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一、Intel第三代至强可扩展处理器(Icelake)性能大升级
Intel于今年发布了第三代至强可扩展处理器系列产品#xff08;代号Ice Lake#xff09;#xff0c;与上一代至强可扩展处理器系列产品#xff08;代号Cascade Lake#xff09;相比#xff0c;第三代…浪潮HPC实验室
一、Intel第三代至强可扩展处理器(Icelake)性能大升级
Intel于今年发布了第三代至强可扩展处理器系列产品代号Ice Lake与上一代至强可扩展处理器系列产品代号Cascade Lake相比第三代至强可扩展处理器的改变是从里到外的其主要升级点包括
1 制造工艺从14nm升级到了10nm理论晶体管密度提升了2.7倍 2 微架构升级IPC大幅提升20% 3 最高核心数从之前的28核提升到了40核AVX2/AVX512指令集持续优化L3缓存也从每核1.375MB增加到了1.5MB 4 IO性能获得大幅提升内存从6通道升级到了8通道改善内存访问延迟。PCIE协议也从之前的PCIe 3.0升级到了PCIe 4.0。此外UPI总线带宽也有小幅的提升。
这些硬件性能的提升是否也会对应用的性能起到正面的促进作用呢特别是针对气象气候这类需要大量的CPU核做大规模并行计算才能完成任务的应用。我们知道一般气象气候类应用的BF Ratio都比较高即气象气候类应用的性能非常依赖于内存带宽以及浮点计算能力。因此对于气象气候领域的应用而言第三代至强可扩展处理器这些升级无疑是让人充满惊喜和期待的尤其是其AVX指令集的优化带来的浮点计算速度的提升和内存通道的增加带来的内存带宽的释放。那么第三代至强可扩展处理器对于气象气候应用的性能提升相对于Intel 之前的处理器到底怎么样呢在此我们选取气象气候领域常用的几个天气预报和气候预报模式包括WRF中尺度天气预报模式、MPAS-A跨尺度大气模式、CESM地球系统模式进行了评测分析。
在下面的测试对比中我们针对不同的应用在浪潮的HPC实验室里面构建了测试环境计算节点分别使用了第二代至强可扩展处理器系列中的6230、6248、以及6258R等三款处理器第三代至强可扩展处理器系列中的8358处理器来做对比分析。
二、中尺度预报模式WRF性能对比
WRF简介 中尺度预报模式 WRFWeather Research and Forecasting model是由美国大气研究中心NCAR、美国大气海洋局NOAA和美国空间气象局AFWA等共同开发的。 WRF 模式可用于数值天气预报的研究与业务化、物理参数化方案研究、数据同化、驱动空气质量模式、中小尺度气候模拟以及海洋大气模式的耦合等。
WRF测试算例 表1给出了 WRF 算例的网格范围和计算规模。模拟区域为两层嵌套空间分辨率分别为 12km 和 4km水平方向格点数分别为 425300 和 1150802时间步长为 30s 和 10s垂直方向均为 35 层。预报时间为 3h。模式每 3h 输出一次数据。
WRF性能测试结果
我们分别在6230处理器平台和8358处理器平台上测试了WRF使用224核运行时的性能。WRF算例在6230处理器平台的运行时间为695 s在8358处理器平台的运行时间为489 s与6230处理器平台相比WRF在8358处理器平台性能提升42%图1。这主要是因为WRF为计算密集型和内存带宽限制型应用得益于第三代至强可扩展处理器架构的八内存通道设计使内存带宽得以释放。此外浮点计算速度的增加以及低延迟的内存访问使得在8358处理器平台上运行 WRF性能会有很大的提升。 图1 6230处理器平台和8358处理器平台WRF性能对比
三、跨尺度预报模式MPAS-A性能对比
MPAS-A简介 MPASA Model for Prediction Across ScalesAtmosphere模式是由美国国家大气研究中心NCAR主导研发的全球非静力平衡的跨尺度预测模式。该模式采用非结构质心 Voronoi 多边形网格和 ArakawaC 离散化方案。非结构化网格避免了结构经纬度网格中两极的奇异点和极区网格过密的问题。另外 MPASA 可由低分辨率区域较为平滑地过渡到高分辨率区域使得模拟关键区域有较高分辨率同时还避免了边界处物理量的突变。
