魔方(曙光5000A)超级计算机的测试与分析
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ＳＰ－Ｍ Ｚ随着问题规模的增加（如从 Ｃ ＬＡ ＳＳ Ａ 到 Ｃ ＬＡ ＳＳ Ｅ ），整个计算域被划分成多个相等大小的子 域，这样ＳＰ－Ｍ Ｚ就易于达到负载均衡。相比之下， Ｂ Ｔ－Ｍ Ｚ由于问题的特性产生的ｚｏｎｅ的大小变化很大， 使其更接近于真实的应用场景。而Ｂ Ｔ－Ｍ Ｚ每个ｚｏｎｅ的 大小不相同，ｚｏｎｅ的大小变化跨度大，最大的ｚｏｎｅ和 最小的ｚｏｎｅ大小比接近２０，这就使得Ｂ Ｔ－Ｍ Ｚ相比ＳＰ－ Ｍ Ｚ更难以达到负载均衡。
４． Ｂ ｅｎｃｈｍ ａｒｋ结果及分析
４．１ Ｓ ｔｒｅａｍ 测试结果及分析 在“魔方”刀片上使用１６线程，测试规模
Ｎ ＝２２７，Ｓｔｒｅａｍ 使用的内存为３Ｇ Ｂ ，使用 ｐｇｃｃ ７．０ 编 译器，编译选项为－ｆａｓｔ －ｍ ｐ －Ｏ ２ －ｔｐ ｂａｒｃｅｌｏｎａ－６４ － ｍ ｃｍ ｏｄｅｌ＝ｍ ｅｄｉｕｍ ，编译Ｓｔｒｅａｍ 得到的数据如表１。
１２ａ
Ｃ ＰＵ ０（０，１，２，３）， Ｃ ＰＵ １（０，１，２，３）， Ｃ ＰＵ ２（０，１，２，３）
１２ｂ
Ｃ ＰＵ ０（０，１，２）， Ｃ ＰＵ １（０，１，２）， Ｃ ＰＵ ２（０，１，２）， Ｃ ＰＵ ３（０，１，２）
１６
Ｃ ＰＵ ０（０，１，２，３）， Ｃ ＰＵ １（０，１，２，３）， Ｃ ＰＵ ２（０，１，２，３）， Ｃ ＰＵ ３（０，１，２，３）
Ｎ Ｐ Ｂ － Ｍ Ｚ 软 件 包 提 供 两 种 不 同 的 Ｈ ｙｂ ｒｉｄ 模 式 的并行实现，一种是Ｍ Ｐ Ｉ＋ Ｏ ｐｅｎＭ Ｐ 实现，一种是 ＳＭ Ｐ＋Ｏ ｐｅｎＭ Ｐ实现。Ｍ ＰＩ＋Ｏ ｐｅｎＭ Ｐ混合编程模式广泛 应用用科学计算应用中，且更适合“魔方”的系统 架构。在Ｍ ＰＩ＋Ｏ ｐｅｎＭ Ｐ实现中，节点间使用Ｍ ＰＩ进行 通信，单个节点内部使用Ｏ ｐｅｎＭ Ｐ实现并行。更多的 有关Ｎ ＰＢ －Ｍ Ｚ混合编程模式的实现可参考文献［６，７］。本 测试中选用Ｎ ＰＢ －Ｍ Ｚ问题规模是Ｃ ｌａｓｓ Ｄ 。Ｂ Ｔ－Ｍ Ｚ和 ＳＰ－Ｍ Ｚ的Ｚｏｎｅ数均为３２ ｘ ３２，（１０２４个Ｚｏｎｅ），总的 计算网格大小（Ｇ ｘ＊Ｇ ｙ＊Ｇ ｚ）为１６３２ ｘ １２１６ ｘ ３４（６７．５ Ｍ ｉｌｌｉｏｎ个网格点）。Ｃ ｌａｓｓ Ｄ Ｐｕｒｅ Ｍ ＰＩ运行所需内存 １２．８Ｇ Ｂ ，内存的最小要求限制了单节点上可运行的 总进程数。
的函数。其中４０９６核数的情况下，Ｂ ａｒｒｉｅｒ函数所花 时间有比较明显的增加，小于２０４８核情况，从１６到 ２０４８核，耗费的时间增加了不到六倍。整体来看性 能较为出色。
图１ ｓｔｒｅａｍ 测试结果 由测试结果（图１）可以看出，当采用８ｃ方案时 （即每个Ｃ ＰＵ 的两个核绑定２个线程的情况）此时访 存的带宽达到最大值，比１６线程的结果还要好。测 试结果说明，使用线程绑定技术能够提高应用程序 对内存的访问速度。
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《高性能计算发展与应用》 ２００９年第三期 总第二十八期
