Gli acceleratori programmabili aumentano la velocità dei supercomputer
Molti servizi industriali e di consumo all’avanguardia, tra cui l’aeronautica, la progettazione automobilistica e i modelli climatici, dipendono da applicazioni emergenti di calcolo ad alte prestazioni (HPC, High-Performance Computing). Per soddisfare la crescente domanda di questi servizi è necessario fornire computer più potenti a prezzi più bassi. Per alcune applicazioni HPC, una soluzione promettente sono i field-programmable gate array (FPGA), acceleratori programmabili dopo la produzione per adattarsi ad applicazioni personalizzate. Le prestazioni dei FPGA possono superare nettamente quelle dei processori della concorrenza, come le CPU o le GPU, garantendo vantaggi significativi nelle applicazioni HPC. «I FPGA eccellono nei calcoli paralleli e specializzati», spiega Iakovos Mavroidis, ricercatore presso il Politecnico di Creta e coordinatore del progetto OPTIMA. «Sono particolarmente efficaci per le attività parallele, irregolari o a bassa latenza nell’HPC, come gli algoritmi di crittografia, l’elaborazione dei segnali e le simulazioni scientifiche», spiega. Nel corso del progetto OPTIMA, Mavroidis e colleghi hanno utilizzato sistemi HPC che integrano FPGA per sviluppare una serie di librerie open-source e applicazioni industriali, come i modelli di flusso dei fluidi, con un’efficienza energetica nettamente superiore. «È stato impegnativo sviluppare casi d’uso su infrastrutture di OPTIMA che sfruttano i FPGA, poiché abbiamo dovuto bilanciare la flessibilità e gestire le risorse in modo efficace, per garantire buone prestazioni senza sovraccaricare l’hardware», aggiunge Mavroidis. «Ma un’attenta pianificazione, collaudi approfonditi e un lavoro di squadra tra i gruppi di progettazione di FPGA, dell’hardware e del software ci hanno aiutato ad affrontare queste sfide.»
Integrazione di acceleratori basati su FPGA
Per prima cosa, l’équipe di OPTIMA, un consorzio di partner provenienti da tutta Europa, ha definito i requisiti delle applicazioni industriali e determinato le caratteristiche necessarie per le eventuali librerie open-source di OPTIMA. Successivamente, i ricercatori hanno attuato due piattaforme hardware: una che interconnette quattro acceleratori basati su FPGA, l’altra basata sui motori dataflow e sul modello di programmazione di Maxeler. A questo punto è stata avviata la programmazione sulle piattaforme con FPGA, collaudando a fondo ogni aspetto e aggiungendo continuamente ottimizzazioni al sistema per renderlo più efficiente. I ricercatori hanno documentato le loro azioni e condiviso il lavoro con la comunità open-source.
Dimostrazione di prototipi
OPTIMA ha sviluppato con ottimi risultati applicazioni HPC su due prototipi di acceleratori basati su FPGA. Tra queste vi sono strumenti per l’analisi del sottosuolo, potenti strumenti di simulazione chiamati «MESHFREE» e simulazioni di robotica basate sull’intelligenza artificiale: tutte applicazioni che gestiscono enormi quantità di dati e compiti complessi. Inoltre, il progetto ha creato una libreria open-source sui FPGA, che include 31 componenti hardware che aiutano a svolgere le operazioni algebriche lineari fondamentali e i metodi ingegneristici di risoluzione dei problemi assistiti da computer, fondamentali per le applicazioni di apprendimento artificiale e automatico. «OPTIMA ha dimostrato come l’uso di tecnologie basate su FPGA possa migliorare i sistemi HPC per l’industria», afferma Mavroidis. Poiché la libreria è stata resa disponibile a tutti, gli sviluppatori possono facilmente trasferire le applicazioni e il codice legacy ai sistemi HPC supportati da FPGA. Il progetto è stato realizzato con il sostegno dell’impresa comune europea per il calcolo ad alte prestazioni (impresa comune EuroHPC), un’iniziativa istituita per sviluppare un ecosistema di supercalcolo di caratura internazionale in Europa. «Il progetto OPTIMA sostiene l’obiettivo dell’impresa comune EuroHPC, porre l’Europa in prima linea nel calcolo ad alte prestazioni, ed è un ottimo esempio di progetto EuroHPC gestito da piccole imprese», osserva Mavroidis.
Accelerazione commerciale
L’équipe si attende che la libreria open-source OPTIMA continuerà a crescere, diventando una risorsa preziosa per gli sviluppatori software che intendono ottimizzare le applicazioni per le piattaforme HPC supportate da FPGA. L’esperienza acquisita nell’adattamento delle applicazioni alle piattaforme OPTIMA viene ora messa in pratica dalle PMI partner, che stanno sviluppando nuove applicazioni per sistemi cloud avanzati, acceleratori di IA, GPU e progetti di chip.
Parole chiave
OPTIMA, impresa comune EuroHPC, acceleratori basati su FPGA, prototipi, HPC, calcolo ad alte prestazioni, industria, commercio, hardware, ottimizzare, supercomputer
