Blue Gene

Blue Gene superarvuti KEK-is

Blue Gene on IBM-i projekt, mille eesmärk on välja töötada väikese voolutarbega superarvuteid, mille arvutusjõudlus ulatuks petaflopsini.

Projekti käigus töötati välja kolm generatsiooni superarvuteid: Blue Gene/L, Blue Gene/P ja Blue Gene/Q. Blue Gene'i superarvutid on aastaid hoidnud esikohti edetabelis TOP500 kõige võimsama superarvutina ja edetabelis Green500 kõige energiasäästlikuma superarvutina. Samuti on Blue Gene'i arvutid saanud järjepidevalt häid kohti edetabelis Graph500. Projekti tunnustati 2009. aastal riikliku medaliga tehnoloogia ja innovatsiooni eest.

Ajalugu

1999. aasta detsembris teatas IBM saja miljoni USA dollarilise eelarvega projekti alustamisest superarvuti väljatöötamiseks, millega saaks teha väga suurt arvutusjõudlust nõudvaid teadusuuringuid. Põhieesmärk oli uurida valkude struktuuride kujunemist. Samuti taheti projekti raames muuta uudset süsteemi paremini rakendatavaks. Algne ülesehitus põhines varasemal, Monty Denneau poolt projekteeritud Cyclops64 arhitektuuril. Põhiline arendustöö toimus IBM T.J. Watsoni uurimiskeskuses.

2001. aastal hakkas Blue Gene'i väljatöötamiseks IBM-iga koostööd tegema USA California osariigis eeskätt turbelahendusi pakkuv teadusasutus Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Arendustöö jätkus IBM T.J. Watsoni uurimiskeskuses ja IBM Rochesteris eesmärgiga töötada välja superarvuti LLNL-i jaoks.

Superarvutid

Blue Gene/L

Süsteemi ülesehitus Blue Gene/L-i näitel

Üks Blue Gene/L-i plaat

2004. aasta novembris saavutas 16 seadmepüstikuga superarvuti Blue Gene/L esikoha edetabelis TOP500 jõudlusega 70,72 teraflopsi. Sellest ajast peale hoidis LLNL-i superarvuti Blue Gene/L esikohta 3,5 aastat, kasvades lõpuks 104 seadmepüstikuni ning saavutades kiirusi 478 ja 596 teraflopsi LINPACK jõudlustesti peal. Juunis 2008 ületas need kiirused IBM-i uus superarvuti Roadrunner teadusasutuses Los Alamos National Laboratory. Roadrunner oli ka esimene superarvuti, mis ületas 1 petaflopsi piiri.

Kuigi LLNL-i superarvuti oli kõige suurem, mis põhines Blue Gene/L-i arhitektuuril, töötati välja ka palju väiksemaid superarvuteid. 2006. aastal oli edetabelis TOP500 koguni 27 Blue Gene/L-i arhitektuuril põhinevat superarvutit. Kui TOP500 kasutab arvutite võrdluseks tarkvaralahendust LINPACK, siis Blue Gene/L püstitas rekordeid jõudluses ka muudel rakendustel. Nimelt oli Blue Gene/L esimene superarvuti, mis suutis üle 100 teraflopsi jooksutada kolmemõõtmelist molekulaardünaamilist koodi (ddcMD), mis simuleerib vedelmetalli tahkumise protsessi kõrge rõhu ja temperatuuriga tingimustes. See saavutus võitis 2005. aastal Gordon Belli auhinna.

Ülesehitus

Blue Gene/L-i ülesehitus põhines QCDSP ja QCDOC arhitektuuride edasiarendusel. Iga Blue Gene/L-i arvutus- või I/O sõlm oli üksik ASIC, millele olid liidetud DRAM-mälukiibid. ASIC liitis omavahel kaks 700 MHz PowerPC 440 protsessorit, mille vahemälud ei olnud omavahel seotud.

Arvutussõlmed paiknesid kahekaupa arvutuskaardil, mis omakorda paiknesid 16 kaupa plaatidel. Ühes seadmepüstikus oli 32 sellist plaati. Kuna kõik olulisemad häiresüsteemid asusid ühel kiibil ja kasutati vähese energiatarbega loogikat, oli voolutarve ühe arvutussõlme kohta väike (umbes 17 vatti koos mälumoodulitega). Tänu sellele suudeti ühte standardseadmepüstikusse mahutada kuni 1094 arvutussõlme. Nii suure arvutussõlmede hulga juures on aga komponentide rikked vältimatud. Superarvuti oli siiski võimeline elektriliselt eraldama terve rea rikkega komponente, et süsteem saaks sellest olenemata edasi töötada.

