國網中心在科技部支持下,斥資4.3億元打造的新一代超級電腦,以臺灣特有物種「台灣杉」(TAIWANIA)命名,將在明日正式上線。可望紓解既有超級電腦「御風者」使用率滿載的情況,讓運算需求量被壓抑的情形得以放寬,並促進科研的進步。

這是國內第一套公用的Peta級超級電腦,由國網中心與中華電信、富士通合作打造,主要運算伺服器皆來自富士通,並由中華電信負責安裝與協助測試。據了解,主機方面建置投入經費3.6億元,並有7000萬元用於機電方面的改善,包括發電機、電力自動切換系統,以及冷卻系統碰到意外如何復原等,共4.3億元。

在整體建置過程上,台灣杉歷經一年半的規畫,以及半年的安裝,在去年11月建置完成,當時實測CPU計算效能可達1.325PFLOPS,在最新的全球超級電腦500強中,排行第95名,重新擠進全球超級電腦百大。之後,再經過半年的最後測試,現在已經準備好要加入服務行列。而目前Top 500榜上的Peta級超級電腦,已有181臺。

在今日啟用典禮現場,我們同時直擊到新一代超級電腦的廬山真面目。機房中,台灣杉由2排機櫃組成,兩排機櫃正面相對,中間採冷通道設計。在此當中,有9座機櫃配置了630個純CPU計算節點(含25200個2.4GHz的Intel Xeon Gold 6148處理器核心),3座機櫃配置64個CPU加GPU的加速器節點(含2,560個處理器核心及256個Nvidia P100 GPU),總記憶體容量達157TB。國網中心表示,若加上GPU計算能量,整體將超過1.7PFLOPS,因此它的計算能力將是「御風者」的10倍,同時,國網中心也建置了三套平行檔案系統,合計3.4PB,而最大頻寬可達到60GB/s。

Peta級的運算量之外,省電也是新超級電腦的一大重點,台灣杉的運算伺服器採用水冷技術,在國內很少見,不過當前全球超級電腦都已經是如此設計,對應高效運算主機將可大幅降低機房電費成本。據了解,台灣杉的計算能源效率為每瓦4 GFLOPS,比起舊御風者更省10倍,國網中心主任謝錫堃表也以汽車油耗來比喻,一公升汽油跑4公里跟一公升汽油跑40公里相比,節能效果明顯大幅提昇。在最新全球超級電腦綠能500強排行榜中,台灣杉名列第31,更是印證其出色的節能表現。

與舊超級電腦御風者相比,新超級電腦台灣杉一樣開放給產學各界使用,不論是學界、業界都可以到網站上申請。在費用上,國研院國網中心設施服務組副組長盧鴻復表示,每個CPU核心使用一個小時將收取0.7元,這是照成本計算的費率,而對於學界,政府也有特別照顧,像是申請科技部的專題計畫,將可以十分之一的成本來使用,也就是其他部分是由科技部來補助。

值得一提的是,新超級電腦的使用門檻將變低。原因在於,過去國網中心的超級電腦都是指令式操作,台灣杉則多加入了他們新開發的simPlatform圖形使用者介面,等於是讓用戶更容易上手。此外,國網中心在新推出iservice的用戶服務中,還提供了電子錢包、可以方便用戶支付高速計算主機的使用費,當中提供了母子錢包的機制,讓計畫主持人可以將經費分配到子錢包,控管計算機使用情形;而在會員網站上也支援多元的會員註冊,像是能以Google、Facebook等帳戶註冊,之後再透過手機簡訊認證。而且,國網中心所提供服務層級水準(SLA)是99.67%,換算成服務,一個月大約是2.5小時用於更新軟體或資源調度,另外在安全機制上,他們也提供了主機密碼加一次性密碼(OTP)認證的雙因子認證方式。

隨著新一代超級電腦上線後,原有的御風者超級電腦將關閉一半的運算伺服器,並預計在今年8月、9月時正式除役。事實上,御風者服役時間已長達近7年,從普遍超級電腦每五、六年,就更新汰換一次的頻率而言,運算能力早已不符現代需求。謝錫堃也指出,從2017年御風者的整體使用率來看,幾乎都是滿載的情況,而且有許多計算需求是被壓抑的情況,無法將解析度往上提升。顯然,政府挹注在超級電腦的資源有點跟不太上。

而隨著台灣杉上線服務之後,國網中心預測,在未來兩三年後又將接近滿載的情況,這將是國內政府需要積極面對的問題。

另一關注焦點是,科技部目前編列四年50億元的前瞻預算,其中包含了要打造高運算能力的AI主機。就在不久之前,此AI主機10億元的採購案已經決標,確定由Nvidia協助執行,並由廣達、臺灣固網與華碩雲端結盟的團隊負責安裝。據了解,AI主機將建置在與台灣杉同一機房當中,現場我們可以看到台灣杉超級電腦旁,還有20~30坪的可使用空間,而預計安裝完成時間就在今年底前。

其他方面,像是國內另一擁有Peta級超級電腦的中央氣象局,他們今年的運算量也從1.2PFLOPS提升至1.6PFLOPS,不過他們並未對外開放公用,僅提供氣象相關領域及單位,而他們也未投交Top 500計畫,因此不在榜上。另外,去年底鴻海也正式跨入超級電腦的領域,聯合旗下亞太電信及睿驊電算,啟用臺灣第一座民營超級電腦,當時建置了一個運算模組,提供500 TFLOPS的運算效能,預估可擴充到12個,讓總運算能力可達6 PFLOPS。