进行测试，ＩＭ Ｂ －Ｅ Ｘ Ｔ和ＩＭ Ｂ －ＩＯ 是针对Ｍ ＰＩ２的测试， 分别测试Ｍ ＰＩ２的单边通信和Ｉ／Ｏ 性能。
ＩＭ Ｂ 既可以对Ｍ ＰＩ在集群中运行的效率做全面的 测试，也可以针对特定Ｍ ＰＩ进行测试。通过设定运行 时参数，ＩＢ Ｍ 可以对纪录运行时间，消息长度，通信 子的选择等进行调节。除此之外，ＩＭ Ｂ 还有有面向点 对点通信以及集合通信的测试项目。本次进行ＩＭ Ｂ 测 试针对的是Ｍ Ｐ Ｉ的集合通信，测试包含两个部分： Ｂ ａｒｒｉｅｒ和Ｂ ｃａｓｔ，其中Ｂ ｃａｓｔ针对不同的消息长度进行 了测试。
Ｂ Ｔ － Ｍ Ｚ （ｕｎｅｖｅｎ－ ｓｉｚｅｄ ｚｏｎｅｓ）和ＳＰ － Ｍ Ｚ （ ｅｖｅｎ－ｓｉｚｅｄ ｚｏｎｅｓ）测试粗粒度（Ｍ ＰＩ）和细粒度（ Ｏ ｐｅｎＭ Ｐ）混合情况下的并行度及负载均衡性。ＬＵ － Ｍ Ｚ类似于ＳＰ－Ｍ Ｚ，每个ｚｏｎｅ的大小相等，但ｚｏｎｅ的数 目固定，最大只能扩展到１６个Ｍ ＰＩ进程（最大Ｃ ｏｒｅ数 为１６×１６＝２５６）。考虑系统的可扩展性，所以只用 ＳＰ－Ｍ Ｚ和Ｂ Ｔ－Ｍ Ｚ来进行测试。
３． Ｂ ｅｎｃｈｍ ａｒｋ程序集简介
３．１ 访存带宽测试Ｓ ｔｒｅａｍ Ｓｔｒｅａｍ ｂｅｎｃｈｍ ａｒｋ 用于单节点内测试内存访问的
持续带宽，它通过测试四种向量运算的性能来衡量 系统的性能，这四种运算是：（１）Ｃ Ｏ ＰＹ ： ａ（ｉ） ＝ ｂ（ｉ）；（２）ＳＣ Ａ ＬＥ ：ａ（ｉ） ＝ ｑ＊ｂ（ｉ）；（３）ＳＵ Ｍ ：ａ（ｉ） ＝ ｂ（ｉ） ＋ ｃ（ｉ）；（４）ＴＲ ＩＡ Ｄ ： ａ（ｉ） ＝ ｂ（ｉ） ＋ ｑ＊ｃ（ｉ）。Ｓｔｒｅａｍ 的 并行版本基于Ｏ ｐｅｎＭ Ｐ 实现，可用于测试多核的 ＳＭ Ｐ节点。Ｓｔｒｅａｍ 在设计上采用了远远大于Ｃ ａｃｈｅ容量 的大数据集，因此其测试结果更能反映大型向量计 算类应用的性能。
文中，以“魔方”作为测试平台，选取单点内 存带宽测试程序Ｓｔｒｅａｍ 进行单点性能测试，使用Ｉｎｔｅｌ Ｍ ＰＩ Ｂ ｅｎｃｈｍ ａｒｋ进行集群系统的组通信性能测试； 应用上，选取已被广泛用于评价高性能计算机系统 的Ｎ Ａ Ｓ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｂ ｅｎｃｈｍ ａｒｋ及Ｎ Ａ Ｓ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｂ ｅｎｃｈｍ ａｒｋ Ｍ ｕｌｔｉ－Ｚｏｎｅ作为测试算例，研究在Ｈ ＰＰ架构下消息传 递编程模型、共享内存编程模型及混合编程模型下 应用的性能。
３．３ 计算流体力学应用Ｎ Ｐ Ｂ Ｎ ＰＢ （Ｎ Ａ Ｓ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｂ ｅｎｃｈｍ ａｒｋ）［５］所包含的８个程序
来自计算流体动力学应用领域，它们可以很好的表 现出一般应用程序的实际性能，已经被普遍接受为 高性能计算机的性能测试标准。
