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“SPARC64™ VIIIfx”:快速、可靠、低功耗CPU

SPARC64™ VIIIfx

K computer采用了富士通开发和设计的“SPARC64™VIIIfx”CPU。 该CPU的特征如下。

“SPARC64™VIIIfx CPU所采用的45纳米工艺技术具备诸多优点。 假设您使用1毫米宽的导线来构建复杂的电路,最终的成品很可能会有一个运动场那么大。 但是,如果您使同一电路的导线尺寸尽可能地降低至一张邮票的尺寸,随着整合水平的提升,电路所需的导线长度也会变短,而作为执行计算基本单位的内核数量则会增多,如此就会带来整体性能的提升。 同时,这种小型化还可以减少部件的数量,故障率也会降低。 此外,更小物理电路尺寸可以更有效地降低功耗。

下文将介绍SPARC64™VIIIfx实现“高性能”、“高可靠性”和“低功耗”的方法。

[专栏]

“45纳米”有多大?

“SPARC64™VIIIfx”内部每个晶体管的(栅极长度)的尺寸为45纳米(45nm)。 那么,纳米究竟是什么概念呢? “纳”字在拉丁语中是指“矮”的意思,作为长度单位则表示“十亿分之一”。 一纳米就是一米的十亿分之一,即一毫米的百万分之一。 人类头发的平均直径约为一米的八千万分之一,通常写为80微米,那么45纳米就是人发平均厚度的1700分之一。

如何制造CPU?

如何才能创造计算能力如此之高的CPU?
通过下述链接可了解使用硅锭创建CPU的步骤。

使用80,000个或更多高性能CPU实现万万亿次高速运算

K computer的心脏由80000个或更多“SPARC64™VIIIfx”CPU组成。 每个CPU配有8个内核,即“执行计算的最小单位”,可以进行128亿次运算。 此外80000个或更多CPU(640000个或者更多的内核)的组合可以实现每秒(在日语中被称为一个Kei)高达万万亿次的极高运算速度。

提高可靠性的方案

在为K computer配备80,000个或更多CPU的情况下,需要克服的最大挑战之一就是如何确保如此大规模的系统能保持最佳性能,这需要使所有的CPU都能在稳定状态下执行运算。
每个SPARC64™ VIIIfx CPU的电路都配备了“错误恢复功能”。 这是一种可以自动恢复的机制。 一旦在计算过程中出现错误,相关的指令会自动再次执行,这样错误就不会对系统操作造成影响。
此外,K computer的CPU还配备了高效的水冷系统,可以确保CPU始终在低温下进行操作,如此可降低故障率并提高部件的使用寿命。
上述方案有助于改善整个系统的可靠性。

世界顶级的单位性能/功耗比

关于K computer的另一个挑战在于如何降低系统的功率消耗。 在配备互联高性能CPU的普通大规模系统中,增加CPU的数量就意味着功率消耗量也会成比例增加。 要想降低整个系统的功耗就必须降低每个CPU的功耗。
在配备大量互联式高性能CPU的情况下,通常很难同时实现高性能与低功耗。 但是我们在K computer的开发过程中做到了这一点。

一般来说,在温度较低的情况下电路的功率消耗也会降低。 而K computer通过其高效的水冷系统在降低CPU温度和热值的同时也降低了相应的功耗。
此外,我们还采用了设计方案使未使用CPU的电路不会消耗不必要的功率。
基于上述创新,“SPARC64™ VIIIfx”的CPU实现了单芯片每秒每瓦22亿次计算(每瓦22亿次)的世界最高速度。

可以说,K computer是同时具有环保性和超高能量效率的大型机系统。

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