將能滿足更多精準醫學、尖端材料等領域的計算需求,促進科研成長

對於新超級電腦的到來,已有不少用戶深表期盼,其中又以應用最多的學界科研人員最有感。

例如,成大基因體醫學中心主任孫孝芳教授表示,對於現在所談的精準醫療,講求的就是時效性,若電腦計算所需時間太長,就沒有精準可言,而運算資源所能支援的程度,就是瓶頸。

她以自身在婦幼精準醫學的研究與服務為例,由於天天要處理許多醫療大數據,像是他們最近針對1,500個基因體定序的結果(資料量約佔500TB的儲存空間),要與另一筆不同面向的資料,執行整合性的分析應用時,就曾發生許多電腦當機的情況。而他們近期使用御風者超級電腦時,也對於運算速度不夠而感到沮喪,深刻體認到國內運算資源不足的困境。

而在新超級電腦的幫助下,她預期,能讓基因檢測的程序,從原本要花1週的時間,變成2天內可完成,病原鑑定也要從1週變成24小時內,而像是腫瘤診斷,更從2天變成不到5小時,就能處理完畢。

從事PM 2.5空污計算需求的中興大學環工系莊秉潔教授表示,未來在空氣品質模擬預報時,解析度可以從3公里,進一步提升到1公里,再加上相關AI工具的調校,可將相關係數從0.46提升到0.88,增加比對程度。

不僅如此,新超級電腦的高速運算能力,也將讓過去無法完成的研究計畫,趨於可行。中研院物理所所長李定國表示,像是他最近正與其他專家進行腦科學的研究,打算將腦裡面的神經元,以三維圖譜來繪製全腦神經網路,而這需要非常大的計算資源才有可能實現。

隨著硬體軟體發展都有很大的進展,現在他們也正在發展了全新的腦神經分割計畫。舉例來說,像是果蠅腦神經有13萬個神經元,現在透過自動化工具的計算可以1秒做完,但對於7千萬神經元的小老鼠腦,甚至是有860億神經元的人腦,如需花上2到3年才能完成,可能沒有研究助手願意協助,但如果能縮短10倍時間,等於只要2個月就能完成,研究實作的可能性就大大增加。

當然,不論是科研界及其他廣泛應用領域,都可望因新超級電腦而受惠,可運用在氣候變遷、量子化學、天文物理、算圖特效、尖端材料,以及產品開發等領域。

雖然大多的超級電腦重量級用戶,都是身處學界,但也有不少企業有高速運算的需求。國網中心副組長盧鴻復提到,像是橡膠業在設計輪胎時,就有材料模擬的需求,還有半導體業在設計晶片時,對於製程上的模擬,以及當企業自身資源無法處理臨時訂單的狀況,都同樣會有應用高效能運算需求。而隨著新用戶雲端平臺的改版,將更方便讓業界申請使用,為全國科學與工程研究,提供更迅速、更精準的計算幫助。

新造的超級電腦之所以命名為台灣杉,國網中心主任謝錫堃表示:「台灣杉是東亞最高的樹種,也是臺灣的原生植物,原住民稱之為撞到月亮的樹,具有水土保持的功能。而這臺超級電腦所要扮演的腳色,對於我們的生態是一樣的,提供科技研究的基盤,以促進台灣科研生研的蓬勃發展。」

「台灣杉」超級電腦由2排機櫃組成,佔用機房面積10坪,而「御風者」超級電腦由6排機櫃組成,佔地30坪。相較之下,新建超級電腦不僅空間利用更小,且整提運算量更是御風者的10倍。

這裡的計算節點採用水冷技術,在我們採訪的時候,我們拍到的PUE值是1.34,而近一個月的數據約是1.3左右,明顯比一般資料中心的1.7、1.8更低,相較之下,將可大幅降低機房電費成本。

 

在水冷技術上,主要是從機櫃上方的白色水管將冷水送到機櫃內的分配器,進而透過機櫃內標示藍色的水管送到主機,之後再從標示紅色的水管將暖水傳出,最後由機櫃上方黑色水管往外排。

從機房一側望去,可清楚看到「台灣杉」超級電腦的整排機櫃外觀,而圖中機背這一側的寬廣空地,將是未來AI主機的安裝所在。

每座機櫃裝滿的富士通運算伺服器,其中純CPU計算節點佔了9座機櫃,而CPU+GPU混合節點佔3座,總共694個計算節點。此外,在冷通道內的主要空調系統,是安裝於機櫃間的水平式空調系統(InRow)。

另外,還包含建置的三套平行檔案系統,共提供了3.4 PB的巨量儲存空間,實測最大頻寬可達到60GB/s。

國網中心新提供simPlatform圖形使用者介面,讓台灣杉用戶對於大型主機的使用,可以更易於上手,方便大型高速計算與工作流程的設計、串接、執行與管理。

全球超級電腦比一比

全球超級電腦運算效能越來越高,在2017年11月公布的全球超級電腦排行榜中,最低上榜門檻為548.7 TFLOPS。若與2011年11月相比,當時最低門檻為40.1TFLOPS,六年時間,提升幅度達13.7倍,而在AI運算火熱的需求之下,未來幾年超級電腦應該還會繼續成長。

目前,全球前十大超級電腦的運算量,更是已經在10 Peta以上,其中世界第一的超級電腦,是2016年6月入榜的中國「神威太湖之光」,實測效能高達93.0146 PFLOPS。
當然,超級電腦也是國家競爭力的展現,近年中國的強勢崛起,最是引人注目。在2017年以前,美國一直都是全球擁有最多超級電腦的國家,而在最新的排行顯示,中國首次超越成為第一,在前五百大超級電腦中佔據了202臺,勝於美國的143臺。顯然,超級電腦霸主已經易位。過去美國在2008年時,前五百大甚至佔據了291臺,而當時中國僅15臺。


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