Ｎ ＰＢ 程序包有５个核心程序，它们是应用较频繁 的一些算法，其主要测试特点为： ＩＳ（Ｉｎｔｅｇｅｒ Ｓｏｒｔ， 整数排序），主要测试整数运算性能和集合通信 性能，对通信延迟很敏感；Ｅ Ｐ （Ｅ ｍ ｂａｒｒａｓｓｉｎｇｌｙ Ｐ ａｒａｌｌｅｌ，无通信并行），主要测试数序函数的浮点 运算性能；Ｍ Ｇ （３－Ｄ Ｍ ｕｌｔｉｇｒｉｄ，三维多重网格）， 采用多重网格算法求解三维Ｐ ｏｉｓｓｏｎ方程，主要测试 规则的非连续存储访问集合通信和点到点通信； Ｃ Ｇ （Ｃ ｏｎｊｕｇａｔｅ Ｇ ｒａｄｉｅｎｔ，共轭梯度法），主要测试不 规则的集合通信和点到点通信；Ｆ Ｔ （Ｆ ａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ，快速傅立叶变换），用ＦＦＴ求解三维偏微 分方程，主要测试集合通信。
面对如此庞大的高性能的计算系统，如何让它 的计算能力发挥到最大，更有效的进行利用，尤其 是如何利用其为大规模科学及工程计算模拟服务， 已经成为研究的热点。为了能有效利用高性能计算 资源并提高科学和工程应用的性能，本文从两个角 度对“魔方”的使用进行了考查，一方面是系统本 身可提供的性能，包括单点性能及集群系统性能； 另一方面则是典型应用大规模运行时的可扩展性及 加速性能。
测试中Ｂ Ｔ和ＳＰ要求处理器网格为方形，ＬＵ 和 Ｍ Ｇ 要求处理器数目为２的幂次。 ３．４ 混合编程应用Ｎ Ｐ Ｂ －Ｍ Ｚ
Ｎ ＰＢ －Ｍ Ｚ（Ｎ Ａ Ｓ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｂ ｅｎｃｈｍ ａｒｋ Ｍ ｕｌｔｉ－Ｚｏｎｅ Ｖ ｅｒｓｉｏｎ）是Ｎ ＰＢ ３．１版本以上的混合并行编程版本。 Ｎ ＰＢ －Ｍ Ｚ程序包含３个应用的Ｂ ｅｎｃｈｍ ａｒｋ：Ｂ Ｔ－Ｍ Ｚ， ＳＰ－Ｍ Ｚ，ＬＵ －Ｍ Ｚ。
本文分四部分，第二部分介绍“魔方”集
群系统，第三部分介绍所使用的测试程序及应用 Ｂ ｅｎｃｈｍ ａｒｋ，第四部分为测试结果及分析，最后一部 分为全文结论及未来要开展的工作。
２． “魔方”系统简介
测试平台为安装于上海超级计算中心的“魔 方”，系统为Ｈ ＰＰ体系结构，共１９２０个１６计算核心的 刀片节点，每个节点通过Ｉｎｆｉｎｉｂａｎｄ高速网络互联。 每个节点由４路Ｑ ｕａｄ－ｃｏｒｅ Ａ Ｍ Ｄ Ｏ ｐｔｅｒｏｎ ８３４７＠ １．９Ｇ Ｈ ｚ 构 成 ， ６ ４ Ｇ Ｂ 内 存 ， 理 论 计 算 峰 值 达 到 １ ２ ８ Ｇ ｆｌｏｐ ／ ｎｏｄｅ。“魔方”的计算节点分布在３８个ｒａｃｋ中，每个 ｒａｃｋ包含有５箱刀片（每箱１０个刀片），每箱刀片内 置有Ｉｎｆｉｎｉｂａｎｄ交换模块和千兆以太网交换模块。
ห้องสมุดไป่ตู้
Ｍ ａｘ ｔｉｍ ｅ ０．１３１６ ０．１３１９ ０．２０３１ ０．２０３７
魔方（曙光５０００Ａ ）专辑
表２ Ｓ ｔｒｅａｍ 测试线程绑定方案
ＩＤ
绑定方案
８ａ
Ｃ ＰＵ ０（０，１，２，３）， Ｃ ＰＵ １（０，１，２，３）
８ｂ
Ｃ ＰＵ ０（０，１，２，３）， Ｃ ＰＵ ３（０，１，２，３）
８ｃ
Ｃ ＰＵ ０（０，１）， Ｃ ＰＵ １（０，１）， Ｃ ＰＵ ２（０，１）， Ｃ ＰＵ ３（０，１）
Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｃ ｏｐｙ： Ｓｃａｌｅ： Ａ ｄｄ： Ｔｒｉａｄ：
