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日本「京」級電腦襲台,台灣高速電腦產業難起飛?

  氣象局在6月25日公佈了新的超級電腦採購案,將在3年內投入5億元打造一座新的超級電腦取代既有6年前建置的IBM P5-575。新超級電腦將採用富士通PRIMEHPC FX10商用超級電腦。

民國95年建置的IBM P5-575 Cluster 1600叢集超級電腦。圖片來源: iThome

  根據氣象局資料,新系統與富士通「京」同等級,運算能力將比現有系統提升100倍的運算能力。氣象局砸下5億,希望新的電腦預報颱風時能更準更快。

綜合iThome報導富士通提供的資料

PRIMEHPC FX10採用了與「京」相同的CPU互連技術,以10條雙向每秒5 GB的資料交換技術連接多個CPU,內部使用40奈米製程的16核心SPARC 64 IXfx處理器,時脈可達1.848 GHz,效能較「京」所使用的處理器提昇,計算效能可達236.5 GFLOPS,每瓦效能達2 GFLOPS

PRIMEHPC FX10最大可擴充至1024個機架,共98304個運算節點,提供理論上23.2 PFLOPS計算效能,應用新藥研究、災害預防或其他科學量測分析上。

氣象局新超級電腦將分3階段完成,第一階段建置4PRIMEHPC FX10,總共含6144個核心,一年後完成相同規劃的第二階建置,第三階段預定採用富士通運算密度更加提昇的次世代超級電腦,預估總效能將超過1 PFLOPS,效能比6年前建置的IBM P5-575 Cluster 1600提昇許多。

目前氣象局使用的超級電腦為民國95年建置完成,使用IBM Power System 575叢集系統,由156Power伺服器組成,採用Power 5處理器,總運算效能約13.2 TFLOPS,因此民國104年新超級電腦完成後,運算效能將提昇約100倍。

下圖為筆者在富士通官網上找到的相關規格。在分析之後,筆者卻對氣象局公佈的資料有幾點疑問。

圖片來源:富士通

效能提升100倍,從何而來?

首先氣象局宣稱新系統可將效能提昇100倍。氣象局的原系統效能約13.2 Tflops,因此提昇100倍就超過了1 Pflops(即1000 Tflops)。

但建構計畫第一階段加上第二階段CPU Core數將僅達12288個核心,每個核心時脈1.848 GHz,每個時脈可產生8個運算指令,因此可達 12888 x 8 x 1.848 GHz = 181 Tflops的理論計算效能。換句話說兩階段建置完成後,最高理論效能也只能達181 Tflops;即便再加上第三階段,最高理論效能也只能達271 Tflops,以目前PRIMEHPC FX10的效率91.86%計算,實際效能只有250 Tflops,距離1 Pflops 還少了750Tflops。 效能提升100倍,從何而來?

每瓦效能2 Gflops,從何而來?

依據氣象局的新聞稿,PRIMEHPC FX10 每瓦效能達2 Gflops。但筆者查找了今年6月底最新公佈的全球500大綠能電腦(Green500)名單裡,富士通目前最佳的每瓦效能也只達886 Mflops,不到氣象局宣稱的一半。官網上也沒有特定的相關資料,不知是否誤植別家廠商的規格。


圖片來源: Green500

耗電量不超過既有的系統,從何而來?

氣象局今天如果要打造Pflops級的超級電腦,同時使用耗電量又要不超過原先的系統,就今年公佈的綠能500大超級電腦的清單中,只有IBM BlueGene 的每瓦2.1 Gflops 才有可能滿足氣象局的需求。以目前富士通在綠能500大超級電腦的清單中的能耗,如果真要達到1 Petaflops,則耗電量會高達1176 KW,比既有的耗電量610 KW大幅增加,並不是如氣象局所說的,只會比現有系統微幅提高。倘使只有最後只能達到270Gflops, 那又令當別論。

富士通的規格勝出,從何而來?

氣象局這次採購的富士通PRIMEHPC FX10,姑且不論經費預算問題,單就性能部份,我們來看看,氣象局是否幫納稅人盡到把關的責任。這次的採購案,共吸引了IBM、富士通、Cray三家業者參與投標。以下筆者以6月底公佈的全球綠能500大超級電腦資料,來比較一下世界級大廠的1 pflops級超級電腦的性能。

系統規格


性能諸元

能耗效能

由上方表二可知,最新公佈的綠能500大超級電腦中,IBM BlueGene 的能耗率2.1 Gflops/W 仍是全球第一。若不考慮GPGPU的運用,則IBM的iDataplex dx360M4是x86 架構中能耗效率最好,僅次於IBM 的BlueGene,達932 Mflops/W。富士通的PRIMEHPC FX10則是排在第三順位,有886 Mflops/W。至於Cray的系統,不管能耗或是效能,還遠落後於IBM與富士通。

