Wysokowydajne systemy HPC dzięki lepszym algorytmom
"Bieżąca platforma HPC zużywa tak dużą ilość energii, że dalsze pomyślne rozwijanie i wykorzystywanie tych systemów będzie w dużej mierze zależało od optymalizacji energetycznej", mówi prof. Vincent Heuveline, koordynator projektu EXA2GREEN na Uniwersytecie w Heidelbergu. Właśnie ta myśl skłoniła profesora i jego zespół do wdrożenia projektu z tak osobliwym podejściem. Chociaż zespół zdawał sobie sprawę z poprawy wydajności energetycznej związanej z postępami w projektowaniu sprzętowym i procesach wytwórczych, to jednak postanowiono skoncentrować się na innych, ciągle niewykorzystanym potencjale: projektowaniu algorytmicznym i inżynierii oprogramowania. Realizacja trzyletniego projektu zakończyła się w październiku 2015 r. W rezultacie opracowano oprogramowanie umożliwiające śledzenie i analizowanie zużycia mocy i energii przez równoległe aplikacje naukowe. Jednak na początku konieczne było zdefiniowanie komponentów "energooszczędnego" algorytmu. "Pierwszym krokiem do opracowania energooszczędnego algorytmu była analiza jego działania", zauważa prof. Heuveline. "Ile energii zużywa algorytm, gdzie zużywana jest większość energii, gdzie są wąskie gardła, jakie jest zużycie energii przez poszczególne części algorytmu i czy występują mało wydajne części?" Profesor kontynuuje: "Aby przeprowadzić taką analizę, wymagane są urządzenia miernicze, narzędzia umożliwiające śledzenie oraz zintegrowane narzędzia profilowania i kontrolowania. Zdobyta wiedza może posłużyć do poprawy działania mało wydajnych części algorytmów. Do typowych wyzwań należy wyeliminowanie aktywnego czekania, optymalizacja planowania zadań w celu lepszego wykorzystania dostępnych urządzeń, a nawet przejście na inne urządzenia lepiej realizujące potrzeby określonego algorytmu". Zespół opracował różne algorytmy liczbowe, np. metody algebry liniowej oraz pakiety programów do rozwiązywania problemów numerycznych, które odgrywają ważną rolę w wielu aplikacjach naukowych. Opracowanie pakiety oprogramowania mogą być wykorzystywane przez badaczy lub wdrażane na infrastrukturze HPC. W ten sposób wyniki projektu będą miały bezpośredni wpływ na wydajność energetyczną wszystkich aplikacji wykorzystujących te wyniki. Realizacja wyników badania: model prognozowania pogody COSMO-ART Ponieważ każdy pomysł lub metoda naukowa wymaga udowodnienia działania koncepcji, kolejnych kluczowym zadaniem dla zespołu EXA2GREEN było określenie odpowiedniego systemu modelowego. Członkowie zespołu wybrali COSMO-ART — rozwiązanie w zakresie oprogramowania opierające się na operacyjnym modelu prognozowania pogody opracowanym przez konsorcjum COSMO, umożliwiające wyliczenia w zakresie interakcji gazów i aerozoli w atmosferze. "Świadomie wybraliśmy aplikację, której optymalizacja przyniosłaby wymierne korzyści dla tak ważnej społeczności badawczej", wyjaśnia prof. Heuveline. "Wykorzystaliśmy kilka komplementarnych technik umożliwiających obniżenie zużycia energii w numerycznym modelu przewidującym pogodę COSMO-ART. Na przykład, przeanalizowaliśmy użycie różnych formatów precyzji dla liczb zmiennoprzecinkowych, udoskonaliliśmy metody obliczania czasowej ewolucji właściwości chemicznych atmosfery, wykorzystaliśmy zaawansowane techniki związane z równoległością i osadziliśmy całą aplikację na nowej platformie sprzętowej". Na koniec zespół podzielił przez trzy całe zużycie energii przez COSMO-ART, jednocześnie uzyskując czterokrotnie szybszą symulację. ArduPower: urządzenie do monitorowania wydajności energetycznej Chociaż w swoim zamierzeniu projekt nie przewidywał komercyjnego wykorzystania wyników, to jednak jego kolejnym kluczowym osiągnięciem jest ArduPower — nowy rodzaj licznika energii wykorzystywanego do pomiarów zużycia energii poszczególnych komponentów sprzętowych np. procesorów lub pamięci. "Opracowanie nowego miernika odegrało ważną rolę w dopełnieniu analiz algorytmu, biorąc pod uwagę fakt, że wcześniej podobne narzędzie nie było dostępne", wyjaśnia prof. Heuveline. Profesor mówi, że narzędzie ArduPower może być wykorzystane do opracowania komercyjnego produktu lub usługi. Pomimo zakończenia projektu zespół kontynuuje prace w zakresie energooszczędnych systemów HPC. Zespół jest aktywny na polu współpracy między TIK i energią i promuje oszczędność energetyczną w aplikacjach na szeroką skalę. W listopadzie 2015 r. jeden z partnerów projektu, IBM Research Zurich, zdobył nagrodę Gordon Bell Prize za skalowalną energetycznie symulację ruchu konwekcyjnego w płaszczu Ziemi na 1,6 milionach rdzeni BlueGene/Q.
Słowa kluczowe
ArduPower, wydajność energetyczna, algorytmy, oprogramowanie, HPC, wysokowydajne komputery, prognoza pogody, COSMO-ART, EXA2GREEN
