Sebagai pemimpin dalam inovasi teknologi dan keunggulan akademik, Kyoto University adalah rumah bagi Academic Center for Computing and Media (ACCMS), suatu hub dinamis untuk penelitian komputasi dan media mutakhir. Selama bertahun-tahun, ACCMS telah menjadi titik fokus untuk memajukan penelitian dan pengembangan ilmiah yang inovatif melalui sumber daya komputasinya yang canggih. Evolusi yang berkelanjutan ini mencerminkan komitmen untuk tetap berada di garis depan dalam kemajuan teknologi dengan tujuan mewujudkan inovasi dalam penelitian komputasi.
Namun, hadirnya tantangan tertentu menjadi semakin jelas di tengah kemajuan ini. Banyak kode simulasi rumit yang merupakan bagian integral dari proses penelitian menghadapi kendala terkait bandwidth memori dalam sumber daya Komputasi Performa Tinggi (HPC) yang ada. Dalam istilah yang lebih sederhana, kecepatan dari kode ini untuk membaca atau menulis memori menjadi faktor pembatas yang memengaruhi performa secara keseluruhan.
Keterbatasan bandwidth memori ini memunculkan tantangan yang berkelanjutan bagi peneliti komputasi. Untuk memaksimalkan performa kode tersebut, mereka mencari cara untuk mengoptimalkannya agar dapat bekerja dalam keterbatasan tersebut. Upaya optimasi ini dapat melibatkan penggunaan memori secara lebih efisien, menyesuaikan kode agar lebih sesuai dengan hierarki memori sistem HPC, atau bahkan mengembangkan algoritma dan teknik baru yang tidak terlalu bergantung pada bandwidth memori.
Pencarian optimasi berkelanjutan inilah yang menyebabkan Kyoto University berkolaborasi dengan Intel dalam memperbarui sistem superkomputasi mereka. Dibangun dengan CPU Intel® Xeon® Seri Max terbaru, sistem baru ini dirancang untuk memenuhi persyaratan pengguna akan bandwidth memori performa tinggi yang luar biasa, kapasitas memori yang ekspansif, dan performa paralel yang optimal dalam infrastruktur Komputasi Performa Tinggi (HPC) yang seimbang.
“Kami memerlukan CPU yang mudah digunakan untuk aplikasi dalam sistem Kyoto University, yaitu nilai B/F yang tinggi, CPU x86 dengan DDR5, dan sistem x86 memori besar. Berdasarkan penelitian kami, tidak ada CPU selain CPU Intel® Xeon® Seri Max yang memenuhi persyaratan kami.”—Keiichiro Fukazawa, Associate Professor, Computing Research Department, ACCMS, Kyoto University
Kebutuhan Sumber Daya Komputasi yang Ditingkatkan
Untuk penelitian ilmiah yang efektif, mempercepat produksi hasil adalah tujuan yang berkesinambungan. Selain persyaratan waktu kerja yang lebih cepat, peneliti bergulat dengan sejumlah tantangan utama. Tantangan tersebut meliputi spektrum yang luas, mulai dari kompleksitas pengelolaan dan analisis data hingga kebutuhan akan sumber daya komputasi yang mutakhir. Memahami dan mengatasi tantangan ini adalah hal yang sangat penting bagi peneliti guna mempercepat penemuan ilmiah dan mengakselerasi inovasi.
Kemajuan pesat dalam komputasi telah menyebabkan peningkatan permintaan terhadap perhitungan yang lebih cepat dan lebih besar. Bagi Kyoto University, kebutuhan akan sumber daya yang lebih canggih menjadi semakin jelas seiring meningkatnya kompleksitas dan tuntutan komputasi tersebut. Sumber daya canggih tersebut sangat penting untuk memberikan daya komputasi yang diperlukan guna menyediakan hasil dalam waktu yang lebih singkat dan mengakselerasi produktivitas penelitian. Namun, selain persyaratan waktu operasi yang lebih cepat, tantangan utama lainnya adalah kebutuhan bandwidth memori per node yang lebih tinggi seiring peningkatan beban kerja dan munculnya kebutuhan untuk menangani tugas pada skala yang lebih besar.