表１ “魔方”Ｓ ｔｒｅａｍ 测试
Ｒ ａｔｅ （Ｍ Ｂ ／ｓ）
Ａ ｖｇ ｔｉｍ ｅ
１６３４３．８５９９
０．１３１５
１６２９８．０８０３
０．１３１９
１５８８４．５３６３
０．２０３
１５８３３．８６４３
０．２０３６
Ｍ ｉｎ ｔｉｍ ｅ ０．１３１４ ０．１３１８ ０．２０２８ ０．２０３４
注：Ｃ ＰＵ ０（０，１，２，３）， Ｃ ＰＵ １（０，１，２，３）表示８个线程分别依次绑定到Ｃ ＰＵ ０和Ｃ ＰＵ １的所有核。
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由于Ｏ ｐｅｎＭ Ｐ线程在核间的迁移可能会导致应用 性能的下降，所以，同时测试了将线程绑定到核上 的情况，如表２所示，分别使用８、１２和１６个线程测 试Ｓｔｒｅａｍ ，同时设置不同的绑定方案，绑定方案见表 ２。
另外３个是计算流体力学常用的基本程序，其主 要测试特点为：ＬＵ （Ｌｏｗ ｅｒ－Ｕ ｐｐｅｒ Ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ，对称超 松弛求解块稀疏方程组），主要测试细粒度的非连 续存储访问点到点阻塞通信；Ｂ Ｔ（Ｂ ｌｏｃｋ Ｔｒｉｄｉａｇｏｎａｌ， 解５ｘ５三对角块方程组），测试通信和计算的平 衡，以非连续存储访问点到点长消息通信为主；ＳＰ （Ｓｃａｌａｒ Ｐｅｎｔａｄｉａｇｏｎａｌ，解五对角线方程组），测试 通信和计算的平衡，以非连续存储访问点到点长消 息通信为主，与Ｂ Ｔ的通信模式相似，但通信强度比 Ｂ Ｔ高。
魔方（曙光５０００Ａ ）专辑
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魔方（曙光５０００Ａ ）超级计算机的测试与分析
徐莹 张丹丹 徐磊 张伟 姜恺 姚继锋
上海超级计算中心 上海 ２０１２０３ ｙｘｕ＠ ｓｓｃ．ｎｅｔ．ｃｎ
摘要： 本文对“魔方”（曙光５０００Ａ ）超级计算机系统从单点性能和应用在集群系统上的性能进行
３．２ 组通信测试ＩＭ Ｂ ＩＭ Ｂ （Ｉｎｔｅｌ Ｍ ＰＩ Ｂ ｅｎｃｈｍ ａｒｋ）［４］是Ｉｎｔｅｌ Ｃ ｌｕｓｔｅｒ
Ｔｏｏｌｋｉｔ的一个组成部分，是由Ｉｎｔｅｌ开发维护的用于测 试Ｍ Ｐ Ｉ函数在实际运行中的性能的软件包。它包含 三个组成部份：（１）ＩＭ Ｂ －Ｍ ＰＩ１；（２）ＩＭ Ｂ －Ｅ Ｘ Ｔ； （３）ＩＭ Ｂ －ＩＯ 。其中ＩＭ Ｂ －Ｍ ＰＩ１针对不同的Ｍ ＰＩ１函数
了测试与分析。测试结果为在“魔方”超级计算机进行科学及工程计算应用提供参考。
１． 引言
２００８年世界超级计算机ＴＯ Ｐ５００中，采用ＳＭ Ｐ的 集群系统所占比例约８２％ ，采用多核处理器的ＳＭ Ｐ集 群系统所占比例近８０％ ，使用多核处理器的ＳＭ Ｐ集 群系统已经成为一种趋势。排名第１０的曙光５０００Ａ ， 在上海超级计算中心安装之后，取名为“魔方”（ Ｍ ａｇｉｃ Ｃ ｕｂｅ），采用的是新型的“超并行”（Ｈ ｙｐｅｒ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，简称Ｈ ＰＰ）系统架构，具有全局 地址空间和三级并行（Ｃ Ｍ Ｐ－ＳＭ Ｐ－Ｄ ＳＭ ）的分布式 系统。这种体系结构结合了ＳＭ Ｐ和Ｍ ＰＰ的优点，同时 具备节点间分布式存储和节点内共享存储的层次结 构，支持节点间消息传递和节点间共享内存２级至多 级混合并行编程模型。目前，对于集群上不同并行 编程模型的研究［２，３］都基于某种类型的硬件系统，系 统的架构往往成为性能影响的最重要的因素。
