Sunway: суперкомпьютеры и микропроцессоры¶

Sunway — это китайская серия суперкомпьютерных систем и одноимённое семейство микропроцессоров, разработанных Национальным исследовательским центром параллельных компьютерных технологий (NRCPC) при Национальном университете оборонных технологий НОАК. Проект известен тем, что его вычислительные машины неоднократно возглавляли рейтинг самых мощных суперкомпьютеров мира TOP500, а также тем, что в их архитектуре используются полностью китайские процессоры, что стало важной вехой в программе импортозамещения в области высокопроизводительных вычислений (HPC).

¶История

Разработка линейки Sunway началась в середине 2000-х годов как ответ на потребность Китая в создании собственных высокопроизводительных платформ, не зависящих от западных технологий, в частности от процессоров Intel и AMD. Первой значимой системой стал суперкомпьютер Sunway BlueLight, представленный в 2011 году. Он использовал процессоры Sunway SW1600 и достиг пиковой производительности около 795 терафлопс (TFLOPS), заняв место в верхней части рейтинга TOP500 (14-е место в июне 2011 года).

Ключевым прорывом стал запуск в 2016 году суперкомпьютера Sunway TaihuLight, установленного в Национальном суперкомпьютерном центре в Уси (провинция Цзянсу). Эта система, оснащённая 10 649 600 ядрами на базе процессоров Sunway SW26010, достигла пиковой производительности 125,4 петафлопс (PFLOPS) и устойчивой производительности 93 петафлопс на тесте LINPACK. В июне 2016 года TaihuLight занял первое место в рейтинге TOP500, став первым суперкомпьютером, который преодолел отметку в 100 PFLOPS без использования ускорителей (GPU), и оставался самым мощным в мире до ноября 2017 года, когда его обошёл китайский же Sunway преемник — система Sunway (позже названная Sunway Oceanlite).

В 2021 году была введена в эксплуатацию новая система — Sunway Oceanlite, установленная в городе Цзинань (провинция Шаньдун). Её пиковая производительность оценивается примерно в 1,3 экзафлопса (EFLOPS), что делает её одной из первых экзафлопсных машин в мире, хотя официальные данные о её рейтинге в TOP500 не публиковались полностью из-за ограничений на экспорт технологий и политики неразглашения.

¶Архитектура и микропроцессоры

¶Семейство процессоров Sunway

Основой всех систем Sunway являются собственные микропроцессоры архитектуры RISC (набор команд, основанный на архитектуре DEC Alpha, но значительно модифицированный). Основные представители:

• Sunway SW1600 — 16-ядерный процессор, использовавшийся в BlueLight. Тактовая частота около 1,1 ГГц, поддерживал векторные вычисления.
• Sunway SW26010 — 260-ядерный процессор, применяемый в TaihuLight. Состоит из 4 вычислительных кластеров (CGE), каждый из которых включает 64 вычислительных ядра (Compute Processing Element, CPE) и одно управляющее ядро (Management Processing Element, MPE). Тактовая частота — 1,45 ГГц. Особенность: ядра CPE имеют малый объём локальной памяти (64 КБ) и не поддерживают когерентность кэша с основной памятью, что требует ручного управления данными программистом.
• Sunway SW26010-Pro — улучшенная версия для Oceanlite, с увеличенной тактовой частотой (до 2,1 ГГц) и улучшенной поддержкой операций с плавающей запятой.
• Sunway SW390 — новейший процессор (анонсирован в 2022 году), содержащий 390 ядер, предназначенный для будущих систем и облачных вычислений.

¶Технические особенности

Процессоры Sunway используют 64-битную архитектуру, поддерживают векторные инструкции (аналог SIMD) шириной 256 бит. Пиковая производительность одного чипа SW26010 составляет около 3,06 TFLOPS при двойной точности. Энергопотребление одного процессора — около 250 Вт, что даёт энергоэффективность примерно 12 GFLOPS/Вт для TaihuLight (в 2016 году это было одним из лучших показателей среди систем TOP10).

Ключевая особенность архитектуры — гетерогенность: управляющие ядра (MPE) работают под управлением операционной системы (Linux), а вычислительные ядра (CPE) выполняют только пользовательские вычисления и не имеют собственной ОС. Взаимодействие между ядрами осуществляется через сеть на кристалле (NoC) и специальные регистры.

¶Программное обеспечение

Для систем Sunway разработан специализированный программный стек. Он включает:

• Операционная система: модифицированное ядро Linux (Sunway RaiseOS), адаптированное под гетерогенную архитектуру.
• Компиляторы: форки GCC и Clang с поддержкой расширений для CPE-ядер, а также собственный компилятор языка Fortran.
• Библиотеки: оптимизированные реализации BLAS, LAPACK, FFTW, а также библиотека параллельных вычислений Sunway Threading (аналог OpenMP/MPI).
• Среда разработки: поддержка OpenACC и частичная поддержка OpenMP для облегчения переноса кода с GPU-кластеров.

Программирование под Sunway считается сложным из-за необходимости вручную управлять передачей данных между MPE и CPE, а также между вычислительными ядрами. Для решения этой задачи китайские исследователи разработали инструменты автотрансляции кода и библиотеки шаблонов.

¶Применение

Суперкомпьютеры Sunway используются для решения широкого круга научных и прикладных задач:

• Метеорология и климат: моделирование атмосферных процессов, прогнозирование погоды (система используется Китайским метеорологическим управлением).
• Науки о жизни: молекулярная динамика, моделирование сворачивания белков, геномные исследования.
• Материаловедение: расчёт электронной структуры, квантово-химические расчёты.
• Аэрокосмическая промышленность: аэродинамические расчёты, моделирование турбулентности.
• Океанология: моделирование циркуляции океана и цунами.
• Искусственный интеллект: обучение больших нейронных сетей, хотя для этой задачи системы Sunway уступают GPU-кластерам из-за специфики архитектуры.

В 2017 году на TaihuLight была получена престижная премия Gordon Bell Prize за моделирование распространения сейсмических волн и расчёт свойств материалов, что подтвердило практическую полезность архитектуры.

¶Значение и влияние

Проект Sunway имеет стратегическое значение для Китая. Во-первых, он демонстрирует технологическую независимость страны от экспортных ограничений США: все компоненты, включая процессоры, материнские платы, системы охлаждения и коммуникационные сети, произведены в Китае. Во-вторых, Sunway стал платформой для подготовки кадров в области HPC и разработки отечественного системного ПО.

Системы Sunway также используются в военных целях (моделирование ядерных процессов, криптография), однако детали этих применений засекречены. Критики отмечают, что экзафлопсные показатели Oceanlite достигнуты за счёт огромного количества ядер (более 40 миллионов), что делает систему менее гибкой по сравнению с западными архитектурами на базе GPU и требует огромных затрат электроэнергии (около 30 МВт).

¶Сравнение с конкурентами

В отличие от американских систем (Frontier, Summit), использующих связку CPU+GPU, и японского Fugaku (архитектура ARM), Sunway полагается исключительно на собственные CPU. Это ограничивает пиковую производительность на единицу площади и усложняет программирование, но обеспечивает полный контроль над технологической цепочкой. По состоянию на 2024 год Sunway Oceanlite остаётся одной из самых мощных систем в мире, хотя её точное место в рейтинге TOP500 не раскрывается из-за политики неразглашения китайских властей.