“Dalam upaya memajukan hasil penelitian, peneliti secara konsisten berusaha mewujudkan eksekusi program yang lebih cepat dan lebih luas,” jelas Keiichiro Fukazawa, Associate Professor, Computing Research Department, ACCMS, Kyoto University. “Persyaratan spesifik itu berkisar pada kebutuhan alokasi memori per node yang besar,” tambahnya.
Menemukan Solusi
Penekanan pada pemrosesan yang lebih cepat dan kapasitas memori yang lebih besar untuk mendapatkan hasil ilmiah dengan cepat mencerminkan dorongan berkelanjutan dalam komunitas penelitian. Hal ini penting untuk meningkatkan efisiensi dan kemampuan sistem komputasi guna mengatasi tantangan ilmiah yang semakin rumit dan intensif data. Hal inilah yang dicari Kyoto University ketika mereka memulai proses untuk memperbarui sistem HPC ACCMS.
Profesor Fukazawa menjelaskan, “Beberapa tahun sebelumnya, sistem HPC utama kami dikonfigurasi dengan prosesor Intel® Xeon Phi™ 7250. Sistem ini memiliki 16 GB MCDRAM, dan meskipun performa puncaknya adalah 3 TFlops, bandwidth dari sistem ini sekitar 400 GB/detik per unit, sehingga menghasilkan nilai B/F sebesar 0,1333. Nilai ini mewakili bandwidth yang lebih tinggi dibandingkan dengan memori DDR4 pada waktu itu. Namun, setelah lima tahun pengimplementasian sistem sebelumnya, kemajuan dalam teknologi komputer telah menyebabkan peningkatan tuntutan untuk komputasi yang lebih cepat dan lebih besar. Selain itu, pada prosesor Intel® Xeon Phi™, kami juga mengamati degradasi performa dengan aplikasi yang tidak divektorkan, yang tampaknya berasal dari masalah dengan inti CPU.”
Dalam konteks HPC dan superkomputasi, simulasi skala besar dan komputasi yang kompleks adalah hal yang lumrah, sehingga pengoptimalan performa sistem harus mempertimbangan daya komputasi dan efisiensi transfer data. Nilai Bytes/Flop (nilai B/F) memberikan wawasan tentang seberapa baik sistem memanfaatkan sumber daya komputasinya dengan menunjukkan jumlah pergerakan data yang diperlukan untuk setiap operasi floating-point. Mempertimbangkan hal ini, Profesor Fukazawa menekankan fakta bahwa kebutuhan mereka saat ini adalah meningkatkan sistem yang ada dengan CPU yang dilengkapi nilai B/F yang tinggi.
Jadi, dengan bimbingan Profesor Fukazawa, ACCMS melaksanakan tugas merancang sistem baru yang menggabungkan teknologi mutakhir untuk mengatasi kebutuhan penting akan performa bandwidth memori yang lebih tinggi dalam Komputasi Performa Tinggi (HPC). Prinsip desain inti sistem ini berkisar pada tiga sistem konfigurasi. “Kami memulai sistem tiga konfigurasi pada tiga generasi yang lalu, yang berfokus pada kecanggihan pemrosesan banyak-inti dengan bandwidth memori tinggi untuk kode kami, penggunaan tujuan umum, dan persyaratan memori yang besar”, kata Profesor Fukazawa.
Gambar 1. Sistem tiga konfigurasi ACCMS.
