Blue Gene

Blue Gene on IBM-i projekt, mille eesmärk on välja töötada väikese voolutarbega superarvuteid, mille arvutusjõudlus ulatuks petaflopsini.
Projekti käigus töötati välja kolm generatsiooni superarvuteid: Blue Gene/L, Blue Gene/P ja Blue Gene/Q. Blue Gene'i superarvutid on aastaid hoidnud esikohti edetabelis TOP500 kõige võimsama superarvutina ja edetabelis Green500 kõige energiasäästlikuma superarvutina. Samuti on Blue Gene'i arvutid saanud järjepidevalt häid kohti edetabelis Graph500. Projekti tunnustati 2009. aastal riikliku medaliga tehnoloogia ja innovatsiooni eest.
Ajalugu.
1999. aasta detsembris teatas IBM saja miljoni USA dollarilise eelarvega projekti alustamisest superarvuti väljatöötamiseks, millega saaks teha väga suurt arvutusjõudlust nõudvaid teadusuuringuid. Põhieesmärk oli uurida valkude struktuuride kujunemist. Samuti taheti projekti raames muuta uudset süsteemi paremini rakendatavaks.
Algne ülesehitus põhines varasemal, Monty Denneau poolt projekteeritud Cyclops64 arhitektuuril. Põhiline arendustöö toimus IBM T.J. Watsoni uurimiskeskuses.
2001. aastal hakkas Blue Gene'i väljatöötamiseks IBM-iga koostööd tegema USA California osariigis eeskätt turbelahendusi pakkuv teadusasutus Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Arendustöö jätkus IBM T.J. Watsoni uurimiskeskuses ja IBM Rochesteris eesmärgiga töötada välja superarvuti LLNL-i jaoks.
Superarvutid.
Blue Gene/L.
2004. aasta novembris saavutas 16 seadmepüstikuga superarvuti Blue Gene/L esikoha edetabelis TOP500 jõudlusega 70,72 teraflopsi. Sellest ajast peale hoidis LLNL-i superarvuti Blue Gene/L esikohta 3,5 aastat, kasvades lõpuks 104 seadmepüstikuni ning saavutades kiirusi 478 ja 596 teraflopsi LINPACK jõudlustesti peal. Juunis 2008 ületas need kiirused IBM-i uus superarvuti Roadrunner teadusasutuses Los Alamos National Laboratory. Roadrunner oli ka esimene superarvuti, mis ületas 1 petaflopsi piiri.
Kuigi LLNL-i superarvuti oli kõige suurem, mis põhines Blue Gene/L-i arhitektuuril, töötati välja ka palju väiksemaid superarvuteid. 2006. aastal oli edetabelis TOP500 koguni 27 Blue Gene/L-i arhitektuuril põhinevat superarvutit.
Kui TOP500 kasutab arvutite võrdluseks tarkvaralahendust LINPACK, siis Blue Gene/L püstitas rekordeid jõudluses ka muudel rakendustel. Nimelt oli Blue Gene/L esimene superarvuti, mis suutis üle 100 teraflopsi jooksutada kolmemõõtmelist molekulaardünaamilist koodi (ddcMD), mis simuleerib vedelmetalli tahkumise protsessi kõrge rõhu ja temperatuuriga tingimustes. See saavutus võitis 2005. aastal Gordon Belli auhinna.
Ülesehitus.
Blue Gene/L-i ülesehitus põhines QCDSP ja QCDOC arhitektuuride edasiarendusel. Iga Blue Gene/L-i arvutus- või I/O sõlm oli üksik ASIC, millele olid liidetud DRAM-mälukiibid. ASIC liitis omavahel kaks 700 MHz PowerPC 440 protsessorit, mille vahemälud ei olnud omavahel seotud.
Arvutussõlmed paiknesid kahekaupa arvutuskaardil, mis omakorda paiknesid 16 kaupa plaatidel. Ühes seadmepüstikus oli 32 sellist plaati. Kuna kõik olulisemad häiresüsteemid asusid ühel kiibil ja kasutati vähese energiatarbega loogikat, oli voolutarve ühe arvutussõlme kohta väike (umbes 17 vatti koos mälumoodulitega). Tänu sellele suudeti ühte standardseadmepüstikusse mahutada kuni 1094 arvutussõlme. Nii suure arvutussõlmede hulga juures on aga komponentide rikked vältimatud. Superarvuti oli siiski võimeline elektriliselt eraldama terve rea rikkega komponente, et süsteem saaks sellest olenemata edasi töötada.