Iga Blue Gene/L-i sõlm oli ühendatud kolme paralleelsesse sidevõrku: kolmemõõtmeline võrk suhtluseks sõlmede vahel, ühine võrk suhtluseks ja üldine katkestusvõrk. I/O sõlmed, mis töötasid Linuxi operatsioonisüsteemis, tagasid suhtluse andmebaasiga Ethernet võrgu abil. I/O sõlmed tegelesid ka failisüsteemi toimingutega arvutussõlmede asemel.

Rakenduste arendus toimus enamasti C-, C++ ja Fortrani programmeerimiskeeltes, aga ka sellised skriptikeeled nagu Ruby ja Python olid kohandatud Blue Gene/L-i arvutussõlmede jaoks.

Blue Gene/P

Blue Gene/P arvutuskaart

Blue Gene/P Argonne National Laboratorysis

Juunis 2007 avaldas IBM Blue Gene/P teise põlvkonna superarvuti Blue Gene'i sarjast. See töötati välja koostöös LLNL-i ja Argonne National Laboratoryga.

Ülesehitus

Blue Gene/P on Blue Gene/L edasiarendus. Iga Blue Gene/P arvutuskiip koosneb neljast 850 MHz kiirusel töötavast PowerPC 450 protsessori tuumast. Tuumade vahemälud on omavahel seotud ning see võimaldab kiibil toimida neljasuunalise sümmeetrilise multiprotsessorina. Mälu häiresüsteem kiibil koosneb väikestest L2-vahemäludest ja 8 MB suurusest kesksest jagatud vahemälust ning kahest DDR2-mälukontrollerist. Üks arvutussõlm töötab maksimaalselt kiirusel 13,6 gigaflopsi sekundis. Ühte seadmepüstikusse mahtus 32 plaati, seega tegi see kokku 1024 sõlme ja 4096 tuuma püstiku kohta. Kasutades palju väikseid madala võimsusega ja kompaktselt pakitud kiipe, ületas Blue Gene/P kõiki oma generatsiooni superarvuteid võimsuse efektiivsuses. Aastatel 2007–2008 olid Blue Gene/P arvutid edetabelis Green500 esimesed või esimeste hulgas.

Arvutid

Järgnev on mittetäielik loetelu Blue Gene/P arvutitest.

• 12. november 2007, esimene Blue Gene/P arvuti JUGENE. Asus Saksamaal Forschungszentrum Jülich-is ja koosnes 16 seadmepüstikust. Jõudluseks oli 167 teraflopsi. Kui see valmis, siis oli see kõige kiirem superarvuti Euroopas ja kuues maailmas. 2009 uuendati see arvuti 72 seadmepüstikuni, millel oli 144 terabaiti mälu ja 6 petabaiti andmemahtu. Sellega kasvas jõudlus 1 petaflopsini. See konfiguratsioon sisaldas õhu ja vee vahelisi soojusülekandeid, mis langetasid oluliselt jahutuskulusid. JUGENE tegevus lõpetati juulis 2012. See asendati uuema Blue Gene/Q tüüpi superarvutiga JUQUEEN.
• 13,9-teraflopsise jõudlusega superarvuti paigaldati Rochesteri Ülikooli New Yorgis. See koosneb ühest seadmepüstikust ja 180 terabaidist andmemahust.
• Esimene labor, mis paigaldas Blue Gene/P arvuti, oli Argonne National Laboratory. Valmis superarvuti oli 40 seadmepüstiku suurune ja jõudluse poolest edetabelis TOP500 kolmandal kohal.
• Lawrence Livermore National Laboratory paigaldas 36 seadmepüstiku suuruse arvuti Dawn 2009. aastal.
• Kuningas Abdullah Teadus- ja Tehnoloogia Ülikool paigaldas 16 seadmepüstiku suuruse arvuti Shaheen 2009. aastal.
• 2 seadmepüstiku suurune arvuti paigaldati 9. septembril 2008 Sofias, Bulgaarias.
• Esimene Blue Gene/P arvuti ASEAN-i piirkonnas paigaldati Brunei Darussalami Ülikooli teaduskeskusse. See arvuti ajendas IBM-i ja ülikooli tegema koostööd, uurimaks kliimamuutuste mõju põllukultuuride saagikusele ja taastuvenergiale ning võimalusi üleujutuste prognoosimiseks.
• 2010 paigaldati Blue Gene/P Melbourne'i Ülikooli.
• 2012 paigaldati Blue Gene/P Rice Ülikooli.