４． Ｂ ｅｎｃｈｍ ａｒｋ结果及分析
４．１ Ｓ ｔｒｅａｍ 测试结果及分析 在“魔方”刀片上使用１６线程，测试规模
Ｎ ＝２２７，Ｓｔｒｅａｍ 使用的内存为３Ｇ Ｂ ，使用 ｐｇｃｃ ７．０ 编 译器，编译选项为－ｆａｓｔ －ｍ ｐ －Ｏ ２ －ｔｐ ｂａｒｃｅｌｏｎａ－６４ － ｍ ｃｍ ｏｄｅｌ＝ｍ ｅｄｉｕｍ ，编译Ｓｔｒｅａｍ 得到的数据如表１。
１２ａ
Ｃ ＰＵ ０（０，１，２，３）， Ｃ ＰＵ １（０，１，２，３）， Ｃ ＰＵ ２（０，１，２，３）
１２ｂ
Ｃ ＰＵ ０（０，１，２）， Ｃ ＰＵ １（０，１，２）， Ｃ ＰＵ ２（０，１，２）， Ｃ ＰＵ ３（０，１，２）
１６
Ｃ ＰＵ ０（０，１，２，３）， Ｃ ＰＵ １（０，１，２，３）， Ｃ ＰＵ ２（０，１，２，３）， Ｃ ＰＵ ３（０，１，２，３）
Ｎ Ｐ Ｂ － Ｍ Ｚ 软 件 包 提 供 两 种 不 同 的 Ｈ ｙｂ ｒｉｄ 模 式 的并行实现，一种是Ｍ Ｐ Ｉ＋ Ｏ ｐｅｎＭ Ｐ 实现，一种是 ＳＭ Ｐ＋Ｏ ｐｅｎＭ Ｐ实现。Ｍ ＰＩ＋Ｏ ｐｅｎＭ Ｐ混合编程模式广泛 应用用科学计算应用中，且更适合“魔方”的系统 架构。在Ｍ ＰＩ＋Ｏ ｐｅｎＭ Ｐ实现中，节点间使用Ｍ ＰＩ进行 通信，单个节点内部使用Ｏ ｐｅｎＭ Ｐ实现并行。更多的 有关Ｎ ＰＢ －Ｍ Ｚ混合编程模式的实现可参考文献［６，７］。本 测试中选用Ｎ ＰＢ －Ｍ Ｚ问题规模是Ｃ ｌａｓｓ Ｄ 。Ｂ Ｔ－Ｍ Ｚ和 ＳＰ－Ｍ Ｚ的Ｚｏｎｅ数均为３２ ｘ ３２，（１０２４个Ｚｏｎｅ），总的 计算网格大小（Ｇ ｘ＊Ｇ ｙ＊Ｇ ｚ）为１６３２ ｘ １２１６ ｘ ３４（６７．５ Ｍ ｉｌｌｉｏｎ个网格点）。Ｃ ｌａｓｓ Ｄ Ｐｕｒｅ Ｍ ＰＩ运行所需内存 １２．８Ｇ Ｂ ，内存的最小要求限制了单节点上可运行的 总进程数。
的函数。其中４０９６核数的情况下，Ｂ ａｒｒｉｅｒ函数所花 时间有比较明显的增加，小于２０４８核情况，从１６到 ２０４８核，耗费的时间增加了不到六倍。整体来看性 能较为出色。
图１ ｓｔｒｅａｍ 测试结果 由测试结果（图１）可以看出，当采用８ｃ方案时 （即每个Ｃ ＰＵ 的两个核绑定２个线程的情况）此时访 存的带宽达到最大值，比１６线程的结果还要好。测 试结果说明，使用线程绑定技术能够提高应用程序 对内存的访问速度。
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《高性能计算发展与应用》 ２００９年第三期 总第二十八期
进行测试，ＩＭ Ｂ －Ｅ Ｘ Ｔ和ＩＭ Ｂ －ＩＯ 是针对Ｍ ＰＩ２的测试， 分别测试Ｍ ＰＩ２的单边通信和Ｉ／Ｏ 性能。
