L’importanza del calcolo ad alte prestazioni è in costante aumento e crescita. I report di settore mostrano che il traffico IP globale annuale raggiungerà presto diversi zettabyte (ZB): grandi quantità di nuovi dispositivi raccolgono e memorizzano dati e gli scienziati stanno esplorando nuovi approcci informatici per risolvere le sfide globali. La necessità di raccogliere ed elaborare in modo efficiente e tempestivo una grande quantità di dati ha dei costi molto elevati. Si entra quindi nell’ “Era dell’Exascale Computing”, dove l’approccio esistente alla progettazione dei sistemi HPC non è più sostenibile (i sistemi exascale vengono definiti come quelli in grado di eseguire 10¹⁸ calcoli al secondo).

L’efficienza energetica è uno degli aspetti principali per la sostenibilità dei futuri sistemi HPC exascale. L’importanza del calcolo ad alte prestazioni sostenibile è stata, infatti, riconosciuta dalla Commissione Europea che ha avviato iniziative specifiche e investito delle risorse molto consistenti volte all’implementazione di sistemi informatici exascale Europei e di tecnologie correlate.

In quest’ottica è stata creata “EuroHPC”, un’entità legale di indirizzo e finanziamento che consente di mettere in comune le risorse dei singoli Stati e dell’Unione europea (UE) nel calcolo ad alte prestazioni per acquisire, costruire e installare in Europa i supercomputer più potenti al mondo. Il progetto European Processor Initiative (EPI portato avanti da un consorzio di società Europee, attuato nell’ambito del programma Horizon 2020 della Commissione europea (FPA: 800928)) è uno dei capisaldi di questo piano strategico europeo, ed ha lo scopo di progettare e implementare una roadmap per una nuova famiglia di processori Europei a basso consumo per l’eexascale computing, i Big Data ad alte prestazioni e diverse applicazioni emergenti.

Scopo del progetto EPI è progettare e realizzare un processore ad alte prestazioni e basso consumo, implementando istruzioni vettoriali e acceleratori specifici, come gli acceleratori per AI, con accesso alla memoria ad alta larghezza di banda.

La progettazione sfrutterà risultati ottenuti attraverso un uso intensivo della simulazione, lo sviluppo di uno stack software completo e l’utilizzo dei semiconduttori più avanzati.

Infine obiettivo di EPI è sviluppare un know-how europeo sulla progettazione e realizzazione dei chip per il calcolo ad alte prestazioni, permettendo una indipendenza ed autonomia dell’Europa dalle compagnie hightech per lo più nord americane ed asiatiche.

I chip progettati da EPI saranno realizzati da SiPearl, una società scelta dal consorzio per la registrazione dei brevetti e la commercializzazione del chip.

La prima fase di EPI è iniziata a dicembre 2018 e tutte le attività principali del progetto sono attualmente ben avviate.

E4 è tra le ventisette aziende partner di EPI, provenienti da dieci paesi europei, e sin dall’inizio ha creduto fortemente e aderito a questo progetto tutto europeo.  EPI garantirà, infatti, che la competenza chiave della progettazione di chip di fascia alta rimanga in Europa, mettendo a disposizione della leadership scientifica, delle industrie, delle capacità ingegneristiche e del know-how europeo l’accesso alle tecnologie sviluppate.

La progettazione di una nuova famiglia di processori HPC non può essere sostenibile senza pensare a possibili mercati aggiuntivi che potrebbero supportare tali attività a lungo termine. Pertanto, EPI coprirà altre aree come il settore automobilistico, garantendo la validità economica complessiva dell’iniziativa.

EPI utilizzerà un approccio olistico per definire l’architettura del sistema e i suoi componenti e per sviluppare:

• architettura e componenti della piattaforma hardware

• software di sistema e runtime (OS, middleware, kit per sviluppatori, librerie, ecc.)