Iga Blue Gene/L-i sõlm oli ühendatud kolme paralleelsesse sidevõrku: kolmemõõtmeline võrk suhtluseks sõlmede vahel, ühine võrk suhtluseks ja üldine katkestusvõrk. I/O sõlmed, mis töötasid Linuxi operatsioonisüsteemis, tagasid suhtluse andmebaasiga Ethernet võrgu abil. I/O sõlmed tegelesid ka failisüsteemi toimingutega arvutussõlmede asemel.
Rakenduste arendus toimus enamasti C-, C++ ja Fortrani programmeerimiskeeltes, aga ka sellised skriptikeeled nagu Ruby ja Python olid kohandatud Blue Gene/L-i arvutussõlmede jaoks.
Blue Gene/P.
Juunis 2007 avaldas IBM Blue Gene/P teise põlvkonna superarvuti Blue Gene'i sarjast. See töötati välja koostöös LLNL-i ja Argonne National Laboratoryga.
Ülesehitus.
Blue Gene/P on Blue Gene/L edasiarendus. Iga Blue Gene/P arvutuskiip koosneb neljast 850 MHz kiirusel töötavast PowerPC 450 protsessori tuumast. Tuumade vahemälud on omavahel seotud ning see võimaldab kiibil toimida neljasuunalise sümmeetrilise multiprotsessorina. Mälu häiresüsteem kiibil koosneb väikestest L2-vahemäludest ja 8 MB suurusest kesksest jagatud vahemälust ning kahest DDR2-mälukontrollerist. Üks arvutussõlm töötab maksimaalselt kiirusel 13,6 gigaflopsi sekundis. Ühte seadmepüstikusse mahtus 32 plaati, seega tegi see kokku 1024 sõlme ja 4096 tuuma püstiku kohta. Kasutades palju väikseid madala võimsusega ja kompaktselt pakitud kiipe, ületas Blue Gene/P kõiki oma generatsiooni superarvuteid võimsuse efektiivsuses. Aastatel 2007–2008 olid Blue Gene/P arvutid edetabelis Green500 esimesed või esimeste hulgas.
Arvutid.
Järgnev on mittetäielik loetelu Blue Gene/P arvutitest.
Blue Gene/Q.
Kolmas edasiarendus Blue Gene'i sarjas, Blue Gene/Q, saavutas 2012. aastal arvutusjõudluseks rekordilised 20 petaflopsi. Blue Gene/Q jätkab Blue Gene/L-i ja /P ülesehituse edasiarendust ja laiendust.
Ülesehitus.
Blue Gene/Q arvutuskiip koosneb 18 tuumast. PowerPC A2 64-bitine protsessor töötab kiirusel 1,6 GHz. Kiibid on toodetud 45 nm tehnoloogiaga ja on võimelised arendama arvutusjõudlust kuni 204,8 gigaflopsi energiavajadusega 55 vatti. 19x19 mm suurune kiip koosneb 1,47 miljardist transistorist. Lisaks kiibile on arvutuskaardil 16 gigabaiti DDR3 DRAM-mälu. Seadmepüstikud koosnevad 32 plaadist ehk 1024 arvutussõlmest, mis kokku teeb 16 384 tuuma ja 16 terabaiti mälu.
Jõudlus.
Ajal, kui IBM avaldas Blue Gene/Q süsteemi, saavutas esialgne 4 püstikust koosnev arvuti edetabelis TOP500 17. koha tulemusega 677,1 teraflopsi. Sellega ületas see süsteem isegi 104 püstiku suurust Blue Gene/L-i süsteemi. See nelja püstikuga süsteem võttis esikoha ka edetabelis Graph500.
Juunis 2012 paiknesid TOP500, Graph500 ja Green500 tipus kõik Blue Gene/Q arvutid.
Arvutid.
Järgnev on mittetäielik nimekiri Blue Gene/Q arvutitest.
Rakendused.
Blue Gene/Q superarvuteid on kasutatud teadusotstarbeks, mille käigus on püstitatud uusi jõudlusrekordeid. Kosmoloogia simulatsiooni raamistik HACC töötas arvutusjõudlusel peaaegu 14 petaflopsi. Cardioidi kood, mis modelleeris inimese südame elektrofüsioloogiat, saavutas arvutusjõudluseks peaaegu 12 petaflopsi. Mõlemad olid saavutatud Sequoia peal.