ＩＭ Ｂ 既可以对Ｍ ＰＩ在集群中运行的效率做全面的 测试，也可以针对特定Ｍ ＰＩ进行测试。通过设定运行 时参数，ＩＢ Ｍ 可以对纪录运行时间，消息长度，通信 子的选择等进行调节。除此之外，ＩＭ Ｂ 还有有面向点 对点通信以及集合通信的测试项目。本次进行ＩＭ Ｂ 测 试针对的是Ｍ Ｐ Ｉ的集合通信，测试包含两个部分： Ｂ ａｒｒｉｅｒ和Ｂ ｃａｓｔ，其中Ｂ ｃａｓｔ针对不同的消息长度进行 了测试。
Ｂ Ｔ － Ｍ Ｚ （ｕｎｅｖｅｎ－ ｓｉｚｅｄ ｚｏｎｅｓ）和ＳＰ － Ｍ Ｚ （ ｅｖｅｎ－ｓｉｚｅｄ ｚｏｎｅｓ）测试粗粒度（Ｍ ＰＩ）和细粒度（ Ｏ ｐｅｎＭ Ｐ）混合情况下的并行度及负载均衡性。ＬＵ － Ｍ Ｚ类似于ＳＰ－Ｍ Ｚ，每个ｚｏｎｅ的大小相等，但ｚｏｎｅ的数 目固定，最大只能扩展到１６个Ｍ ＰＩ进程（最大Ｃ ｏｒｅ数 为１６×１６＝２５６）。考虑系统的可扩展性，所以只用 ＳＰ－Ｍ Ｚ和Ｂ Ｔ－Ｍ Ｚ来进行测试。
３． Ｂ ｅｎｃｈｍ ａｒｋ程序集简介
３．１ 访存带宽测试Ｓ ｔｒｅａｍ Ｓｔｒｅａｍ ｂｅｎｃｈｍ ａｒｋ 用于单节点内测试内存访问的
持续带宽，它通过测试四种向量运算的性能来衡量 系统的性能，这四种运算是：（１）Ｃ Ｏ ＰＹ ： ａ（ｉ） ＝ ｂ（ｉ）；（２）ＳＣ Ａ ＬＥ ：ａ（ｉ） ＝ ｑ＊ｂ（ｉ）；（３）ＳＵ Ｍ ：ａ（ｉ） ＝ ｂ（ｉ） ＋ ｃ（ｉ）；（４）ＴＲ ＩＡ Ｄ ： ａ（ｉ） ＝ ｂ（ｉ） ＋ ｑ＊ｃ（ｉ）。Ｓｔｒｅａｍ 的 并行版本基于Ｏ ｐｅｎＭ Ｐ 实现，可用于测试多核的 ＳＭ Ｐ节点。Ｓｔｒｅａｍ 在设计上采用了远远大于Ｃ ａｃｈｅ容量 的大数据集，因此其测试结果更能反映大型向量计 算类应用的性能。
文中，以“魔方”作为测试平台，选取单点内 存带宽测试程序Ｓｔｒｅａｍ 进行单点性能测试，使用Ｉｎｔｅｌ Ｍ ＰＩ Ｂ ｅｎｃｈｍ ａｒｋ进行集群系统的组通信性能测试； 应用上，选取已被广泛用于评价高性能计算机系统 的Ｎ Ａ Ｓ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｂ ｅｎｃｈｍ ａｒｋ及Ｎ Ａ Ｓ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｂ ｅｎｃｈｍ ａｒｋ Ｍ ｕｌｔｉ－Ｚｏｎｅ作为测试算例，研究在Ｈ ＰＰ架构下消息传 递编程模型、共享内存编程模型及混合编程模型下 应用的性能。
３．３ 计算流体力学应用Ｎ Ｐ Ｂ Ｎ ＰＢ （Ｎ Ａ Ｓ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｂ ｅｎｃｈｍ ａｒｋ）［５］所包含的８个程序
来自计算流体动力学应用领域，它们可以很好的表 现出一般应用程序的实际性能，已经被普遍接受为 高性能计算机的性能测试标准。
Ｎ ＰＢ 程序包有５个核心程序，它们是应用较频繁 的一些算法，其主要测试特点为： ＩＳ（Ｉｎｔｅｇｅｒ Ｓｏｒｔ， 整数排序），主要测试整数运算性能和集合通信 性能，对通信延迟很敏感；Ｅ Ｐ （Ｅ ｍ ｂａｒｒａｓｓｉｎｇｌｙ Ｐ ａｒａｌｌｅｌ，无通信并行），主要测试数序函数的浮点 运算性能；Ｍ Ｇ （３－Ｄ Ｍ ｕｌｔｉｇｒｉｄ，三维多重网格）， 采用多重网格算法求解三维Ｐ ｏｉｓｓｏｎ方程，主要测试 规则的非连续存储访问集合通信和点到点通信； Ｃ Ｇ （Ｃ ｏｎｊｕｇａｔｅ Ｇ ｒａｄｉｅｎｔ，共轭梯度法），主要测试不 规则的集合通信和点到点通信；Ｆ Ｔ （Ｆ ａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ，快速傅立叶变换），用ＦＦＴ求解三维偏微 分方程，主要测试集合通信。
