Суперкомпьютер Тяньхэ-3

Тяньхэ-3 — это китайский суперкомпьютер, разработанный Национальным университетом оборонной технологии (НУОТ) Китая. Он является преемником суперкомпьютера «Тяньхэ-2» (Tianhe-2, также известного как MilkyWay-2) и входит в число наиболее мощных вычислительных систем мира. Разработка велась в рамках китайской государственной программы по созданию высокопроизводительных вычислений (HPC). Официально о запуске «Тяньхэ-3» было объявлено в 2023 году, хотя отдельные компоненты и архитектура анонсировались ранее.

История создания

Разработка суперкомпьютера «Тяньхэ-3» началась после успешного запуска «Тяньхэ-2» в 2013 году, который на тот момент занимал первое место в рейтинге TOP500. В 2016 году Китай ввел ограничения на экспорт высокопроизводительных чипов для суперкомпьютеров, что стимулировало переход к полностью отечественным компонентам. В 2018 году НУОТ объявил о начале проектирования «Тяньхэ-3» с использованием китайских процессоров, а не американских Intel Xeon Phi, как в предыдущей модели.

В 2021 году были опубликованы первые технические характеристики, а в 2023 году система была введена в эксплуатацию. Официальная презентация состоялась на конференции по высокопроизводительным вычислениям в Китае. В июне 2023 года «Тяньхэ-3» занял седьмое место в рейтинге TOP500 с производительностью 1,57 экзафлопса (FP64) и 5,2 экзафлопса (FP32), что сделало его одним из первых суперкомпьютеров, достигших экзафлопсного уровня (10^18 операций с плавающей запятой в секунду).

Архитектура и компоненты

Процессоры

Основой «Тяньхэ-3» являются китайские процессоры FeiTeng-2000+ (FT-2000+), разработанные компанией Phytium Technology. Это 64-ядерные ARM-совместимые процессоры с тактовой частотой до 2,4 ГГц. Каждый процессор поддерживает до 8 каналов памяти DDR4-3200. В системе используется около 48 000 таких процессоров, что обеспечивает высокую плотность вычислений.

Ускорители

Для ускорения вычислений применяются специализированные ускорители Matrix-3000 (MTH-3000), разработанные НУОТ. Это графические процессоры (GPGPU) с архитектурой, оптимизированной для задач машинного обучения и моделирования. Каждый ускоритель содержит 256 вычислительных блоков и поддерживает операции с плавающей запятой двойной точности (FP64) и половинной точности (FP16). Всего в системе установлено около 10 000 таких ускорителей.

Память и хранение

Общая оперативная память «Тяньхэ-3» составляет около 2,5 петабайт (ПБ) — это память типа HBM2e (High Bandwidth Memory) и DDR4. Система хранения данных построена на базе твердотельных накопителей (SSD) и имеет емкость около 20 ПБ. Пропускная способность подсистемы ввода-вывода достигает 1,2 терабайта в секунду.

Сеть

Для межсоединений используется собственная сеть Tianhe Interconnect (TH-Express) с топологией «толстое дерево» (fat tree). Пропускная способность каждого канала составляет 200 Гбит/с, а общая пропускная способность сети — около 200 Тбит/с. Это обеспечивает низкую задержку (менее 1 микросекунды) и высокую масштабируемость.

Производительность

По данным на 2023 год, «Тяньхэ-3» демонстрирует следующие показатели:

• Пиковая производительность (FP64): 1,57 экзафлопса (10^18 операций в секунду).
• Максимальная производительность (FP32): 5,2 экзафлопса.
• Производительность для задач машинного обучения (FP16): около 10 экзафлопсов.
• Энергопотребление: около 30 мегаватт (МВт), что дает энергоэффективность около 52 гигафлопсов на ватт (GFLOPS/W).

Для сравнения, «Тяньхэ-2» имел пиковую производительность 54,9 петафлопса (0,0549 экзафлопса) и потреблял около 18 МВт. Таким образом, «Тяньхэ-3» в 28 раз быстрее при увеличении энергопотребления всего в 1,7 раза.

Применение

«Тяньхэ-3» используется для решения широкого круга научных и прикладных задач, в том числе:

• Моделирование климата и погоды: расчет глобальных климатических моделей с высоким разрешением, прогнозирование тайфунов и наводнений.
• Аэродинамика и гидродинамика: моделирование обтекания самолетов, ракет, кораблей и подводных лодок.
• Материаловедение: расчет свойств новых материалов, в том числе для атомной энергетики и полупроводниковой промышленности.
• Биоинформатика и фармакология: молекулярное моделирование, поиск лекарственных препаратов, анализ геномов.
• Искусственный интеллект: обучение больших нейронных сетей, обработка естественного языка, компьютерное зрение.
• Оборонные и космические исследования: моделирование ядерных взрывов, траекторий спутников, систем вооружения.

Критика и ограничения

Несмотря на высокую производительность, «Тяньхэ-3» сталкивается с рядом ограничений:

• Зависимость от ARM-архитектуры: хотя процессоры FeiTeng-2000+ являются отечественными, их архитектура ARM может быть уязвима к санкциям, так как ARM Holdings — британская компания, подконтрольная SoftBank (Япония). Однако Китай активно развивает собственные архитектуры, такие как LoongArch.
• Энергопотребление: 30 МВт — это значительная нагрузка на электросеть, что требует строительства отдельных подстанций и систем охлаждения. Для сравнения, американский суперкомпьютер Frontier (1,2 экзафлопса) потребляет около 21 МВт.
• Программное обеспечение: экосистема ARM для HPC менее развита, чем x86, что требует адаптации многих научных кодов. Китай активно работает над созданием собственных библиотек и компиляторов.
• Санкционные риски: из-за ограничений США на поставку высокотехнологичного оборудования, «Тяньхэ-3» использует только китайские компоненты, что может ограничивать доступ к некоторым передовым технологиям (например, к памяти HBM2e, которая производится в основном южнокорейскими компаниями).

Интересные факты

• Название «Тяньхэ» (天河) переводится с китайского как «Небесная река» — это традиционное китайское название Млечного Пути.
• «Тяньхэ-3» стал первым китайским суперкомпьютером, достигшим экзафлопсной производительности, и одним из первых в мире (наряду с Frontier и Fugaku).
• Система расположена в Национальном суперкомпьютерном центре в Гуанчжоу, где ранее находился «Тяньхэ-2».
• В 2024 году планируется обновление «Тяньхэ-3» до производительности 2,5 экзафлопса за счет замены ускорителей на более новые модели.

Источники

• TOP500 List — June 2023. TOP500.org.
• Официальные пресс-релизы Национального университета оборонной технологии Китая (НУОТ), 2023.
• Статья «China’s Tianhe-3 supercomputer is powered by homegrown CPUs» в журнале HPCwire, 2023.
• Доклад «Tianhe-3: Architecture and Performance» на конференции SC23, 2023.
• Техническая документация процессора FeiTeng-2000+ (Phytium Technology).