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Los procesadores de los superordenadores


El fabricante de chips AMD ha arrojado un poco más de luz sobre los esfuerzos para extender su tecnología APU, unida a una CPU y gráficos de gama alta en el mismo chip, para  consolas de videojuegos y ordenadores de supercomputadoras en un intento de ofrecer nuevos niveles de rendimiento. La compañía está impulsando su arquitectura heterogénea como el mejor camino para ser insuperables en su rendimiento con un presupuesto de alimentación mínimo.

El concepto no es nuevo. AMD ha estado trabajando en estas ideas durante varios años bajo su FastForward y FastForward 2 programas financiados por el Departamento de Energía de Estados Unidos. Sin embargo, es en un artículo que será publicado en los próximos números de la revista IEEE Xplore, los investigadores de AMD describen con más detalle como este sistema podría ser similar.

Un sistema capaz de alcanzar más de un exaflop o 1.000 petaflops, necesitaría al menos 100.000 servidores interconectados cada uno capaz de alrededor de 10 teraflops. Para comprender esto hay que saber que, la supercomputadora más rápida del mundo actual alcanza un máximo de 33.86 petaflops y utiliza 18MW. A nivel de chip, el procesador Intel Xeon más rápida E5-2600v3 (Haswell-EP) ofrece un poco más de la mitad de un teraflop y una alta gama de AMD o Nvidia GPU es capaz de alrededor de 3 teraflops en precisión doble.


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En otras palabras, no está cerca el día en que la Ley de Moore nos muestre sus resultados y podamos ofrecer este tipo de maquinas a los usuarios de hosting de servidores dedicados AMD, pero propone para el futuro, lo que llama un procesador Exascale Heterogénea (EHP) que combina 32 núcleos de CPU - que ejecutan las arquitecturas x86 o instrucción ARM conjunto - con una gran GPU que hace la mayor parte del trabajo pesado para llegar a 10 teraflops por nodo.

Un sistema exascale también requerirá más memoria con mayor ancho de banda. AMD propone utilizar el mismo ancho de banda de memoria de alta 3D-apilados que ha sido pionera en su última GPU de gama alta. La Radeon R9 Furia X utiliza cuatro pilas de 1 GB (cada uno que consta de cuatro chips de 2 GB) para un total de 4 GB de DRAM con un ancho de banda de 512GBps. Para el EHP, AMD quiere impulsar que ocho pilas (cada una con cuatro chips de 4 GB) para un total de 16GB por nodo de servidor con alrededor 1Tbps de ancho de banda basado en las especificaciones actuales. Con algunas mejoras, AMD piensa que el ancho de banda con el tiempo podría ser empujado a 4TBps cumplan el objetivo exascale.

Pero eso no será suficiente memoria,  AMD añade otro nivel de memoria no volátil para alcanzar la meta de al menos 1 TB por nodo servidor. A diferencia de la memoria HBM, que se encuentra cerca del procesador en un intercalador de silicio en el mismo paquete. Podría ser una memoria flash o podría ser una de las formas emergentes de memoria no volátil tales como RRAM (RAM resistiva), MRAM (RAM magneto), la memoria de cambio de fase o memristors. Esto es muy similar en concepto a la memoria 3D Xpoint, que Intel y Micron anunciaron la semana pasada, que está destinado a llenar la brecha entre DRAM de alta velocidad y memoria flash de alta densidad en la computación de alto rendimiento.

La pieza final de la idea exascale de AMD es la Arquitectura del Sistema Heterogéneo (HSA), un conjunto de especificaciones de hardware y software que permiten a los núcleos de CPU y gráficas compartir una única memoria virtual para que cualquier núcleo pueda trabajar directamente en los datos independientemente. En teoría la carga de la CPU, reduce al mínimo la necesidad de mezclar continuamente los datos alrededor, y hace que sea más fácil de programar. Pero AMD admite que todavía hay mucho trabajo que hacer en HSA para que funcione en un sistema tan grande y complejo. Eso es sólo el comienzo. Otros desafíos incluyen el desarrollo de las interconexiones, tanto en el chip (Red-on-Chip) y en el nivel del sistema; nuevas capacidades de procesamiento en memoria; y los procesadores heterogéneos más robustos para aplicaciones de misión crítica.

Los chips para servidores con gráficos u otros aceleradores especializados tienen sentido para un cloud de empresa con cargas de trabajo. Es por eso que AMD ya vende un servidor APU, el X2150 Opteron y Xeon E3-1200 v4 de Intel que ha integrado gráficos Iris Pro P6300. (Es también la razón por Intel está gastando casi 17 mil millones de dólares en Altera para acelerar la integración de la lógica programable en chips para servidores.) Esto tiene sentido si AMD trabaja con APU para la computación de alto rendimiento que se aprovechará de la  más avanzada tecnología de proceso, la próxima microarquitectura Zen que soporta multi-threading simultáneo, y mejores gráficos.

El EHP, por el contrario, es parte de un proyecto a largo plazo dirigido específicamente para los superordenadores futuros. En un blog, Marcos Papermaster escribió que la investigación sobre el uso de AMD APU y una memoria de próxima generación podremos encontrarla para "uso comercial en en el plazo de tiempo entre el 2.020 y el 2023". La semana pasada, cuando el presidente Obama emitió una orden ejecutiva creando la Iniciativa de Computación Estratégica Nacional (NSCI), el gobierno dijo que el principal objetivo era realizar un sistema de exascale durante la próxima década y el Departamento de Energía está ahora apuntando a desde 2023 hasta 2024.

La mejor manera de alcanzar ese objetivo bien puede ser con sistemas heterogéneos que utilizan ambas CPUs y aceleradores como GPUs. Es por eso que muchos de los superordenadores más rápidos del mundo han adoptado aceleradores en los últimos años. AMD no es el único que trabaja en esta área, pero están bien posicionada para jugar un papel de liderazgo.

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