• applicazioni per utenti finali di vari domini, non limitate all’HPC tradizionale

Per raggiungere i suoi obiettivi EPI svilupperà:

• una nuova unità di elaborazione (system processing unit) a basso consumo ottimizzato per l’HPC exascale

• un acceleratore, per aumentare l’efficienza energetica nelle attività ad alta intensità di calcolo come HPC, intelligenza artificiale (AI), automotive e molti altri domini applicativi

• una piattaforma dimostrativa in ambito automobilistico, per testare la rilevanza dei componenti precedenti in questo settore industriale

Le attività di EPI sono organizzate in tre domini tecnologici di alto livello e due domini globali, per l’integrazione e il coordinamento dei precedenti. Questi cinque domini sono definiti “Stream”.

I tre domini tecnologici di alto livello sono:

Stream GPP (General Purpose Processor): lo Stream GPP si riferisce a una vasta gamma di tecnologie comuni in diversi domini applicativi. Esse comprendono una selezione di tecnologie di processo all’avanguardia:

• un parallelismo massiccio con multi-core
• una gerarchia di memoria con High Bandwidth Memories (HBM) integrate, utilizzando un interposer in silicio
• un’architettura a chiplet, con un collegamento ad alta velocità tra i die di silicio
• un approccio alla progettazione energetica con punto operativo a bassa tensione e gestione energetica dettagliata e di sicurezza integrata, per isolare le applicazioni e resistere al nuovo ambiente di minacce informatiche.

Lo stack software sarà progettato per integrare e sfruttare queste funzionalità, al fine di ottenere un’elevata efficienza energetica e massimizzare le prestazioni su un’ampia gamma di livelli dal firmware di basso livello, fino ai tempi di esecuzione del software di sistema e delle applicazioni.

Lo Stream GPP (General Purpose Processor) si concentra dunque sull’implementazione di una piattaforma di processori destinata al mercato HPC.

Stream Accelerator: lo Stream Accelerator svilupperà e dimostrerà IP di processori completamente europei basati sull’architettura del set di istruzioni RISC-V, fornendo tile di acceleratori ad alta efficienza energetica e ad alto throughput all’interno del chip GPP. L’utilizzo di RISC-V consente di sfruttare le risorse open source a livello di architettura hardware e software, oltre a garantire l’indipendenza da tecnologie informatiche brevettate non europee.

Stream Automotive: le attività di Automotive Stream riguardano le principali innovazioni nel settore automobilistico, come l’introduzione della guida autonoma (livelli 4/5) e l’infrastruttura delle auto connesse. All’interno di questo Stream, i processori HPC general-purpose e gli acceleratori HPC saranno integrati nelle soluzioni architetturali per una nuova piattaforma di elaborazione ad alte prestazioni (eHPC) incorporata per dimostrare che l’approccio è tecnologicamente, funzionalmente ed economicamente efficace.

I due domini globali sono:

Stream Global Technical: si rivolge all’architettura globale EPI, alla metodologia di co-design, allo studio delle architetture, al sistema e alla gestione HW / SW e alla simulazione e ai modeling tools per il benchmarking e la convalida.

Stream Coordination: come suggerisce il nome, è focalizzato sul coordinamento dell’intero progetto.

Tutte le attività all’interno di questi flussi sono profondamente interdipendenti tra loro e quindi l’interazione di tutte le attività è cruciale per il successo dell’iniziativa.

I sistemi di calcolo Exascale devono affrontare simultaneamente le sfide relative a prestazioni, costi di sistema ed efficienza energetica. Per fornire prestazioni, è necessaria una grande quantità di risorse, ma la scelta poco accorta di componenti, architettura o implementazione potrebbe portare a un sistema troppo costoso e /o troppo dispendioso dal punto di vista dei consumi energetici. Per trovare il giusto equilibrio, è necessaria l’ottimizzazione a livello di sistema globale.

Nel prossimo articolo dedicato a EPI, entreremo nel vivo delle questioni più tecniche, descrivendovi una piattaforma comune per la gestione dell’alimentazione e della sicurezza (CP), dell’architettura RISC-V e della roadmap del progetto fino al 2024 e oltre!