เทคโนโลยี ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่เน้นการใช้หน่วยประมวลผล ราคาถูกและ ใช้พลังงานต่ำเพื่อสร้าง เครื่องจักร แบบขนานขนาดใหญ่เครื่องจักรนี้ถูกสร้างขึ้นมาโดยเฉพาะเพื่อแก้ปัญหาขนาดเล็กแต่มีความต้องการสูงมากในสาขาฟิสิกส์ควอนตัม
ภาพรวม
คอมพิวเตอร์ได้รับการออกแบบและสร้างขึ้นร่วมกันโดยมหาวิทยาลัยเอดินบะระ (UKQCD) มหาวิทยาลัยโคลัมเบียศูนย์วิจัยRIKEN BNL Brookhaven และIBM [ 1 ]วัตถุประสงค์ของความร่วมมือคือการใช้ประโยชน์จากสิ่งอำนวยความสะดวกด้านการคำนวณสำหรับทฤษฎีสนามแลตติสซึ่งมีเป้าหมายหลักคือการเพิ่มพลังการทำนายของแบบจำลองมาตรฐาน ของการ ปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคพื้นฐานผ่านการจำลองเชิงตัวเลขของควอนตัมโครโมไดนามิกส์ (QCD) เป้าหมายคือการสร้างซูเปอร์คอมพิวเตอร์แบบขนานขนาดใหญ่ที่สามารถทำความเร็วสูงสุดได้ถึง 10 Tflopsโดยมีพลังงานคงที่ที่ความจุ 50%
ปัจจุบันมี QCDOC จำนวน 3 เครื่องที่ใช้งานอยู่ โดยแต่ละเครื่องสามารถประมวลผลได้สูงสุด 10 Tflops
- ศูนย์ประมวลผลแบบขนาน ( EPCC ) ของมหาวิทยาลัยเอดินบะระดำเนินการโดย UKQCD ตั้งแต่ปี 2005
- ศูนย์วิจัย RIKEN BNL Brookhaven ณห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Brookhaven
- โครงการด้านพลังงานสูงและฟิสิกส์นิวเคลียร์ของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ ณ ห้องปฏิบัติการแห่งชาติบรูคเฮเวน
บุคลากรทางวิชาการ ของสหราชอาณาจักรประมาณ 23 คนรวมถึงนักวิจัยหลังปริญญาเอกและนักศึกษาจากมหาวิทยาลัย 7 แห่ง เป็นสมาชิกของ UKQCD ค่าใช้จ่ายได้รับการสนับสนุนผ่านรางวัล Joint Infrastructure Fund Award มูลค่า 6.6 ล้านปอนด์ ค่าใช้จ่ายด้านบุคลากร (การสนับสนุนระบบ โปรแกรมเมอร์นักฟิสิกส์ และนักวิจัยหลังปริญญาเอก) อยู่ที่ประมาณ 1 ล้านปอนด์ต่อปี ค่าใช้จ่ายด้านการคำนวณและการดำเนินงานอื่นๆ อยู่ที่ประมาณ 0.2 ล้านปอนด์ต่อปี[ 2 ]
QCDOC ถูกสร้างขึ้นเพื่อทดแทนการออกแบบรุ่นก่อนหน้าอย่าง QCDSPซึ่งใช้พลังงานจากการเชื่อมต่อDSP จำนวนมาก เข้าด้วยกันในลักษณะเดียวกัน QCDSP ใช้โหนด 12,288 โหนดเชื่อมต่อกับเครือข่าย 4 มิติ และทำความเร็วได้ถึง 1 เทราฟลอปในปี 1998
QCDOC อาจถือได้ว่าเป็นต้นแบบของซู เปอร์คอมพิวเตอร์ Blue Gene/L ที่ประสบความสำเร็จอย่างสูง ทั้ง สองมีลักษณะการออกแบบที่คล้ายคลึงกันหลายอย่าง และความคล้ายคลึงกันนั้นไม่ได้จำกัดอยู่แค่ลักษณะภายนอกเท่านั้น Blue Gene ก็เป็นซูเปอร์คอมพิวเตอร์แบบขนานขนาดใหญ่เช่นกัน สร้างขึ้นด้วย โหนด SoCที่ใช้PowerPC 440 ราคาถูกและค่อนข้างอ่อนแอจำนวนมาก เชื่อมต่อกันด้วยเครือข่ายแบบตาข่ายหลายมิติที่มีแบนด์วิดท์สูง อย่างไรก็ตาม ความแตกต่างอยู่ที่โหนดประมวลผลใน BG/L มีประสิทธิภาพมากกว่าและเชื่อมต่อด้วยเครือข่ายที่เร็วและซับซ้อนกว่า ซึ่งสามารถขยายขนาดได้ถึงหลายแสนโหนดต่อระบบ
สถาปัตยกรรม
โหนดประมวลผล
