Ett program från Sandia National Laboratories som nu installerats som ett ytterligare test för den utbredda TOP500 -superdatorutmaningen har blivit alltmer framträdande. Programmets fullständiga namn - High Performance Conjugate Gradients, eller HPCG - kommer inte snubblande till tungan, men ord sipprar ut att detta relativt nya riktmärkeprogram blir lika värdefullt som dess vördnadsvärda partner - High Performance LINPACK -programmet - som vissa säger har blivit mindre än tillfredsställande för att mäta många av dagens beräkningsutmaningar.

"LINPACK -programmet representerade ett brett spektrum av kärnberäkningarna som behövde utföras, men saker har förändrats, "sa Sandia -forskaren Mike Heroux, som skapade och utvecklade HPCG -programmet. "LINPACK-programmet utför beräkningsrika algoritmer på täta datastrukturer för att identifiera den teoretiska maxhastigheten för en superdator. Dagens applikationer använder ofta glesa datastrukturer, och beräkningarna är smalare. "

Termen "gles" betyder att en matris som övervägs har mestadels nollvärden. "Världen är verkligen gles i stora storlekar, "sa Heroux." Tänk på dina sociala medier:det kan finnas miljontals människor representerade i en matris, men din rad - de människor som påverkar dig - är få. Så, den effektiva matrisen är gles. Påverkar andra människor på planeten dig fortfarande? Ja, men genom människor nära dig. "

Liknande, för ett vetenskapligt problem vars lösning kräver miljarder ekvationer, de flesta matriskoefficienterna är noll. Till exempel, vid mätning av tryckskillnader i ett 3D-nät, trycket på varje nod är direkt beroende av grannarnas tryck. Trycket på avlägsna platser representeras genom nodens nära grannar. "Kostnaden för att lagra alla matristermer, som LINPACK -programmet gör, blir oöverkomlig, och beräkningskostnaden ännu mer, "sa Heroux. En dator kan vara mycket snabb i beräkning med täta matriser, och därmed få högt betyg på LINPACK -testet, men i praktiken är HPCG -testet mer realistiskt.

För att bättre återspegla de praktiska elementen i nuvarande superdatorprogram, Heroux utvecklade HPCG:s förbehandlade iterativa metod för att lösa system som innehåller miljarder linjära ekvationer och miljarder okända. "Iterativ" betyder att programmet börjar med en första gissning på lösningen, och beräknar sedan en sekvens av förbättrade svar. Förkonditionering använder andra egenskaper hos problemet för att snabbt konvergera till ett acceptabelt nära svar.

"För att lösa de problem vi behöver för vårt uppdrag, som kan sträcka sig från en fullständig vapensimulering till en vindkraftpark, vi måste beskriva fysiska fenomen till hög trohet, såsom tryckskillnaden för en vätskeflödessimulering, "sa Heroux." För ett nät i en 3D-domän, du behöver veta vid varje nod i rutnätet relationerna till värden vid alla andra noder. En förkonditionering gör att den iterativa metoden konvergerar snabbare, så en multigrid -prekonditionerare appliceras på metoden vid varje iteration. "

Superdatorleverantörer som NVIDIA Corp., Fujitsu Ltd., IBM, Intel Corp. och kinesiska företag skriver versioner av HPCG:s program som är optimala för deras plattform. Även om det kan verka konstigt för studenter att ändra ett test för att passa sig själva, det är klart önskvärt för superdatorer av olika mönster att anpassa testet, så länge varje tävlande berör alla överenskomna beräkningsgrunder.

"Vi har kontroller i koden för att upptäcka optimeringar som inte är tillåtna enligt publicerad riktmärkespolicy, sa Heroux.

På listan HPCG TOP500, Sandia och Los Alamos National Laboratory superdator Trinity har stigit till nr 3, och är den översta avdelningen för energisystem. Trinity är nummer 7 totalt på LINPACK -rankningen. HPCG återspeglar bättre Trinity -designvalen.

Heroux säger att han skrev bas -HPCG -koden för 15 år sedan, ursprungligen som en undervisningskod för studenter och kollegor som ville lära sig anatomin i en applikation som använder skalbara glesa lösare. Jack Dongarra och Piotr Luszczek från University of Tennessee har varit viktiga samarbetspartners i HPCG -projektet. Särskilt, Dongarra, vars synlighet i högpresterande datorsamhälle är oöverträffad, har varit en stark promotor för HPCG.

"Hans marknadsföringsbidrag är viktiga, "sa Heroux." Folk respekterar Jacks kunskap och det hjälpte oerhört mycket att sprida ordet. Men om programmet inte var gediget, marknadsföring ensam skulle inte vara tillräckligt. "

Heroux investerade sin tid i att utveckla HPCG eftersom han hade en stark önskan att bättre försäkra det amerikanska lagrets säkerhet och effektivitet. Superdatorgemenskapen behövde ett nytt riktmärke som bättre återspeglade behoven hos den nationella säkerhetsvetenskapliga datorsamhället.

"Jag hade arbetat på Cray Inc. i 10 år innan jag började på Sandia '98, " han säger, "när jag såg det algoritmiska arbetet brydde jag mig om att flytta till laboratorierna för Accelerated Strategic Computing Initiative (ASCI). När USA bestämde sig för att följa avtalet om omfattande nukleära testförbud, vi behövde avancerade datorer för att bättre säkerställa kärnkraftslagrets säkerhet och effektivitet. Jag tyckte det var en ädel sak, att jag skulle vara glad att få vara med, och att min expertis skulle kunna tillämpas för att utveckla nästa generations simuleringsmöjligheter. ASCI var det stora nya projektet i slutet av 1990 -talet om jag ville göra något meningsfullt inom mitt forsknings- och utvecklingsområde. "

Heroux är nu chef för programvaruteknik för Department of Energy's Exascale Computing Project. Där, han arbetar för att harmonisera datorarbetet i DOE nationella laboratorier - Oak Ridge, Argonne, Lawrence Berkeley, Nordvästra Stilla havet, Brookhaven och Fermi, tillsammans med de tre laboratorierna för National Nuclear Security Administration.

"I dag, vi har en möjlighet att skapa en integrerad insats bland de nationella laboratorierna, "sa Heroux." Vi har nu dagliga forum på projektnivå, och de människor jag arbetar närmast med är människor från de andra laboratorierna. Eftersom Exascale Computing Project är integrerat, vi måste leverera programvara till applikationerna och hårdvaran på alla laboratorier. Energidepartementets försök till ett multilaboratorium, multi-universitetsprojekt ger en organisatorisk struktur för oss att arbeta tillsammans som en sammanhängande enhet så att programvara levereras för att passa de viktigaste applikationerna. "