MPAS-A测试算例 在我们的测试中MPAS-A算例使用的是全球60 km分辨率网格图2积分步长为360 s预报时间为2 h。 图2 MPAS-A非结构网格
MPAS-A性能测试结果
我们分别在6230处理器平台和8358处理器平台上测试了MPAS-A使用320核运行时的性能。MPAS-A算例在6230处理器平台运行时间为26.5 s在8358处理器平台运行时间为15.5 s与6230处理器平台相比MPAS-A在8358处理器平台上的性能提升了71%图3。MPAS-A与WRF相似也是内存带宽限制型应用。因此8358处理器内存通道的增加也有助于提升MPAS-A的性能。
图4为MPAS-A算例在6230处理器平台和8358处理器平台运行时单计算节点内的实时浮点计算速度和内存带宽对比。从图中可以看出与在6230处理器平台相比MPAS-A在8358处理器平台上的浮点计算速度和内存带宽都大幅提升从而使得在8358处理器平台上的MPAS-A性能大幅提升。另外从BF Ratio来看在6230处理器平台MPAS-A的BF Ratio值约为2.55而在8358处理器平台MPAS-A的BF Ratio值约为2.40。这与6230处理器平台相比BF Ratio值略有下降其中的原因主要是与8358处理器平台每核心L3缓存增加从而降低了LLC miss率有关。 图3 6230处理器平台和8358处理器平台MPAS-A性能对比
图4 MPAS-A算例在6230处理器平台和8358处理器平台运行时单计算节点内的实时浮点计算速度和内存带宽对比
四、地球气候系统模式CESM性能对比
CESM简介 CESM由美国国家科学基金会和美国能源部支持开发由国家大气研究中心的气候和全球动力实验室维护的一个气候系统模式。CESM由模拟地球大气海洋陆地陆冰、海冰、径流和波浪7种子模块组成中间通过一个耦合器连接用来模拟地球的过去现在和未来的气候状态。
CESM测试算例 在本次测试中CESM所使用的算例为全耦合模式网格是f19_g16预报时间为1年。 CESM性能测试结果 我们选取第三代至强可扩展处理器8358并在由其构建的HPC集群上对CESM进行了测试和优化。与第二代至强可扩展处理器系列相比CESM在8358处理器平台上有了较大的性能提升。单节点性能提升分别为94.1%6230处理器、82.7%6248处理器和64.5%6258R处理器。这主要是因为CESM的BF Ratio接近1内存带宽不受限制且应用主要受限于IO和通信的影响故性能提升不能达到理想的线性提升会有一定的降低但也可以达到82.7%(6248处理器)和94.1%6230处理器。 图5 不同处理器平台下的CESM性能对比
五、测评总结
结合Intel 今年新发布的第三代至强可扩展处理器(Icelake)的内存通道增加以及AVX2/AVX512指令集的进一步优化等种种令人惊喜的升级和气象气候领域应用高BF Ratio的特点我们在第三代至强可扩展处理器8358构建的HPC集群上对几种常用气象气候应用包括WRF、MPAS-A、以及CESM进行了测试分析并与Intel之前的第二代至强可扩展处理器进行了对比。从性能来看使用相同核数时与在Cascadelake 6230处理器平台相比在Icelake 8358处理器平台WRF性能提升42%MPAS-A性能提升71%。这主要是因为WRF为计算密集型和内存带宽限制型应用、MPAS-A为内存带宽限制型应用。正是得益于Icelake的八内存通道设计使得内存带宽得以释放此外浮点计算速度的提升以及低延迟的内存访问促使在8358处理器平台上WRF和MPAS-A的性能都获得了大幅提升。而对于气候模式CESM内存带宽不受限制但同样得益于Icelake的内存带宽和浮点计算速度的大幅提升性能更是分别提升了82.7%(6248处理器)和94.1%6230处理器。
