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HPC Architekturen und Anwendungen: Anforderungen und Notwendigkeiten Erich Strohmaier University of Tennessee.

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Präsentation zum Thema: "HPC Architekturen und Anwendungen: Anforderungen und Notwendigkeiten Erich Strohmaier University of Tennessee."—  Präsentation transkript:

1 HPC Architekturen und Anwendungen: Anforderungen und Notwendigkeiten Erich Strohmaier University of Tennessee

2 Architekturen und Anwendungen Rechnerarchitekturen Rechnerarchitekturen Datenstrukturen Datenstrukturen Generationswechsel von Architekturen Generationswechsel von Architekturen Kriterien für Markterfolg Kriterien für Markterfolg Der Wandel des HPC Marktes Der Wandel des HPC Marktes

3 Rechnerarchitekturen und Datenstrukturen Datenaustausch und Granularität Datenaustausch und Granularität Systembalance Systembalance Speichereinfluß Speichereinfluß Skalierungsverhalten Skalierungsverhalten

4 Architekturen Vektorrechner mit eng gekoppeltem Hauptspeicher - PVP. Vektorrechner mit eng gekoppeltem Hauptspeicher - PVP. Symmetrische Multiprozessor Systeme -SMP Symmetrische Multiprozessor Systeme -SMP Massiv Parallele Systeme - MPP. Massiv Parallele Systeme - MPP. Cluster von Systemen. Cluster von Systemen. Network of Workstations - NOW. Network of Workstations - NOW.

5 Datenaustausch PVP PVP SMP SMP MPP MPP Cluster Cluster NOW NOW > Zeiten für Datenaustausch in Prozessorzyklen Zeiten für Datenaustausch in Prozessorzyklen

6 Algorithmen Fein <100 Fein <100 Mittel 1000 Mittel 1000 Grob Grob Sehr grob Sehr grob EP EP Granularität in Operationen pro Datenaustausch

7 Granularitäts Nomograph Prozessor- Geschwindigkeit [MFlop/s] Datenzugriffszeit [ s] Anwendungs- Granularität [Operationen] Für 50% parallele Effizienz

8 Datenstrukturen Struktur des Datenaustausch Struktur des Datenaustausch –wenige große - viele kleine –reguläre - irreguläre Verteilung der Adressen –kurz- oder langreichweitige Kommunikation Globale Synchronizationspunkte Globale Synchronizationspunkte

9 Systembalance Prozessorgeschwindigkeit Prozessorgeschwindigkeit Hauptspeicher Hauptspeicher Ein-/Ausgabe Kapazität Ein-/Ausgabe Kapazität Verbindungsnetzwerke Verbindungsnetzwerke –Topologie –Leistung

10 Einfluß des Hauptspeichers Beispiel: Lösung einer partiellen Differentialgleichung mit einem Domain Decomposition Verfahren: Beispiel: Lösung einer partiellen Differentialgleichung mit einem Domain Decomposition Verfahren: Rechenaufwand: n³ Kommunikation: n² Granularität: / n

11 Skalierungsverhalten Genauere Skalierungsanalyse beinhaltet: Genauere Skalierungsanalyse beinhaltet: –serielle Berechnungsanteile –paralleler Overhead: (p-1) –... t(p,n) = n³ + n² + (p-1)

12 Skalierungsanalyse t(p,n) = n³ + n² + (p-1) Konstante Problemgröße: N = n p = const 3

13 Skalierungsanalyse t(p,n) = n³ + n² + (p-1) Konstanter Speicherverbrauch pro Prozessor: n = const

14 Skalierungsanalyse t(p,n) = n³ + n² + (p-1) Konstante Rechenzeit pro Zeitschritt: t(p,n) = const

15 Skalierungsverhalten Durch Vergrößern der Problemgröße pro Prozessor läßt sich das Skalierungsverhalten verbessern. Durch Vergrößern der Problemgröße pro Prozessor läßt sich das Skalierungsverhalten verbessern. Gordon Bell (1993): Mit genug Hauptspeicher und Mühe läßt sich (fast) jedes parallele Problem so skalieren, daß es auf (fast) jedem beliebigen parallelem Computer abläuft. Gordon Bell (1993): Mit genug Hauptspeicher und Mühe läßt sich (fast) jedes parallele Problem so skalieren, daß es auf (fast) jedem beliebigen parallelem Computer abläuft.

16 Generationswechsel von parallelen Systemen Wie ändert sich Systembalance? Wie ändert sich Systembalance? –Moores Law –Prozessorgeschwindigkeit in der TOP500 Auswirkung auf Granularität Auswirkung auf Granularität Skalierungseigenschaften Skalierungseigenschaften

17 Generationswechsel von parallelen Systemen: Moores Law Die Zahl der Transistoren pro Chip wächst pro Jahr um 60%. Die Zahl der Transistoren pro Chip wächst pro Jahr um 60%. Damit wachsen Damit wachsen –Prozessorgeschwindigkeit –Hauptspeicher ebenfalls um 60% pro Jahr.

18 Performance in der TOP500

19

20 Granularität Konvergenzgeschwindigkeit: n Konvergenzgeschwindigkeit: n Hauptspeicher : n³ r Hauptspeicher : n³ r Granularität: Granularität: 4

21 Markterfolg Beobachtungen: Beobachtungen: –Die meisten Firmen scheiterten. –Leistung ist keine Garantie für den Erfolg eines Systems. –Selbst Systeme die nicht absolute Spitzenleistungen erbringen, können sehr erfolgreich sein.

22 Markterfolg Gründe für ein Scheitern: Gründe für ein Scheitern: –Unreife oder instabile Hardware und OS. –Design Fehler bei Coprozessoren und Peripherie. –Design Sprünge bei Generationswechsel. –Ultra massive Architekturen mit ungenügender Knotenleistung.

23 Markterfolg Gründe für ein Scheitern: Gründe für ein Scheitern: –Entwicklung eigener Prozessoren. –Zu langsame Ablösung von System Generationen. –Fehlende Anwendungspakete.

24 Skalierungsanforderungen Größe Größe Generationen und Technologie Generationen und Technologie Code und Problem Code und Problem Raum Raum Anwendungskompatibiltät Anwendungskompatibiltät

25 Der Wandel des HPC Markts Cray1: Cray1: –Konkurrenzlose Klasse von Rechnern. –Leistungsfähig getrennt von anderen Rechnerklassen. –Leistung war ein ausschlaggebendes Verkaufsargument. –High-Tech zahlte sich aus.

26 Der Wandel des HPC Markts Heute: Heute: –Breite Konkurrenz verschiedener Konzepte. –Leistungskontinuum vom PC zum HPC System. –Andere Kriterien als Leistung sind wichtig eventuell sogar ausschlaggebend. –High-Tech kann schnell zum Hemmschuh werden.


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