Rakendused

• Veselin Topalov, 2010 male maailmameistri väljakutsuja kinnitas intervjuus, et ta kasutas mänguks valmistumisel Blue Gene/P superarvutit.
• Blue Gene/P arvutit on kasutatud ligikaudu 1% inimese peaajukoore simuleerimiseks; andmetöötlus hõlmas muuhulgas 1,6 miljardit neuronit ja 9 triljonit nendevahelist ühendust.
• Rutgersi Ülikooli, IBM-i ja Texase Ülikooli rühm ühendas Shaheeni teise Blue Gene/P arvutiga IBM Watsoni uurimiskeskuses. Moodustati liidustatud suure jõudlusega pilvandmetöötlussüsteem. Seejuures võideti IEEE SCALE 2011 nafta reservuaaride optimeerimise rakenduse eest.

Blue Gene/Q

Kolmas edasiarendus Blue Gene'i sarjas, Blue Gene/Q, saavutas 2012. aastal arvutusjõudluseks rekordilised 20 petaflopsi. Blue Gene/Q jätkab Blue Gene/L-i ja /P ülesehituse edasiarendust ja laiendust.

Ülesehitus

Blue Gene/Q arvutuskiip koosneb 18 tuumast. PowerPC A2 64-bitine protsessor töötab kiirusel 1,6 GHz. Kiibid on toodetud 45 nm tehnoloogiaga ja on võimelised arendama arvutusjõudlust kuni 204,8 gigaflopsi energiavajadusega 55 vatti. 19x19 mm suurune kiip koosneb 1,47 miljardist transistorist. Lisaks kiibile on arvutuskaardil 16 gigabaiti DDR3 DRAM-mälu. Seadmepüstikud koosnevad 32 plaadist ehk 1024 arvutussõlmest, mis kokku teeb 16 384 tuuma ja 16 terabaiti mälu.

Jõudlus

Ajal, kui IBM avaldas Blue Gene/Q süsteemi, saavutas esialgne 4 püstikust koosnev arvuti edetabelis TOP500 17. koha tulemusega 677,1 teraflopsi. Sellega ületas see süsteem isegi 104 püstiku suurust Blue Gene/L-i süsteemi. See nelja püstikuga süsteem võttis esikoha ka edetabelis Graph500.

Juunis 2012 paiknesid TOP500, Graph500 ja Green500 tipus kõik Blue Gene/Q arvutid.

Arvutid

Järgnev on mittetäielik nimekiri Blue Gene/Q arvutitest.

• 2011. aasta alguses viidi Blue Gene/Q tüüpi superarvuti Sequoia üle Lawrence Livermore National Laboratorysse. See superarvuti valmis juunis 2012, koosnedes 96 seadmepüstikust (98 304 arvutussõlme, 1,6 miljonit tuuma ja 1,6 petabaiti mälu). Sellest arvutist sai siis maailma kiireim superarvuti, mis saavutas suurimaks arvutusjõudluseks 20,1 petaflopsi ja töötas stabiilselt 16,32 petaflopsi juures. Seejuures tarbides 7,9 megavatti energiat. See liigitab Sequoia ja muud Blue Gene/Q tüüpi superarvutid oma klassi energiasäästlikemaks.
• Maksimumjõudlusega 10 petaflopsi Blue Gene/Q tüüpi superarvuti Mira paigaldati teadusasutusse Argonne National Laboratory 2012. aastal. See koosnes 48 seadmepüstikust (49 152 arvutussõlme) ja omas 70 petabaiti andmemahtu.
• Maksimumjõudlusega 209 teraflopsi Blue Gene/Q tüüpi superarvuti paigaldati Rochesteri Ülikooli juulis 2012. Süsteem koosnes ühest seadmepüstikust (1024 arvutussõlme) ja 400 terabaidist andmemahust.

Rakendused

Blue Gene/Q superarvuteid on kasutatud teadusotstarbeks, mille käigus on püstitatud uusi jõudlusrekordeid. Kosmoloogia simulatsiooni raamistik HACC töötas arvutusjõudlusel peaaegu 14 petaflopsi. Cardioidi kood, mis modelleeris inimese südame elektrofüsioloogiat, saavutas arvutusjõudluseks peaaegu 12 petaflopsi. Mõlemad olid saavutatud Sequoia peal.