運算效能

以CPU的使用率而言,IBM的iDataplex dx360M4可以達到93.14%,富士通的PRIMEHPC FX10則是排在第二順位,有91.86%,第三則是Appro的Xtreme-X,87.56%。

處理器時脈

如果以使用的核心數來看,最少的是Hitachi的SR16000,因為其CPU的時脈高達3.3 GHz。IBM的iDataplex dx360M4則是排在第二順位,原因在於他的高運算效能。第三則是Bull的B510系統。

從硬體規格上而言,富士通的 PRIMEHPC FX10 與IBM 的BlueGene 相差甚多,與IBM iDataplex 相較則小輸一點。單就這次的採購案,我們只能說,氣象局既不是幫我們選擇了最省電的系統,也不是選擇了效率最好的系統,只是做了一個最中庸的決定。

氣象預報光有超級電腦並非萬能

氣象的預報能力,並不全然只是提升硬體的設備那麼單純就可以解決,問題還是在於預報分析的網格的解析度,當解析單位越小,則解析度會越高,所需要運算的能力也需要越快。因此除了運算模型的改善外,提升運算能力,確實能有機會改善預報的準確性。

另有報導指出,這次氣象局的採購案之所以選用日本廠商,另一方面是考量到可吸收日本善用資訊技術(IT)的防災技術,將與利用京進行地震、海嘯模擬的日本氣象廳、東京大學等合作。

氣象局指出,高速運算電腦在預報時間、空間的掌握上扮演重要角色,雖然氣象局已有高速運算電腦,但比起其他國家氣象單位仍顯不足,韓國的運算能力是台灣的1.4倍、中國大陸是1.7倍、日本是2.3倍、美國是11倍、歐洲是24倍。

台灣氣象局年度預算不過1719億元;日本氣象廳年度預算則達588億日圓(約折合218億新台幣),為台灣11倍,其中兩顆衛星整備費用即抵過氣象局一整年預算。

「災害性天氣監測預報技術建置」計畫經費約新台幣19億元,氣象局說,軟硬體各占一半,其中硬體部分主要是汰換高速運算電腦。

日本氣象廳在2012年6月更新了他們的超級電腦,使用Hitachi 的高速電腦。新的超級電腦Hitachi SR16000/M1將比原有的Hitachi SR11000快上30倍的速度,最快運算效能可以達847 Tflops。只是筆者很好奇的是,日本氣象廳使用的是Hitachi的SR16000/M1,並非富士通的PRIMEHPC FX10,氣象局採購富士通的超級電腦如何吸收日本Hitachi的防災技術?

日本氣象廳新的超級電腦

圖片來源: 日本氣象廳

Comparison of Specification

Old

New

Model

HITACHI SR11000/K1
HITACHI SR11000/J1

HITACHISR16000/M1

Theoretical Peak Performance

27.5 TFlops*

847 TFlops

Capacity of Main Memory

13.1 TByte

108 TByte (including control)

Capacity of Magnetic Disk

18.6 TByte

348 TByte

* TFlops:Capability to perform one trillion floating-point calculations per second

資料來源:日本氣象廳

今天,不管是綠能500大超級電腦或是超級500大超級電腦,Hitachi 的SR16000/M1在性能上或是效能上都沒有特別出色。但如果這是日本政府重點扶植的產業,那又另當別論。例如日本氣象廳除了將硬體設備由現有的27.5 Tflops提升到847 Tflops,同時也導入新的運算程式「local model」,據稱可以將預報的精準度由原本的5平方公里縮小到2平方公里。

如果依氣象局三年計劃,年底前超級電腦運算能力將提升到每秒90 Tflops;明年底再增至180 Tflops,2014年的1 Pflops卻還是個未知數。即便預報分析的網格解析度,也可從現有的5平方公里縮小到3平方公里。我們希望在2014年達到跟日本一樣的預測能力還是遙遙無期。

由日本氣象廳採購自己國家製造的超級電腦可以看出,日本是以國家之力在推動超級電腦的發展。同時,中國大陸也將發展自製超級電腦列入國家重點計畫。反觀台灣,對於大型主機建置案,似乎還沒有一個整體的策略。今天台灣氣象局採購富士通的「京」,整個建置計畫就形成幫助日本政府與富士通繼續在高速運算產業上發展。台灣身居世界硬體的製造中心,以現有的研發能力與製造能力來說,開發或建置超級電腦早就不是問題;但卻看不見政府在自製超級電腦上的有任何發展重點計劃,或是認真考慮扶植台灣產業向超級電腦進軍。只聽到官員們說『採購案之所以選用日本廠商,另一方面是考量到可吸收日本善用資訊技術(IT)的防災技術,將與利用京進行地震、海嘯模擬的日本氣象廳、東京大學等合作』爾爾。

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