面对如此庞大的高性能的计算系统，如何让它 的计算能力发挥到最大，更有效的进行利用，尤其 是如何利用其为大规模科学及工程计算模拟服务， 已经成为研究的热点。为了能有效利用高性能计算 资源并提高科学和工程应用的性能，本文从两个角 度对“魔方”的使用进行了考查，一方面是系统本 身可提供的性能，包括单点性能及集群系统性能； 另一方面则是典型应用大规模运行时的可扩展性及 加速性能。
测试中Ｂ Ｔ和ＳＰ要求处理器网格为方形，ＬＵ 和 Ｍ Ｇ 要求处理器数目为２的幂次。 ３．４ 混合编程应用Ｎ Ｐ Ｂ －Ｍ Ｚ
Ｎ ＰＢ －Ｍ Ｚ（Ｎ Ａ Ｓ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｂ ｅｎｃｈｍ ａｒｋ Ｍ ｕｌｔｉ－Ｚｏｎｅ Ｖ ｅｒｓｉｏｎ）是Ｎ ＰＢ ３．１版本以上的混合并行编程版本。 Ｎ ＰＢ －Ｍ Ｚ程序包含３个应用的Ｂ ｅｎｃｈｍ ａｒｋ：Ｂ Ｔ－Ｍ Ｚ， ＳＰ－Ｍ Ｚ，ＬＵ －Ｍ Ｚ。
本文分四部分，第二部分介绍“魔方”集
群系统，第三部分介绍所使用的测试程序及应用 Ｂ ｅｎｃｈｍ ａｒｋ，第四部分为测试结果及分析，最后一部 分为全文结论及未来要开展的工作。
２． “魔方”系统简介
测试平台为安装于上海超级计算中心的“魔 方”，系统为Ｈ ＰＰ体系结构，共１９２０个１６计算核心的 刀片节点，每个节点通过Ｉｎｆｉｎｉｂａｎｄ高速网络互联。 每个节点由４路Ｑ ｕａｄ－ｃｏｒｅ Ａ Ｍ Ｄ Ｏ ｐｔｅｒｏｎ ８３４７＠ １．９Ｇ Ｈ ｚ 构 成 ， ６ ４ Ｇ Ｂ 内 存 ， 理 论 计 算 峰 值 达 到 １ ２ ８ Ｇ ｆｌｏｐ ／ ｎｏｄｅ。“魔方”的计算节点分布在３８个ｒａｃｋ中，每个 ｒａｃｋ包含有５箱刀片（每箱１０个刀片），每箱刀片内 置有Ｉｎｆｉｎｉｂａｎｄ交换模块和千兆以太网交换模块。
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表２ Ｓ ｔｒｅａｍ 测试线程绑定方案
ＩＤ
绑定方案
８ａ
Ｃ ＰＵ ０（０，１，２，３）， Ｃ ＰＵ １（０，１，２，３）
８ｂ
Ｃ ＰＵ ０（０，１，２，３）， Ｃ ＰＵ ３（０，１，２，３）
８ｃ
Ｃ ＰＵ ０（０，１）， Ｃ ＰＵ １（０，１）， Ｃ ＰＵ ２（０，１）， Ｃ ＰＵ ３（０，１）
Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｃ ｏｐｙ： Ｓｃａｌｅ： Ａ ｄｄ： Ｔｒｉａｄ：
表１ “魔方”Ｓ ｔｒｅａｍ 测试
Ｒ ａｔｅ （Ｍ Ｂ ／ｓ）
Ａ ｖｇ ｔｉｍ ｅ
１６３４３．８５９９
０．１３１５
１６２９８．０８０３
０．１３１９
１５８８４．５３６３
０．２０３
１５８３３．８６４３
０．２０３６
Ｍ ｉｎ ｔｉｍ ｅ ０．１３１４ ０．１３１８ ０．２０２８ ０．２０３４
