Un programme logiciel Sandia National Laboratories maintenant installé comme test supplémentaire pour le défi du superordinateur TOP500 largement observé est devenu de plus en plus important. Le nom complet du programme - Gradients conjugués haute performance, ou HPCG-ne vient pas trébucher sur la langue, mais le bruit court que ce programme d'analyse comparative relativement nouveau devient aussi précieux que son vénérable partenaire, le programme High Performance LINPACK, qui, selon certains, est devenu moins que satisfaisant pour mesurer bon nombre des défis informatiques actuels.

"Le programme LINPACK utilisé pour représenter un large éventail de calculs de base qui devaient être effectués, mais les choses ont changé, " a déclaré le chercheur de Sandia Mike Héroux, qui a créé et développé le programme HPCG. "Le programme LINPACK exécute des algorithmes riches en calculs sur des structures de données denses pour identifier la vitesse maximale théorique d'un superordinateur. Les applications d'aujourd'hui utilisent souvent des structures de données éparses, et les calculs sont plus maigres."

Le terme « clairsemé » signifie qu'une matrice considérée a pour la plupart des valeurs nulles. "Le monde est vraiment clairsemé dans les grandes tailles, " a déclaré Heroux. " Pensez à vos connexions sur les réseaux sociaux :il peut y avoir des millions de personnes représentées dans une matrice, mais votre rang, les gens qui vous influencent, sont peu nombreux. Donc, la matrice effective est creuse. Est-ce que d'autres personnes sur la planète vous influencent encore ? Oui, mais par l'intermédiaire de personnes proches de vous."

De la même manière, pour un problème scientifique dont la solution nécessite des milliards d'équations, la plupart des coefficients de la matrice sont nuls. Par exemple, lors de la mesure des différentiels de pression dans un maillage 3D, la pression sur chaque nœud dépend directement des pressions de ses voisins. La pression dans des endroits éloignés est représentée par les voisins proches du nœud. "Le coût de stockage de tous les termes de la matrice, comme le fait le programme LINPACK, devient prohibitif, et le coût de calcul encore plus, " dit Héroux. Un ordinateur peut être très rapide en calcul avec des matrices denses, et ainsi obtenir un score élevé au test LINPACK, mais en termes pratiques, le test HPCG est plus réaliste.

Afin de mieux refléter les éléments pratiques des programmes d'application de calcul intensif actuels, Heroux a développé la méthode itérative préconditionnée de HPCG pour résoudre des systèmes contenant des milliards d'équations linéaires et des milliards d'inconnues. "Itératif" signifie que le programme commence par une estimation initiale de la solution, puis calcule une séquence de réponses améliorées. Le préconditionnement utilise d'autres propriétés du problème pour converger rapidement vers une réponse suffisamment proche.

"Pour résoudre les problèmes dont nous avons besoin pour notre mission, qui peut aller d'une simulation d'armes complète à un parc éolien, nous devons décrire des phénomènes physiques avec une grande fidélité, comme le différentiel de pression d'une simulation d'écoulement de fluide, " dit Héroux. " Pour un maillage dans un domaine 3-D, vous devez connaître à chaque nœud de la grille les relations avec les valeurs de tous les autres nœuds. Un préconditionneur fait converger la méthode itérative plus rapidement, donc un préconditionneur multigrille est appliqué à la méthode à chaque itération."

Les fournisseurs de superordinateurs comme NVIDIA Corp., Fujitsu Ltd., IBM, Intel Corp. et des sociétés chinoises écrivent des versions du programme HPCG qui sont optimales pour leur plate-forme. Même s'il peut sembler étrange que les étudiants modifient un test à leur convenance, il est clairement souhaitable que des supercalculateurs de conceptions diverses personnalisent le test, tant que chaque concurrent touche à toutes les bases de calcul convenues.

"Nous avons des contrôles dans le code pour détecter les optimisations qui ne sont pas autorisées par la politique de référence publiée, " dit Héroux.

Sur la liste HPCG TOP500, le supercalculateur Trinity du Laboratoire national de Sandia et Los Alamos est passé au n° 3, et est le meilleur système du ministère de l'Énergie. Trinity est n°7 au classement général LINPACK. HPCG reflète mieux les choix de conception de Trinity.

Héroux dit qu'il a écrit le code HPCG de base il y a 15 ans, à l'origine comme code d'enseignement pour les étudiants et collègues qui voulaient apprendre l'anatomie d'une application qui utilise des solveurs clairsemés évolutifs. Jack Dongarra et Piotr Luszczek de l'Université du Tennessee ont été des collaborateurs essentiels du projet HPCG. En particulier, Dongarra, dont la visibilité dans la communauté du calcul haute performance est inégalée, a été un ardent promoteur de HPCG.

« Ses contributions promotionnelles sont essentielles, " a déclaré Heroux. "Les gens respectent les connaissances de Jack et cela a énormément aidé à faire passer le mot. Mais si le programme n'était pas solide, la promotion à elle seule ne suffirait pas."

Héroux a investi son temps dans le développement de HPCG parce qu'il avait un fort désir de mieux assurer la sécurité et l'efficacité du stock américain. La communauté du calcul intensif avait besoin d'une nouvelle référence qui reflète mieux les besoins de la communauté informatique scientifique de la sécurité nationale.

"J'ai travaillé chez Cray Inc. pendant 10 ans avant de rejoindre Sandia en 98, " il dit, « Quand j'ai vu le travail algorithmique, je me suis soucié de déménager dans les laboratoires de l'Initiative d'informatique stratégique accélérée (ASCI). Lorsque les États-Unis ont décidé d'observer le Traité d'interdiction complète des essais nucléaires, nous avions besoin d'une informatique de pointe pour mieux garantir la sûreté et l'efficacité du parc nucléaire. Je pensais que c'était une chose noble, que je serais heureux d'en faire partie, et que mon expertise pourrait être appliquée pour développer des capacités de simulation de nouvelle génération. ASCI était le grand nouveau projet de la fin des années 90 si je voulais faire quelque chose de significatif dans mon domaine de recherche et développement."

Heroux est maintenant directeur de la technologie logicielle pour le projet d'informatique exascale du ministère de l'Énergie. Là, il travaille à harmoniser le travail informatique des laboratoires nationaux du DOE—Oak Ridge, Argonne, Laurent Berkeley, Nord-ouest pacifique, Brookhaven et Fermi, ainsi que les trois laboratoires de la National Nuclear Security Administration.

"Aujourd'hui, nous avons la possibilité de créer un effort intégré entre les laboratoires nationaux, " a déclaré Héroux. " Nous avons maintenant des forums quotidiens au niveau du projet, et les personnes avec qui je travaille le plus étroitement sont celles des autres laboratoires. Parce que le projet Exascale Computing est intégré, nous devons fournir des logiciels aux applications et au matériel dans tous les laboratoires. La tentative du ministère de l'Énergie de créer un laboratoire multiple, Le projet multi-universitaire nous donne une structure organisationnelle pour travailler ensemble en tant qu'unité cohésive afin que le logiciel soit livré pour s'adapter aux applications clés."