Beliau lebih lanjut menguraikan tujuan di balik strategi ini, “Dari tiga jenis sistem (Gambar 1)—Sistem A (Camphor 3), Sistem B (Laurel 3), dan Sistem C (Cinnamon 3)—Camphor 3 kebanyakan digunakan oleh sebagian besar pengguna. Pengguna tersebut terutama melaksanakan penelitian yang melibatkan penggunaan aplikasi yang dibuat khusus untuk komputasi ilmiah. Memang, banyak pengguna lebih suka menggunakan aplikasi yang dibuat selama periode ini dalam bentuk aslinya. Intinya, lebih dari 80 persen aplikasi yang berjalan di Camphor 3 mengharuskan nilai B/F yang tinggi. Oleh karena itu, diperlukan CPU yang dapat memenuhi tuntutan ini.”
Memaksimalkan Kecanggihan Prosesor Intel® Xeon® untuk Performa yang Optimal
Untuk mewujudkan desain baru, Profesor Fukazawa dan timnya meneliti teknologi terbaru dan menjalankan benchmark CPU Intel® Xeon® Seri Max terbaru. Hal ini sangat penting karena prosesor Intel® Xeon® memberikan nilai maksimal, terutama dalam performa CPU. CPU Intel® Xeon® Seri Max meningkatkan prosesor Intel® Xeon® yang Dapat Diskalakan dengan memori bandwidth tinggi (HBM) dan dirancang untuk memaksimalkan performa serta kecepatan penemuan dalam beban kerja intensif data, seperti pemodelan, artificial intelligence, deep learning, komputasi performa tinggi (HPC), dan analisis data.
CPU Intel® Xeon® Seri Max dioptimalkan untuk memanfaatkan berbagai ekosistem perangkat lunak yang mencakup kompiler, pustaka matematika, aplikasi sumber terbuka, dan banyak lagi. Keunggulan utama lainnya adalah CPU Intel® Xeon® Seri Max memberikan pengalaman yang lancar dan memungkinkan performa terbaik pada berbagai beban kerja. Terlepas dari keunggulan performa, sistem berbasis CPU Intel® Xeon® Seri Max dilengkapi dengan dukungan HBM untuk meningkatkan performa secara keseluruhan dan mengakselerasi proses penelitian. Hal ini berarti bahwa peneliti dapat berfokus pada penelitian mereka yang sebenarnya serta tidak perlu menghabiskan banyak waktu untuk pengodean dan optimasi.
Menjelaskan alasan pemilihan CPU Intel® Xeon® Seri Max, Profesor Fukazawa menyatakan, “Kami memerlukan CPU yang mudah digunakan untuk aplikasi dalam sistem Kyoto University, yaitu nilai B/F yang tinggi, CPU x86 dengan DDR5, dan sistem x86 memori besar. Berdasarkan penelitian kami, tidak ada CPU selain produk Intel yang memenuhi persyaratan kami.” Beliau menambahkan, “Ketika memperbarui sistem, penting untuk memilih konfigurasi dengan nilai B/F tertinggi. Pada titik itu, pilihan kami harus CPU yang dilengkapi memori HBM, dan pilihannya mau tidak mau mengerucut menjadi dua opsi: CPU Intel® Xeon® Seri Max dan CPU lainnya. Namun, ketika mempertimbangkan performa komputasi, kalaupun kami menggunakan CPU opsi lain, performa komputasinya hanya akan mencapai setengah dari CPU Intel® Xeon® Max, sehingga CPU Intel® Xeon® Max menjadi pilihan ideal untuk persyaratan kami.”
“Di sisi lain, meskipun Laurel 3 tidak memiliki kebutuhan tinggi akan nilai B/F seperti Camphor 3, masih ada rangkaian pemikiran yang menekankan perlunya bandwidth memori yang lebih luas. Oleh karena itu, kami mulai mempertimbangkan kemungkinan menggunakan DDR5. Namun, pada saat pertimbangan, ada beberapa opsi CPU yang secara resmi mendukung DDR5 dan dapat memenuhi performa yang diperlukan, sehingga kami membandingkan beberapa kandidat serta menemukan hasilnya. Pada akhirnya, kami memilih prosesor Intel® Xeon® yang Dapat Diskalakan Generasi ke-4, dengan mempertimbangkan waktu pengadaan dan faktor lainnya.” Profesor Fukazawa menambahkan.
