Xeon Phi: Η επομενη ημερα των υπερ-υπολογιστων

Στη διαμάχη για τα συστήματα exascale, η Intel πραγματοποιεί μια μικρή αλλαγή, που μπορεί να επιφέρει μεγάλες αλλαγές στο σχεδιασμό των συστημάτων με τον επερχόμενο επεξεργαστή Xeon Phi.

Η Intel υπόσχεται μεγάλες βελτιώσεις στην απόδοση και στη διαχείριση της ενέργειας με το ανασχεδιασμένο chip με την κωδική ονομασία Knights Landing. Το chip θα περιλαμβάνει σημαντικές καινοτομίες και αναβαθμίσεις σε θέματα διασυνδέσεων και διαχείρισης μνήμης, που μπορούν σύμφωνα με την εταιρεία να το διαχωρίσουν από τους υπόλοιπους συνεπεξεργαστές, όπως για παράδειγμα οι επεξεργαστές γραφικών, που χρησιμοποιούνται σε πολλές περιπτώσεις για την επιτάχυνση τεχνικών συστημάτων ανάλυσης, 

Η νέα γενιά του Xeon Phi, θα μπορεί να λειτουργεί ως βασικός επεξεργαστής ή ως συνεπεξεργαστής που περιλαμβάνεται σε μια PCI κάρτα. Πρόκειται για μεγάλη διαφοροποίηση σε σχέση με τη σύγχρονη γενιά, η οποία λειτουργεί ως συνεπεξεργαστής και απαιτεί ένα Server CPU, όπως είναι για παράδειγμα ο Xeon E5, για να μπορέσει να τρέξει ένα λειτουργικό σύστημα και τις απαραίτητες εφαρμογές.

Οι σύγχρονοι υπερυπολογιστές εκμεταλλεύονται την υπολογιστική ισχύ επεξεργαστών και συνεπεξεργαστών όπως είναι ο Phi για να τρέξουν εφαρμογές σε τομείς όπως τα φάρμακα, η άμυνα, η ενέργεια και η επιστήμη γενικότερα. Αλλά με τη νέα γενιά, ο επεξεργαστής λειτουργεί τόσο ως βασικός όσο και ως συνεπεξεργαστής οπότε υπάρχει σαφώς μικρότερη ανάγκη για επιπλέον components, κάτι που οδηγεί σε μείωση του μεγέθους και τους κόστους δημιουργίας ενός υπερυπολογιστή.

Οι Ηνωμένες Πολιτείες, η Κίνα και η Ιαπωνία έχουν ξεκινήσει τη διαμάχη για το ποια θα δημιουργήσει τον πρώτο υπερυπολογιστή exascale. Αλλά οι περιορισμοί στο σχεδιασμό λόγω υψηλής κατανάλωσης έχουν περιορίσει στο ελάχιστο την ανάπτυξη τέτοιων συστημάτων και εταιρείες όπως οι Cray, IBM, Intel και Nvidia αναπτύσσουν νέους servers και αποδοτικά chips όσον αφορά στη διαχείριση της ενέργειας

Ο πιο γρήγορος υπερυπολογιστής του κόσμου είναι στην Κίνα με την ονομασία Tianhe-2 και η απόδοσή του φτάνει τα 33,86 petaflops. Στηρίζεται σε Intel Xeon E5 ως βασικούς επεξεργαστές και τους Xeon Phi ως συνεπεξεργαστές. Οι εταιρείες κατασκευής επεξεργαστών έχουν θέσει ως στόχο το 2020 να έχουν δημιουργήσει τον πρώτο υπερυπολογιστή που θα έχει exaflop απόδοση (ή 1000 petaflops).

Όπως αναφέραμε και παραπάνω, τα νέα chips έχουν σημαντικές βελτιώσεις, ταχύτερη μεταφορά δεδομένων και ταχύτερη πρόσβαση στη μνήμη. Καθώς οι ταχύτητες για τους υπερυπολογιστές θα αυξάνουν, η ολοκλήρωση του επεξεργαστή και του συνεπεξεργαστή θα παρέχει τη δυνατότητα δημιουργίας παράλληλων εφαρμογών που θα εκμεταλλεύονται το μεγαλύτερο εσωτερικό bandwidth.  Σύμφωνα με αναλυτές, με το νέο επεξεργαστή, η Intel ελπίζει ότι θα μπορέσει να καλύψει ιδιαίτερα απαιτητικά workloads που απαιτούν ελάχιστο latency, το οποίο παρατηρείται σήμερα στις  λύσεις PCI Express.

Οι αναλυτές προχωρούν ακόμη περισσότερο και προβλέπουν ότι ο νέος επεξεργαστής θα διαθέτει ενσωματωμένη DRAM όπως ακριβώς συνέβη με τα πιο πρόσφατα μοντέλα της οικογένειας Haswell. Επίσης δεν είναι λίγοι αυτοί που υποστηρίζουν ότι θα δούμε και υλοποίηση με μνήμη, όπως στην περίπτωση των καρτών γραφικών. Πολλές εταιρείες προχωρούν προς τη δημιουργία stacks από chips, κάτι που ονομάζεται 3D Structuring, όπου το ένα 1 chip τοποθετείται πάνω στο άλλο για εξοικονόμηση χώρου και βελτίωση του throughput. Αλλά αυτή η προσέγγιση ίσως να μην ακολουθηθεί στους Knight Landing, καθώς είναι αρκετά πιο ακριβή. Μια μεγάλη βελτίωση στους νέους επεξεργαστές είναι η υποστήριξη για single-threaded εφαρμογές. Τα chips επιτάχυνσης εστιάζουν στις εφαρμογές που πραγματοποιούνται παράλληλα αφήνοντας τις εφαρμογές μονού thread στους βασικούς επεξεργαστές, μια προσέγγιση που μπορεί να αποδειχτεί αναποτελεσματική. Επιπλέον οι developers δεν θα πρέπει να έχουν στο μυαλό τους να γράψουν κώδικα, ο οποίος θα απευθύνεται σε συγκεκριμένο κομμάτι hardware.

Οι νέοι επεξεργαστές θα κατασκευάζονται με τη χρήση αρχιτεκτονικής 14 μικρομέτρων και αναμένονται να παρουσιαστούν μετά τους επεξεργαστές με την ίδια αρχιτεκτονική για PCs.