《电子技术应用》

解读自主可控路上飞腾CPU与天河超算的不解之缘

作者:王伟
2018/8/8 13:22:51

  国产“飞腾处理器”是国防科技大学计算机学院专为“天河”系列超级计算机而量身定制的银河飞腾系列通用CPU,得到国家“核高基”项目的专项资金支持。针对银河飞腾系列,国防科大先后尝试了X86、Epic(VLIW)、SPARC、ARM四个指令集,并以Sparc开源代码为基础设计了FT-1000和FT-1500两款CPU,之后,飞腾选择了ARM阵营,获得了ARM指令集授权,并在数年时间里先后开发出了FTC660、FTC661两款CPU核,以及FT-1500A/4、FT-1500A/16、FT-2000、FT-2000plus等CPU产品。

  • FT-1500A/4被用于PC和笔记本,采用28nm制造工艺。集成了4个FTC660 CPU核,主频1.5GHz-2.0GHz,集成了2MB二级cache和8MB三级cache,集成了2个DDR3-1600存储控制器,可提供25.6GB/s访存带宽,最大功耗为15W。

  • FT-1500A/16被用于服务器,采用28nm制造工艺。集成了16个FTC660 CPU核,主频1.5GHz,集成了8MB二级cache和8MB三级cache,集成了4个DDR3-1600存储控制器,可提供51.2GB/s访存带宽,最大功耗为35W。

  • FT-2000采用28nm制造工艺,可被用于超算计算节点和高性能服务器。集成了64个FTC661处理器核。工作主频1.5GHz-2.0GHz。集成了32MB二级cache,扩展支持128MB三级cache。支持16个DDR3-1600存储控制器,可提供204.8GB/s访存带宽。

  • 最新的FT-2000Plus采用了台积电16nm制造工艺,主频为2.0GHz-2.4GHz,集成了64个FTC661处理器核。为了提高集成度,抛弃了L3cache,将DDR4内存控制器集成到了片内。目前,飞腾系列CPU已经形成了一个家族,可满足党政军多个领域的实际需求。

  飞腾CPU的演进与我国超级计算机的成长史是同步的。FT-1000、FT-1500曾分别使用在“天河一号”和“天河二号”超级计算机,且日前刚刚完成研制部署中国自主研发的新一代百亿亿次超级计算机“天河三号”E级原型机采用的也是全自主创新的飞腾CPU。

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  FT-1000:助力“天河一号”升级

  “天河一号”,是由国防科技大学研制的我国首台千万亿次超级计算机,采用6144个英特尔INTEL通用多核处理器和5120个AMD图形加速处理器。次年,国防科技大学在原有的“天河一号”超级计算机的基础上,对其加速节点进行了扩充与升级。升级优化后的“天河一号”,部分采用了FT-1000芯片,峰值性能提高了3.89倍,持续性能提高了4.45倍,均达到当时的国际领先水平。

  FT-1500A:美技术封锁下的崛起

  2014年11月,在美国新奥尔良市召开的世界超级计算机大会上,“天河二号”在国际TOP500组织首次正式发布的超级计算机高性能测试排行榜上位居世界第一。此前,由该组织发布的第44届世界超级计算机500强排行榜中,天河二号以峰值计算速度达每秒5.49亿亿次、持续计算速度达每秒3.39亿亿次位居榜首,获得“四连冠”。2015年,“天河二号”计划将计算能力从55PFLOPS升级到100PFLOPS。

  或许是“天河二号”四连冠的战绩和升级计划,威胁到美国在超算的地位,2015年4月9日,美国商务部发布报告,决定拒绝英特尔公司向中国的国家超级计算广州中心出售至强芯片用于“天河二号”系统升级的申请。国家超级计算长沙中心、广州中心、天津中心和国防科技大学四家国家超算中心被列入出口管制名单。

  美国商务部实施出口限制极大地刺激我国国产芯片产业化以及在国产超算系统部署的进程。 “天河二号”一期系统使用了32000颗“Xeon处理器和48000颗“XeonPhi”协处理器,其计算节点的前端处理器为4096个FT-1500芯片,用以处理网络数据。受美国禁运政策的影响,直到2017年底,广州超算中心才使用国产加速器Matrix 2000取代原本的Intel Xeon Phi加速器,将“天河二号”的性能从54.9PFLOPS提升到了97.9PFLOPS。

  天河3号:完全抛弃Intel  实现完全自主可控

  2018年7月,我国自主研发的新一代百亿亿次超级计算机--“天河三号”E级原型机完成研制部署,并顺利通过分项验收,该原型机系统采用了三种国产自主高性能计算和通信芯片。在此基础上,“天河三号”超级计算机预计于2020年研制成功!

  据悉,“天河”系列超级计算机已经全面掌握“五大”自主核心技术,即具有自主知识产权的四大芯片和自主操作系统。目前,通用CPU和加速器CPU、互连通信路由芯片和互连接口芯片,均已装配在“天河二号”2期系统中,打破了2015年美国对国防科大和“天河”系超算中心的CPU禁运,而“天河三号”超级计算机将对这四大芯片进行全面升级。

  目前,“天河三号”E级原型机系统实现了四大自主创新,即三款芯片--“迈创”众核处理器(Matrix-2000+)、互连接口芯片、路由器芯片;四类计算、存储和服务结点,十余种PCB电路板;新型的计算处理、高速互连、并行存储、服务处理、监控诊断、基础架构等硬件分系统;系统操作、并行开发、应用支撑和综合管理等软件分系统。未来‘天河三号’E级超级计算机将对已经设计生产的三款计算、互联通信核心芯片再进行全面升级,同时基于飞腾CPU设计新的多核CPU,实现可支持海量数据存储的层次式存储系统,对适用高性能计算和高效大数据处理的柔性体系结构进一步优化。


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