หน่วยประมวลผลหลักเป็นชิป ASIC แบบกำหนดเอง โดยแต่ละชิปมีทรานซิสเตอร์ประมาณห้าสิบล้านตัว ส่วนใหญ่ประกอบขึ้นจากส่วนประกอบพื้นฐานที่มีอยู่แล้วของIBM โดยมีแกนประมวลผลหลักเป็น PowerPC 440 ความเร็ว 500 MHz พร้อมDRAM ขนาด 4 MB , ระบบจัดการหน่วยความจำสำหรับ DDR SDRAMภายนอก, ระบบ I/O สำหรับการสื่อสารระหว่างโหนด และอีเธอร์เน็ตคู่ในตัว หน่วยประมวลผลหลักสามารถประมวลผลได้ 1 Gflops แบบความแม่นยำสองเท่า แต่ละโหนดมีซ็อกเก็ต DIMMหนึ่งช่องที่สามารถรองรับECC DDR SDRAMความเร็ว 333 MHz ได้ระหว่าง 128 ถึง 2048 MB
การสื่อสารระหว่างโหนด
แต่ละโหนดมีความสามารถในการส่งและรับข้อมูลจากเพื่อนบ้านที่อยู่ใกล้ที่สุด 12 โหนดในโครงสร้างตาข่ายหกมิติ ด้วยอัตรา 500 เมกะบิตต่อวินาทีต่อโหนด ทำให้มีแบนด์วิดท์นอกโหนดรวม 12 กิกะบิตต่อวินาที แต่ละช่องสัญญาณทั้ง 24 ช่องนี้มีDMAสำหรับถ่ายโอนข้อมูลไปยัง DRAM บนชิปของโหนดอื่นหรือ SDRAM ภายนอก ในทางปฏิบัติจะใช้เพียงสี่มิติในการสร้างโครงสร้างย่อยแบบทอรัสสำหรับการสื่อสาร โดยอีกสองมิติที่เหลือจะใช้ในการแบ่งระบบ
ระบบปฏิบัติการสื่อสารกับหน่วยประมวลผลโดยใช้เครือข่ายอีเธอร์เน็ต นอกจากนี้ยังใช้สำหรับการวินิจฉัย การกำหนดค่า และการสื่อสารกับอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลบนดิสก์ด้วย
การออกแบบเชิงกล
โหนดสองตัวถูกจัดวางไว้ด้วยกันบนการ์ดลูกที่มีซ็อกเก็ต DIMM หนึ่งช่องและฮับอีเธอร์เน็ต 4:1 สำหรับการสื่อสารภายนอก การ์ดลูกมีขั้วต่อสองตัว ตัวหนึ่งสำหรับเครือข่ายการสื่อสารระหว่างโหนด และอีกตัวสำหรับพลังงาน อีเธอร์เน็ต นาฬิกา และสิ่งอำนวยความสะดวกอื่นๆ สำหรับการจัดการระบบภายใน
การ์ดลูก 32 ตัวถูกจัดวางในสองแถวบนเมนบอร์ดที่รองรับ การสื่อสารอีเธอร์เน็ตภายนอกความเร็ว 800 เมกะบิต/วินาที เมนบอร์ดแปดตัวถูกจัดวางในกล่องที่มีแผงเชื่อมต่อสองแผง โดยแต่ละแผงรองรับเมนบอร์ดได้สี่ตัว แต่ละกล่องประกอบด้วยโหนดประมวลผล 512 โหนด และเครือข่ายการสื่อสารไฮเปอร์คิวบ์ 2 6โหนด โหนดหนึ่งใช้พลังงานประมาณ 5 วัตต์ และแต่ละกล่องมีการระบายความร้อนด้วยอากาศและน้ำ ระบบที่สมบูรณ์สามารถประกอบด้วยกล่องจำนวนเท่าใดก็ได้ โดยมีจำนวนโหนดรวมสูงสุดหลายหมื่นโหนด
ระบบปฏิบัติการ
QCDOC ใช้ระบบปฏิบัติการที่สร้างขึ้นเองชื่อ QOSซึ่งช่วยอำนวยความสะดวกในการบูต การทำงาน การตรวจสอบ การวินิจฉัย และประสิทธิภาพ และทำให้การจัดการโหนดประมวลผลจำนวนมากง่ายขึ้น ระบบนี้ใช้เคอร์เนล แบบฝังตัวที่ออกแบบเอง และให้ความเข้ากันได้กับ POSIX ("แบบยูนิกซ์") ในกระบวนการเดียว โดยใช้ไลบรารี Cygnus newlibเคอร์เนลประกอบด้วย สแต็ก UDP / IP ที่เขียนขึ้นเป็นพิเศษ และ ไคลเอ็นต์ NFSสำหรับการเข้าถึงดิสก์
ระบบปฏิบัติการยังรักษาพาร์ติชั่นระบบไว้เพื่อให้ผู้ใช้หลายคนสามารถเข้าถึงส่วนต่างๆ ของระบบสำหรับแอปพลิเคชันที่แตกต่างกันได้ แต่ละพาร์ติชั่นจะเรียกใช้แอปพลิเคชันไคลเอ็นต์ได้เพียงแอปเดียวในแต่ละครั้ง การทำงานแบบมัลติทาสก์จะถูกกำหนดเวลาโดยระบบควบคุมโฮสต์ ซึ่งเป็นคอมพิวเตอร์ทั่วไปที่ใช้พอร์ตอีเธอร์เน็ตจำนวนมากเชื่อมต่อกับ QCDOC