Fujitsu A64FX

Fujitsu A64FX — это 64-битный ARM-микропроцессор, разработанный японской компанией Fujitsu. Он относится к классу процессоров с архитектурой ARMv8.2-A и является первым в мире процессором, реализующим масштабируемые векторные расширения (Scalable Vector Extension, SVE) для ARM. A64FX был специально спроектирован для высокопроизводительных вычислений (HPC) и стал основой суперкомпьютера Fugaku, который в 2020—2022 годах занимал первое место в рейтинге TOP500.

История

Разработка процессора A64FX началась в 2014 году в рамках проекта японского правительства по созданию национального суперкомпьютера нового поколения. Fujitsu, имевшая опыт создания процессоров SPARC64 для суперкомпьютеров K и FX10, решила перейти на архитектуру ARM, чтобы снизить энергопотребление и повысить масштабируемость. В 2016 году компания объявила о сотрудничестве с ARM Holdings для реализации поддержки SVE. Первые образцы A64FX были представлены в 2018 году, а серийное производство началось в 2019 году. Процессор изготавливается по 7-нм техпроцессу TSMC (N7). В 2020 году на базе A64FX был запущен суперкомпьютер Fugaku, установленный в Институте физико-химических исследований (RIKEN) в Кобе, Япония.

Архитектура

Ядро и кластеры

A64FX содержит 48 вычислительных ядер (Compute Cores) и 4 вспомогательных ядра (Assistant Cores), которые используются для операционной системы и ввода-вывода. Ядра работают на частоте до 2,2 ГГц. Каждое ядро поддерживает архитектуру ARMv8.2-A с расширениями SVE, что позволяет обрабатывать векторы длиной до 512 бит за один такт. Ядра сгруппированы в 4 кластера (Core Memory Groups, CMG), каждый из которых включает 12 вычислительных ядер, 1 вспомогательное ядро и 8 МБ кэш-памяти L2 (общей для CMG). Кэш L1 каждого ядра составляет 64 КБ для инструкций и 64 КБ для данных.

Память

Процессор использует стековую память HBM2 (High Bandwidth Memory 2) объёмом 8 ГБ, размещённую на одном корпусе с кристаллом. Пропускная способность памяти достигает 1 ТБ/с. Каждый CMG имеет прямой доступ к 2 ГБ HBM2 через четыре 32-битных канала. Для связи между CMG и внешними устройствами применяется шина PCIe 3.0 (16 линий).

Сеть

Для межсоединений в суперкомпьютере Fugaku используется собственная сеть Tofu-D (Torus Fusion), интегрированная в процессор. Каждый A64FX содержит 6 портов Tofu-D, обеспечивающих пропускную способность 6,8 ГБ/с на порт. Сеть поддерживает топологию 6D-тор, что позволяет эффективно масштабировать систему до десятков тысяч узлов.

Характеристики

Применение

Суперкомпьютер Fugaku

Основное применение A64FX — суперкомпьютер Fugaku, установленный в RIKEN. Fugaku состоит из 158 976 процессоров A64FX, объединённых в 158 976 узлов (по одному процессору на узел). Общая пиковая производительность системы составляет 537,2 ПФлопс (FP64), а реальная — 442,0 ПФлопс (по тесту LINPACK). Fugaku используется для моделирования климата, разработки лекарств, материаловедения, астрофизики и других научных задач. В 2020—2022 годах он занимал первое место в TOP500, а по состоянию на 2024 год входит в пятёрку лидеров.

Другие системы

Несколько меньших кластеров на базе A64FX были построены в Японии и других странах, например, в Университете Токио, Оксфордском университете (Великобритания) и в рамках проекта Isambard (Великобритания). Эти системы используются для тестирования программного обеспечения и отработки алгоритмов, оптимизированных под архитектуру ARM SVE.

Программная экосистема

Для A64FX разработана оптимизированная версия операционной системы на базе Linux (RHEL). Компиляторы Fujitsu (на основе LLVM и GCC) поддерживают автоматическую векторизацию с использованием SVE. Основные библиотеки HPC (OpenMPI, MPICH, FFTW, BLAS, LAPACK) адаптированы для работы с процессором. Fujitsu также предоставляет собственный математический пакет (Fujitsu SSL II) и среду разработки (Fujitsu Parallel Studio). В 2021 году была выпущена версия ПО для поддержки ARM SVE на других процессорах (например, от Ampere Computing), что способствовало распространению экосистемы.

Критика и ограничения

Несмотря на высокую энергоэффективность и производительность, A64FX имеет ряд недостатков:

• Ограниченный объём памяти: 8 ГБ HBM2 на процессор недостаточно для задач с большими объёмами данных (например, глубокое обучение на больших наборах данных). Это ограничивает применение в некоторых областях AI.
• Отсутствие поддержки внешней памяти DDR: процессор не имеет контроллера DDR, поэтому вся память должна быть размещена на корпусе. Это увеличивает стоимость и сложность модернизации.
• Специализация: архитектура оптимизирована для HPC, но не подходит для универсальных серверных нагрузок (веб-серверы, базы данных) из-за низкой производительности на задачах с нерегулярным доступом к памяти.
• Высокая стоимость: из-за использования 7-нм техпроцесса и HBM2 цена одного процессора составляет несколько тысяч долларов, что делает его недоступным для массового рынка.

Интересные факты

• A64FX стал первым процессором, реализовавшим SVE, которое позже было включено в стандарт ARMv9.
• Название A64FX происходит от «ARM64» и «Fujitsu X» (экспериментальный).
• В Fugaku каждый процессор потребляет около 150 Вт, что при 158 976 узлах даёт общее энергопотребление системы около 28 МВт.
• В 2020 году Fugaku получил премию Gordon Bell Prize за достижения в области высокопроизводительных вычислений.

Источники

• Fujitsu. «Fujitsu A64FX Microprocessor». Fujitsu Technical Review, 2019.
• RIKEN Center for Computational Science. «Fugaku Supercomputer Specifications», 2020.
• TOP500.org. «November 2020 List». TOP500, 2020.
• ARM Holdings. «ARMv8-A Architecture Reference Manual», 2018.
• Sato, M. et al. «The A64FX Processor: A 7-nm ARM-Based HPC Chip». IEEE Micro, vol. 40, no. 2, 2020.