基本介紹
- 中文名：克雷計算機
- 外文名：The Cray computer
- 學科：計算機
- 定義：克雷公司生產的計算機
- 有關術語：超級計算機
- 領域：計算機設計
簡介,超級計算機,超級計算機——泰坦,概述,軟體支持,
簡介
克雷計算機是指由克雷公司生產的計算機，多指克雷公司生產和製造的超級計算機。克雷計算機具有較好的能效比，克雷計算機依然是超級計算機領域的巨頭之一，例如置放於美國橡樹嶺國家實驗室超級計算機——泰坦就是一台克雷計算機。
超級計算機
超級計算機是指能夠執行一般個人電腦無法處理的大資料量與高速運算的電腦。其基本組成組件與個人電腦的概念無太大差異，但規格與性能則強大許多，是一種超大型電子計算機。具有很強的計算和處理數據的能力，主要特點表現為高速度和大容量，配有多種外部和外圍設備及豐富的、高功能的軟體系統。超級計算機可分兩類，採用專用處理器或者採用標準兼容處理器。前者可以高效地處理同一類型問題, 而後者則可一機多用，使用範圍比較靈活、 廣泛專一用途計算機多見於天體物理學、密碼破譯等領域。國際“象棋高手”“深藍”、日本的“地球模擬器”都屬於這樣的超級計算機。據統計，500 強超級計算機有 232 個是非專用系統，服務于軍事、醫藥、氣象、金融、能源、環境和製造業等眾多領域。截至目前，世界上運算速度最快的超級計算機是由中國國家並行計算機工程中心研製的神威·太湖之光。
超級計算機——泰坦
概述
泰坦（Titan）是一台由克雷公司承建的超級電腦，置放於美國能源部下屬的橡樹嶺國家實驗室中，供各項科學研究項目使用。泰坦是由原來也置放於橡樹嶺國家實驗室的美洲虎（英文：Jaguar）經過多次升級改裝而成。泰坦也是世界上第一台以通用圖形處理器（GPGPU）為主要數據處理單元的超級電腦，2012年11月至2013年6月是世界上最快的超級電腦。美洲虎在2011年10月被宣布開始進行大幅升級，2012年10月，升級作業基本完工後這台超級電腦被更名為泰坦，並開始進行穩定性和性能測試，2013年中期方可供科學研究者們使用。升級的預算開始時是6千萬美元，其中絕大部分由美國能源部提供。而後來根據克雷公司的公開信息，整台泰坦超級電腦的費用最終是9千7百萬美元，為填補資金空缺，美國國家海洋和大氣管理局也出了一小部分資金參與建造，以從主要出資方美國能源部的手上獲得一定的使用權。
泰坦使用由超微半導體提供的皓龍（Opteron）處理器連結英偉達提供的Tesla運算用圖形處理器以進行協同運算，來在提供比美洲虎更高的運算性能之同時保持能源利用效率。整台泰坦總計18,688顆中央處理器和相同數量的圖形處理器，理論峰值性能是27petaFLOPS（每秒27×10次浮點運算），然而，在2012年11月的LINPACK基準性能測試中卻僅獲取17.59petaFLOPS的成績（每秒17.59×10次浮點運算），直到2013年6月在Top500位列第一的排名被中國的天河二號取代。儘管如此，但無論從性能上抑或是能效比上來說，仍然要比同時期的其它超級電腦更勝一籌。
泰坦可用於任何目的的數據處理。然而，數據處理任務的優先權，需要基於三個方面的考量：任務計畫的重要度、任務計畫對異構運算的利用潛力以及任務計畫的運算程式源碼與其它超級電腦的兼容性。經過篩選調度後，選中六個運算計畫，這六個“前鋒”計畫在泰坦開放使用後由泰坦依調度運行處理，這些處理任務多為關於奈米科技或氣候模型。不過其它沒被選為首先處理的任務計畫，仍會進行優先權調度，進入等候貯列，以待泰坦的運行處理。由於以圖形處理器來處理數據，基於圖形處理器擁有比中央處理器多得多的執行緒的理由，不少程式需要進行源碼變動處理以適應新的混合架構，這些處理常常需要有更高級的運算平行度，而這些變更甚至也可以在以中央處理器為主的超級電腦上獲得性能的提升。
