Een Sandia National Laboratories-softwareprogramma dat nu is geïnstalleerd als een aanvullende test voor de algemeen waargenomen TOP500-supercomputeruitdaging, is steeds prominenter geworden. De volledige naam van het programma:High Performance Conjugate Gradients, of HPCG - komt niet struikelend naar de tong, maar er sijpelt naar buiten dat dit relatief nieuwe benchmarkingprogramma net zo waardevol wordt als zijn eerbiedwaardige partner - het High Performance LINPACK-programma - waarvan sommigen zeggen dat het minder dan bevredigend is geworden bij het meten van veel van de hedendaagse computeruitdagingen.

"Het LINPACK-programma vertegenwoordigde vroeger een breed spectrum van de kernberekeningen die moesten worden uitgevoerd, maar de dingen zijn veranderd, " zei Sandia-onderzoeker Mike Heroux, die het HPCG-programma heeft gemaakt en ontwikkeld. "Het LINPACK-programma voert compute-rijke algoritmen uit op dichte datastructuren om de theoretische maximale snelheid van een supercomputer te identificeren. De applicaties van vandaag gebruiken vaak schaarse datastructuren, en berekeningen zijn slanker."

De term "sparse" betekent dat een matrix in kwestie meestal nul waarden heeft. "De wereld is echt schaars in grote maten, " zei Heroux. "Denk aan je sociale media connecties:er kunnen miljoenen mensen vertegenwoordigd zijn in een matrix, maar je ruzie - de mensen die je beïnvloeden - zijn er maar weinig. Dus, de effectieve matrix is ​​schaars. Hebben andere mensen op de planeet nog steeds invloed op je? Ja, maar door mensen die dicht bij je staan."

evenzo, voor een wetenschappelijk probleem waarvan de oplossing miljarden vergelijkingen vereist, de meeste matrixcoëfficiënten zijn nul. Bijvoorbeeld, bij het meten van drukverschillen in een 3D-gaas, de druk op elk knooppunt is direct afhankelijk van de druk van zijn buren. De druk op verre plaatsen wordt weergegeven door de nabije buren van het knooppunt. "De kosten van het opslaan van alle matrixtermen, zoals het LINPACK-programma doet, wordt onbetaalbaar, en de rekenkosten nog meer, " zei Heroux. Een computer kan heel snel zijn in het rekenen met dichte matrices, en dus hoog scoren op de LINPACK-test, maar in de praktijk is de HPCG-test realistischer.

Om de praktische elementen van de huidige supercomputing-toepassingsprogramma's beter weer te geven, Heroux ontwikkelde HPCG's gepreconditioneerde iteratieve methode voor het oplossen van systemen die miljarden lineaire vergelijkingen en miljarden onbekenden bevatten. "Iteratief" betekent dat het programma begint met een eerste schatting van de oplossing, en berekent vervolgens een reeks verbeterde antwoorden. Preconditionering gebruikt andere eigenschappen van het probleem om snel te convergeren naar een acceptabel antwoord.

"Om de problemen op te lossen die we nodig hebben voor onze missie, die kunnen variëren van een volledige wapensimulatie tot een windmolenpark, we moeten fysieke verschijnselen met hoge betrouwbaarheid beschrijven, zoals het drukverschil van een vloeistofstroomsimulatie, " zei Heroux. "Voor een mesh in een 3D-domein, je moet op elk knooppunt op het raster de relaties met waarden op alle andere knooppunten weten. Een preconditioner zorgt ervoor dat de iteratieve methode sneller convergeert, dus bij elke iteratie wordt een multigrid-preconditioner op de methode toegepast."

Supercomputerleveranciers zoals NVIDIA Corp., Fujitsu Ltd., IBM, Intel Corp. en Chinese bedrijven schrijven versies van HPCG's programma die optimaal zijn voor hun platform. Hoewel het misschien vreemd lijkt voor studenten om een ​​test aan te passen aan hun eigen wensen, het is duidelijk wenselijk dat supercomputers met verschillende ontwerpen de test personaliseren, zolang elke deelnemer alle overeengekomen berekeningsgrondslagen haalt.

"We hebben controles in de code om optimalisaties te detecteren die niet zijn toegestaan ​​volgens het gepubliceerde benchmarkbeleid, ’ zei Heroux.

Op de HPCG TOP500-lijst, de Sandia en Los Alamos National Laboratory-supercomputer Trinity is gestegen naar nummer 3, en is het hoogste Department of Energy-systeem. Trinity is nr. 7 in het algemeen in de LINPACK-ranglijst. HPCG weerspiegelt beter de ontwerpkeuzes van Trinity.

Heroux zegt dat hij de basis HPCG-code 15 jaar geleden schreef, oorspronkelijk als onderwijscode voor studenten en collega's die de anatomie wilden leren van een applicatie die schaalbare, schaarse oplossers gebruikt. Jack Dongarra en Piotr Luszczek van de Universiteit van Tennessee waren essentiële medewerkers van het HPCG-project. Vooral, Dongarra, waarvan de zichtbaarheid in de high-performance computing-gemeenschap ongeëvenaard is, is een sterke promotor van HPCG geweest.

"Zijn promotionele bijdragen zijn essentieel, " zei Heroux. "Mensen respecteren Jack's kennis en het hielp enorm bij het verspreiden van het woord. Maar als het programma niet solide was, promotie alleen zou niet genoeg zijn."

Heroux investeerde zijn tijd in het ontwikkelen van HPCG omdat hij een sterk verlangen had om de veiligheid en effectiviteit van de Amerikaanse voorraden beter te verzekeren. De supercomputergemeenschap had een nieuwe benchmark nodig die beter aansluit bij de behoeften van de wetenschappelijke computergemeenschap op het gebied van nationale veiligheid.

"Ik had 10 jaar bij Cray Inc. gewerkt voordat ik in '98 bij Sandia kwam, " hij zegt, "Toen ik het algoritmische werk zag, vond ik het belangrijk om naar de laboratoria te gaan voor het Accelerated Strategic Computing Initiative (ASCI). Toen de VS besloten het Comprehensive Nuclear Test Ban Treaty in acht te nemen, we hadden high-end computing nodig om de veiligheid en effectiviteit van de nucleaire voorraad beter te waarborgen. Ik vond het een nobel iets, dat ik er graag bij zou zijn, en dat mijn expertise kan worden toegepast om simulatiemogelijkheden van de volgende generatie te ontwikkelen. ASCI was het grote nieuwe project aan het eind van de jaren negentig als ik iets zinvols wilde doen op mijn gebied van onderzoek en ontwikkeling."

Heroux is nu directeur van softwaretechnologie voor het Exascale Computing Project van het Department of Energy. Daar, hij werkt aan de harmonisatie van het computerwerk van de nationale laboratoria van DOE - Oak Ridge, Argonne, Laurens Berkeley, Pacific Northwest, Brookhaven en Fermi, samen met de drie laboratoria van de National Nuclear Security Administration.

"Vandaag, we hebben de mogelijkheid om een ​​geïntegreerde inspanning te creëren tussen de nationale laboratoria, " zei Heroux. "We hebben nu dagelijkse forums op projectniveau, en de mensen met wie ik het nauwst samenwerk, zijn mensen van de andere laboratoria. Omdat het Exascale Computing Project is geïntegreerd, we moeten software leveren aan de applicaties en de hardware in alle labs. De poging van het ministerie van Energie voor een multi-lab, multi-universitair project geeft ons een organisatiestructuur om als een samenhangende eenheid samen te werken, zodat software wordt geleverd die past bij de belangrijkste applicaties."