注：Ｃ ＰＵ ０（０，１，２，３）， Ｃ ＰＵ １（０，１，２，３）表示８个线程分别依次绑定到Ｃ ＰＵ ０和Ｃ ＰＵ １的所有核。
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由于Ｏ ｐｅｎＭ Ｐ线程在核间的迁移可能会导致应用 性能的下降，所以，同时测试了将线程绑定到核上 的情况，如表２所示，分别使用８、１２和１６个线程测 试Ｓｔｒｅａｍ ，同时设置不同的绑定方案，绑定方案见表 ２。
另外３个是计算流体力学常用的基本程序，其主 要测试特点为：ＬＵ （Ｌｏｗ ｅｒ－Ｕ ｐｐｅｒ Ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ，对称超 松弛求解块稀疏方程组），主要测试细粒度的非连 续存储访问点到点阻塞通信；Ｂ Ｔ（Ｂ ｌｏｃｋ Ｔｒｉｄｉａｇｏｎａｌ， 解５ｘ５三对角块方程组），测试通信和计算的平 衡，以非连续存储访问点到点长消息通信为主；ＳＰ （Ｓｃａｌａｒ Ｐｅｎｔａｄｉａｇｏｎａｌ，解五对角线方程组），测试 通信和计算的平衡，以非连续存储访问点到点长消 息通信为主，与Ｂ Ｔ的通信模式相似，但通信强度比 Ｂ Ｔ高。
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魔方（曙光５０００Ａ ）超级计算机的测试与分析
徐莹 张丹丹 徐磊 张伟 姜恺 姚继锋
上海超级计算中心 上海 ２０１２０３ ｙｘｕ＠ ｓｓｃ．ｎｅｔ．ｃｎ
摘要： 本文对“魔方”（曙光５０００Ａ ）超级计算机系统从单点性能和应用在集群系统上的性能进行
３．２ 组通信测试ＩＭ Ｂ ＩＭ Ｂ （Ｉｎｔｅｌ Ｍ ＰＩ Ｂ ｅｎｃｈｍ ａｒｋ）［４］是Ｉｎｔｅｌ Ｃ ｌｕｓｔｅｒ
Ｔｏｏｌｋｉｔ的一个组成部分，是由Ｉｎｔｅｌ开发维护的用于测 试Ｍ Ｐ Ｉ函数在实际运行中的性能的软件包。它包含 三个组成部份：（１）ＩＭ Ｂ －Ｍ ＰＩ１；（２）ＩＭ Ｂ －Ｅ Ｘ Ｔ； （３）ＩＭ Ｂ －ＩＯ 。其中ＩＭ Ｂ －Ｍ ＰＩ１针对不同的Ｍ ＰＩ１函数
了测试与分析。测试结果为在“魔方”超级计算机进行科学及工程计算应用提供参考。
１． 引言
２００８年世界超级计算机ＴＯ Ｐ５００中，采用ＳＭ Ｐ的 集群系统所占比例约８２％ ，采用多核处理器的ＳＭ Ｐ集 群系统所占比例近８０％ ，使用多核处理器的ＳＭ Ｐ集 群系统已经成为一种趋势。排名第１０的曙光５０００Ａ ， 在上海超级计算中心安装之后，取名为“魔方”（ Ｍ ａｇｉｃ Ｃ ｕｂｅ），采用的是新型的“超并行”（Ｈ ｙｐｅｒ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，简称Ｈ ＰＰ）系统架构，具有全局 地址空间和三级并行（Ｃ Ｍ Ｐ－ＳＭ Ｐ－Ｄ ＳＭ ）的分布式 系统。这种体系结构结合了ＳＭ Ｐ和Ｍ ＰＰ的优点，同时 具备节点间分布式存储和节点内共享存储的层次结 构，支持节点间消息传递和节点间共享内存２级至多 级混合并行编程模型。目前，对于集群上不同并行 编程模型的研究［２，３］都基于某种类型的硬件系统，系 统的架构往往成为性能影响的最重要的因素。