軟體支持
泰坦超級計算機使用克雷公司基於Linux核心開發的Cray Linux Environment分散式作業系統。Cary Linux Environment作業系統由以下兩部分組成：登錄管理節點為全功能Linux核心的作業系統，運算節點則是為提升性能和效率而特別最佳化精簡的基於輕量級Linux核心CNL（Compute Node Linux）的作業系統。檔案系統使用Lustre分散式檔案系統，代號“Spider”。
不同於以往以中央處理器作主要數據處理單元或以圖形處理器輔助處理數據的超級電腦，泰坦超級計算機以圖形處理器為主要的數據處理單元。在初期，不少項目的程式源碼一般重新編寫或編譯以方便泰坦的通用圖形處理器運行，而且還要求這些源碼能兼容於以中央處理器為主的系統，以便項目可以不僅可以由泰坦進行處理，還能供其它仍使用傳統中央處理器架構的超級電腦運行。Oak Ridge Leadership Computing Facility（OLCF）還成立了Center for Accelerated Application Readiness（加速申請中心，CAAR）來幫助科學研究者們重寫或重新編譯他們所寫的代碼以供泰坦運作之，並且在英偉達總部舉辦開發者研習會，讓研究人員和程式設計師學習並使用泰坦和其它類似的超級電腦的架構、編譯器和應用程式。
CAAR目前已和英偉達以及其它代碼提供者合作開發新版編譯器，將指令集成到供通用圖形處理器使用的程式語言當中，以使研究者們可以和以前一樣，以Fortran、C或C++來編寫他們的代碼而無須學習新的程式語言，並且編譯器可以將這些代碼編譯為通用圖形處理器可以高效運作的程式。
目前泰坦的程式開發工具中，“圖形處理器加速庫”包括MAGMA、CULA、cuBLAS/cuSPARSE；“加速編譯器指令”包括OpenACC、PGI Accelerator、CAPS HMPP Workbench；“低級圖形處理器程式語言”有NVIDIA C for CUDA、PGI CUDA Fortran、OpenCL。這些工具中有部分甚至允許開發者在不了解關於NVIDIA CUDA的知識的情況下使用。在泰坦上適用的編譯器有PGI（Portland Group Compiler Suite，默認使用這個）、GCC、CCE（Cray Compiling Environment）以及英特爾提供的編譯器。
目前來說，對現有科學研究項目中的代碼重寫的部分主要是多執行緒化、增進並發性的部分，即所謂的多核多執行緒最佳化，只是更深入、更適合通用圖形處理器的架構特性（通用圖形處理器擁有比中央處理器多得多的執行緒和更好的運算並發性）。不過這樣的程式源碼最佳化也適用於傳統以中央處理器為基礎的機器上，這些機器也可以從中獲得性能提升。天體物理學家兼程式設計師Bronson Messer，表示“一個應用程式要將泰坦的性能發揮至極限，必須尋求方法來使通用圖形處理器滿負載運作，需要明確的是通用圖形處理器儘管處理速度很快，但靈活度顯然不如中央處理器。”作業管理者也發現，一些計畫項目的代碼在重寫後，在那些不是基於圖形處理器的機器上的效率也變得大有提升，“Denovo”項目的程式在基於中央處理器的機器上甚至還比原先獲得雙倍的性能提升表現。
要求調用圖形處理器的進行運算作業的代碼變更量因不同項目而變。根據負責NRDF項目的梅瑟博士（Dr. Messer）的意見，他們的代碼中調用圖形處理器的算法源碼只占整個代碼中很小的百分比，因為這些程式算法的運算都相對簡單，但處理進程重複而且具有平行性。NRDF的程式用CUDA Fortran寫成，CUDA Fortran是Fortran語言連結CUDA指令擴充庫（NVIDIA CUDA庫）給予圖形處理器使用的Fortran改進版本。
