浪潮HPC助力超導替代硅晶圓做芯片

在硅晶圓技術逐漸接近極限的今天，人們開始關注下一代計算機芯片將會採用什麼材料來製作？相比量子計算機、光計算機、DNA計算機等更加超前的概念，超導計算機的可行性要大得多。日前，上海超導科技股份有限公司（以下簡稱上海超導）開始利用浪潮TS10000高性能計算集羣，開發新型的超導芯片。

神奇的超導計算機

目前製成的超導開關器件，其理論上開關動作所需時間為千億分之一秒，是當今所有電子、半導體、光電器件都無法比擬的。這意味着超導計算機的運算速度將比現在的電子計算機快100倍，而電能消耗僅是電子計算機的千分之一。打個比方，如果目前一台大中型計算機每小時耗電10千瓦，那麼同樣計算力的超導計算機只需一節乾電池就可以工作了，並且體積也只有原來的幾十分之一。

不過，超導計算機的實現還有待於科學家們對高温乃至常温超導材料的研究。目前，科學家們已經發現有28種元素和幾千種合金和化合物可以成為超導體，但這些超導材料最高的超導臨界温度也要在零下140度以上。科學家們期望尋找到成本低廉的常温超導材料，利用它製成超導開關器件和超導存貯器，再利用這些器件製成超導計算機，從而改變整個計算機的世界。

胖瘦結合，加速超導芯片研究

超導材料的研究離不開高性能計算機。不過，超導材料理論較為複雜，從原理上決定了對高性能計算的要求不盡相同，如Materials Studio、ADF、PWSCF等計算方法對CPU主頻和內存帶寬要求比較高，而量化計算Gaussian則對共享內存並行效率有更高要求，需要SMP胖節點服務器。

根據上海超導的應用需求，浪潮按需定製了基於英特爾®至強®E5-2600V3系列的高性能天梭TS10000集羣系統，整套系統採用胖瘦節點分工、高速網絡和存儲結合的設計。其中，瘦計算節點為滿足高主頻和大內存MPI並行計算應用需求，使用了浪潮2U雙路機架服務器NF5280M4，配置了2.5 GHz主頻、十二核心的E5-2680v3處理器，單節點128G內存，可輕鬆處理普通計算任務。而像Gaussian、ATK/VNL、MedeA等應用，隨着計算規模的擴大，對內存的需求將隨基函數數量的平方而增加，特別是支持Open-MP和TPC-Linda兩種並行方式的Gaussian，在選擇MP2計算方法時會產生大量臨時文件常駐內存，通用計算節點將很難完成數據處理工作。為此，浪潮提供4U機架式服務器NF8460M3作為胖計算節點，配置4顆E7-4820v2處理器，內存可擴展至2TB，滿足了大內存並行計算的需求。

存儲系統採用浪潮TStor500存儲系統，提供3GB/s的聚合帶寬，在滿足Gaussian MP2等計算方法對較高IO帶寬要求的同時，也讓整個系統數以千計的客户端、服務器和存儲設備之間實現了完全並行。同時，元數據服務器和對象數據存儲服務器在不同的服務器，兩個對象存儲服務器採用Actice-Active方式運行：元數據存儲陣列採用浪潮光纖存儲AS500H，兩個MDS元數據節點保障HA高可用；數據存儲節點採用浪潮4U機架式服務器SA5224H，全部採用高性能專用處理器，集成BMC智能控制芯片。為了與高速存儲相匹配，整個集羣採用56Gb/s FDR端到端的IB交換機，在1U空間提供36端口互聯所有計算節點、管理節點、登錄節點和存儲系統，實現了超高的MPI信息傳輸率及微妙級的點對點延遲，提供更好的應用程序計算性能。

元數據服務器、對象存儲服務器和客户端可以分別運行於獨立的操作系統中，也可以運行於一個操作系統內部。最優的解決方案是元數據服務器位於一個單獨的服務器中，對一個元數據存儲對象提供服務，單獨的對象存儲服務器為多個對象存儲對象提供服務，客户端也位於單獨的服務器。其結構如下圖所示，圖中為一個元數據服務器，一個對象存儲服務器，和一個客户端的示意圖，元數據服務器服務於一個元數據存儲對象，對象存儲服務器服務於三個目標存儲對象。

浪潮還為並行存儲系統配備了自主開發的智能化、專用定製化的存儲管理界面，支持圖形化界面顯示，支持圖形化安裝與部署，可實現存儲資源的量化和用户配額制。

此外，浪潮還為用户配置了Cluster Engine雲服務平台及集羣部署還原軟件，讓用户管理整套集羣系統就像管理一台計算機一樣方便。

“胖瘦組合計算模式”化解超導應用難題 ，多個超導科學領域專家在經過實際測試後，認為浪潮為上海超導量身定製的高性能集羣提供了充足的總體計算能力，節點間的數據交換和系統的I/O帶寬加速效果明顯，系統可擴展性得到充分保障。同時，浪潮針對實際運算需求開發的不同級別的軟件應用，促進了系統內部服務器、存儲、應用之間最大限度趨近協同運算，顯著提高了超導材料研究應用的運行效率。

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上海超導科技股份有限公司是由贛商集團與戰略投資者共同投資、與上海交通大學合作創辦，成立於2011年, 總部位於浦東張江高科技園區集電港，研發中心位於上海交通大學超導聯合研究院。作為上海市“十二五”期間特別培育的戰略性高科技企業。公司匯聚了來自於劍橋大學、瑞士聯邦理工學院、上海交大、中科院等高校及院所的科學家團隊，同時擁有經驗豐富的設備及工藝工程師, 目前已擁有一條基於物理法的二代高温超導帶材生產線，形成了具備自主知識產權的真空鍍膜裝備體系。