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化工研究单位高性能计算应用Case Study

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台湾化学工程研究团队采用 NeoSapphire™ 全闪存存储阵列加速平行计算性能提高研究效率

 

「各研究室的 IT 设备预算都极为有限,使用全闪存存储阵列虽然单机成本较高,但确可省下庞大的 Compute Node 建置费用,且日后营运成本例如电费,也能够大幅降低。加上省下来的计算时间,可协助各研究室进行更多更精确的分析。我们所接触的学术单位无不希望提升目前资料分析的速度与品质,NeoSapphire™ P310 已经证明在此领域中大幅提升系统性能,整体机房建置预算也能获得极佳的控制。」

 

                                                                          —— 思玮科技销售经理  陈延儒

成果

• 在相同的结构模型下,比较使用传统硬盘存储阵列与 P310 全闪存阵列两者整体计算所需的时间,较前者快 5.4 倍
• 大幅降低整体系统布建成本与日后营运成本
• 解决存储设备的性能瓶颈,释放 Compute Node 原有的性能

挑战

研究团队钻研于各项化学材料的研究与反覆验证,常会应用各种化学计算软件论证研究的假设与确定性,其计算的结果可说明许多化学实验,亦可预测某些验证过程中产生的中间产物,了解物质的反应机制。也因此,研究团队需要大量使用量子化学与材料科学计算软件,然而随着实验的复杂度提升,以及不同研究员需要共用同一套 IT 设备,往往实验结果需要很长的时间才能被产出,而产出后若研究成果需要调整或验证,也需要时间再次计算。研究团队以增加 Compute Node (计算节点) 的方式增加系统的计算性能,但在增加至 15 个 Compute Node 之后,仍明显感受到性能的瓶颈。原本 1 个 Compute Node 所产生的随机读写 (Random read/write) 动作,在新增至 15 个 Compute Node 之后,随机读写的资料量随之大幅增加,而随机读写正是存储设备最难处理的工作,也会产生严重的计算瓶颈。

解决方案

捷鼎与思玮科技研究团队讨论后了解,实验室的 IT 设备并非是缺乏计算能力,而是在资料都计算处里完之后,性能卡在后端的存储设备上。实验室原本采用传统的硬盘存储设备,以 SAS HDD RAID 0 组态建立。实验室采用了 15 个 Compute Node 并以 NFS 协议与硬盘存储设备接轨,思玮与捷鼎建议,将后段的存储设备以 NeoSapphire™ P310 取代,并新增一个 10GbE 网路交换器以提高资料交换的频宽 (如图表 1)。P310 是全闪存存储阵列 (All-Flash Array),以固态硬盘 SSD 组成为存储单元,SSD 的特色就是存取速度较传统硬盘快,且 P310 搭载了捷鼎独家的 FlexiRemap® 软件技术,针对容易造成系统存储性能瓶颈的随机写入资料,更能完善处理加速运作。

导入效益

思玮科技与捷鼎以研究团队经常使用的 Gaussian 09 软件,在相同的结构模型之下,使用 Coupled Cluster 方法,比较使用传统硬盘存储阵列与 P310 全闪存存储阵列两者整体计算所需的时间,传统硬盘存储阵列需要 32 分 25 秒,而 P310 仅需要 5 分 47 秒,较前者快 5.4 倍。即使以其他方法计算,P310 仍大幅领先,原因即在于使用 P310 解决原有架构上的存储瓶颈,让 Compute Node 的 CPU 全力执行化学计算。捷鼎团队更以不同数量的 Compute Node 试算比较,在只有 1 个 Compute Node 时,传统硬盘存储阵列与 P310 表现不相上下,但在增加 Compute Node 以及其随之增加的资料量下,可显而易见的发现,P310 仍可在一定的时间内执行完所有计算,而传统硬盘存储阵列所需的时间却大幅增加 (图表 2)。显见,当丛集系统计算节点增加后,往往系统性能瓶颈会由计算能力转移到存储性能,又因多节点关系,资料散乱程度增加,一般传统硬盘存储阵列将成为性能瓶颈。

 

再者,以原有多个 Compute Node 的布局,资料写入散乱程度高,更容易拖慢写入时间与缩短系统使用寿命。思玮科技销售经理陈延儒说明:「其实各研究室的 IT 设备预算都极为有限,使用全闪存存储阵列虽然单机成本较高,但确可省下庞大的 Compute Node 建置费用,且日后营运成本例如电费,也能够大幅降低。加上省下来的计算时间,可协助各研究室进行更多更精确的分析。」




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