クペース

QPACE ( Cell Broadband Engine上のQCD並列コンピューティング) は、格子量子色力学のアプリケーション向けに設計された、超並列かつスケーラブルなスーパーコンピュータです。

QPACEスーパーコンピュータは、ドイツのベーブリンゲンにあるIBM研究開発研究所や、Eurotech、Knürr、Xilinxなどの他の産業パートナーと共同で、いくつかの学術機関が実施している研究プロジェクトです。レーゲンスブルク大学（プロジェクトリーダー）、ヴッパータール大学、DESYツォイテン、ユーリッヒ研究センター、フェラーラ大学から集まった約20人の若手および上級科学者（ほとんどが物理学者）からなる学術設計チーム。主な目標は、計算性能、価格性能比、エネルギー効率の点で産業製品を上回る、アプリケーションに最適化されたスケーラブルなアーキテクチャの設計でした。プロジェクトは2008年に正式に開始されました。2009年夏には2つのインストールが展開されました。最終設計は2010年初頭に完了しました。それ以来、QPACEは格子QCDの計算に使用されています。このシステムアーキテクチャは、格子ボルツマン法など、主に最近傍通信に依存する他のアプリケーションにも適しています。^[1]

2009年11月、QPACEは世界で最もエネルギー効率の高いスーパーコンピュータのGreen500リストでトップのアーキテクチャでした。^{[2]このタイトルは、2010年6月に}Linpackベンチマークでワットあたり773 MFLOPSのエネルギーシグネチャを達成したときに防衛されました。^{[3]最も強力なスーパーコンピュータの}Top500リストでは、QPACEは2009年11月に110〜112位、2010年6月に131〜133位にランクされました。 ^{[4] [5]}

QPACE は、SFB/TRR-55 の枠組みでドイツ研究振興財団(DFG) とIBMから資金提供を受けました。また、 Eurotech、Knürr、Xilinxからも資金提供を受けました。

2008年にIBMは、 PlayStation 3などで使用されているIBM Cell Broadband Engineの拡張バージョンであるPowerXCell 8i マルチコアプロセッサをリリースしました。このプロセッサは、その卓越した浮動小数点性能により、科学界で大きな注目を集めました。^{[6] [7] [8]}これは、PFLOPSの壁を破った最初のスーパーコンピュータアーキテクチャであるIBM Roadrunnerクラスタの構成要素の1つです。PowerXCell 8iに基づくクラスタアーキテクチャは通常、 Infinibandなどの業界標準ネットワークで相互接続されたIBM BladeCenterブレードサーバーに依存しています。QPACEでは、まったく異なるアプローチが選択されました。Xilinx Virtex-5 FPGA上に実装されたカスタム設計のネットワークコプロセッサを使用して、コンピューティングノードを接続します。FPGAは再プログラム可能な半導体デバイスであり、機能動作のカスタマイズされた仕様を可能にします。QPACEネットワークプロセッサは、Rambus独自のI/Oインターフェイスを介してPowerXCell 8iに密接に結合されています。

QPACE の最小の構成要素はノード カードで、PowerXCell 8i と FPGA をホストします。ノード カードはバックプレーンにマウントされ、各バックプレーンは最大 32 個のノード カードをホストできます。1 つの QPACE ラックには最大 8 個のバックプレーンが収容され、前面と背面にそれぞれ 4 個のバックプレーンがマウントされます。ラックあたりのノード カードの最大数は 256 です。QPACE は、このパッケージ密度を実現するために水冷ソリューションを利用しています。

16 枚のノード カードは、ルート カードと呼ばれる別の管理カードによって監視および制御されます。ラックごとにもう 1 枚の管理カード (スーパールート カードと呼ばれる) は、電源の監視と制御に使用されます。ルート カードとスーパールート カードは、コンピューティング ノードの同期にも使用されます。

QPACE の心臓部は、IBM PowerXCell 8iマルチコア プロセッサです。各ノード カードには、1 つの PowerXCell 8i、ECC付き4 GB のDDR2 SDRAM、1 つのXilinx Virtex-5 FPGA、および 7 つのネットワークトランシーバが搭載されています。1 つの1 ギガビット イーサネットトランシーバがノード カードを I/O ネットワークに接続します。6 つの 10 ギガビット トランシーバは、3 次元トロイダル メッシュ内の隣接ノード間でメッセージを渡すために使用されます。

QPACEネットワークコプロセッサは、PowerXCell 8iのI/Oインターフェースに直接接続されたXilinx Virtex-5 FPGA上に実装されています。 ^{[9] [10]} FPGAの機能動作はハードウェア記述言語によって定義され、ノードカードを再起動することでいつでも変更できます。QPACEネットワークコプロセッサのほとんどのエンティティはVHDLでコーディングされています。

QPACEネットワークコプロセッサは、PowerXCell 8iを3つの通信ネットワークに接続します。^{[10] [11]}

• トーラス ネットワークは、 3 次元のトロイダル メッシュ内で最近傍通信を可能にする高速通信パスです。トーラス ネットワークは10 ギガビット イーサネットの物理層に依存し、メッセージの受け渡しには小さいメッセージ サイズに最適化されたカスタム設計の通信プロトコルが使用されます。トーラス ネットワーク設計のユニークな特徴は、直接メモリ アクセスによるSynergistic Processing Element (SPE)のローカル ストアと呼ばれるプライベート メモリ領域間のゼロ コピー通信のサポートです。隣接ノード上の 2 つの SPE 間の通信のレイテンシは 3 μs です。リンクおよび方向あたりのピーク帯域幅は約 1 GB/s です。
• スイッチド 1 ギガビット イーサネットは、ファイル I/O とメンテナンスに使用されます。
• グローバル信号ネットワークは、ツリー ネットワークとして配置された単純な 2 線式システムです。このネットワークは、グローバル状態の評価とノードの同期に使用されます。

QPACEスーパーコンピュータの計算ノードは水冷式です。各ノードカードから約115ワットを放散する必要があります。^[10]冷却ソリューションは2コンポーネント設計に基づいています。各ノードカードはサーマルボックスに取り付けられており、熱が重要なコンポーネントの大型ヒートシンクとして機能します。サーマルボックスはコールドプレートに接続され、コールドプレートは水冷回路に接続されています。コールドプレートの性能により、最大32ノードの熱を除去できます。ノードカードはコールドプレートの両側に取り付けられており、つまり、16ノードがそれぞれコールドプレートの上部と下部に取り付けられています。冷却ソリューションの効率により、温水で計算ノードを冷却できます。QPACE冷却ソリューションは、SuperMUCなどの他のスーパーコンピュータ設計にも影響を与えました。^[12]

2009 年から、ラック 4 台を備えた 2 つの同一の QPACE 設備が稼働しています。

• ユーリッヒ研究センター^[13]
• ヴッパータール大学

総合的なピーク性能は、倍精度で約 200 TFLOPS、単精度で約 400 TFLOPS です。この設備は、レーゲンスブルク大学、ユーリッヒ研究センター、ヴッパータール大学によって運営されています。

• QPACE2、QPACEの後継プロジェクト
• スーパーコンピュータ
• セル（マイクロプロセッサ）
• トーラス相互接続
• プログラマブルロジック
• 格子QCD