Gambar 2. Perbandingan sistem Camphor SPR+HBM vs. KNL.
Menghadirkan Hasil yang Berdampak
Dengan penerapan sistem baru, Kyoto University telah mulai mendapatkan peningkatan performa yang signifikan. Menurut Profesor Fukazawa, “Berdasarkan perbandingan dengan sistem generasi sebelumnya, Camphor 3 sudah mencapai peningkatan kecepatan rata-rata 4,7 kali, 1 dan Laurel 3 mencapai peningkatan kecepatan rata-rata 3,7 kali.”1 (Gambar 2 dan 3)
Gambar 3. Perbandingan sistem Laurel SPR+DDR vs. Broadwell.
Menekankan peran utama CPU Intel® Xeon® Seri Max dalam mendorong keunggulan performa ini, Profesor Fukazawa mengatakan, “Di pusat, kami melaksanakan penelitian yang disebut penelitian bersama dukungan pengodean program. Penelitian ini mencakup penerimaan kode pengguna, mengoptimalkannya selama periode sekitar satu tahun, dan kemudian mengembalikannya ke pengguna. Dalam kasus prosesor Intel® Xeon Phi™, kami sering kali perlu mengoptimalkan aplikasi yang sesuai untuk menghadirkan performa. Namun, untuk CPU Intel® Xeon® Seri Max, kompiler dan Pustaka Kernel Matematika Intel digunakan sebagaimana adanya, performa dapat dengan mudah diekstraksi tanpa optimasi khusus.”
Untuk mendorong hal ini lebih jauh, Professor Fukazawa memberikan beberapa contoh bagaimana CPU Intel® Xeon® Seri Max memainkan peran penting dalam memajukan penelitian dan pengembangan, “Dalam salah satu proyek yang baru-baru ini saya laksanakan, saya mengerjakan aplikasi yang melibatkan pemecahan magnetosfer Jovian global dengan simulasi MHD 3D. Ini adalah aplikasi dengan nilai B/F yang tinggi, dan karena ukuran magnetosfer yang besar dengan jarak kisi yang kecil, diperlukan waktu lebih dari setahun untuk mengamati evolusi waktu. Namun, dengan CPU Intel® Xeon® Seri Max, saya dapat memperoleh hasil dengan kecepatan lebih dari dua kali lipat. Contoh lainnya adalah model sirkulasi umum (GCM) yang digunakan untuk mempelajari efek pemanasan global dengan menjalankan simulasi dengan berbagai parameter. GCM juga merupakan aplikasi B/F tinggi, yang memungkinkan peneliti untuk mendapatkan manfaat dari CPU Intel® Xeon® Seri Max. Aplikasi ini membantu dalam melakukan simulasi dengan beberapa parameter dan dapat mengidentifikasi parameter yang dapat mengurangi pemanasan global.”
Bersiap untuk Masa Depan
ACCMS Kyoto University berdiri sebagai suar keunggulan dan inovasi akademik yang berkomitmen untuk menempa jalur kepemimpinan Jepang dalam penelitian mutakhir. Dengan dedikasi yang teguh dalam mengejar pengetahuan dan terobosan, ACCMS siap untuk melanjutkan penelitian akademis yang berdampak di berbagai disiplin ilmu.
Sejalan dengan komitmen ini, Intel sebagai pemimpin teknologi global, diposisikan untuk memainkan peran penting. Dengan memperluas dukungan teknologi yang kuat terhadap ACCMS, Intel bertujuan untuk memperkuat dampak penelitian akademik, memfasilitasi eksplorasi penemuan baru dalam sains, teknologi, dan berbagai bidang. Upaya kolaboratif ini tidak hanya menandakan komitmen terhadap kemajuan pencapaian akademis di Kyoto University, tetapi juga dedikasi yang lebih luas untuk berkontribusi terhadap pengembangan secara menyeluruh dan kemajuan berbagai bidang di Jepang dan di negara lain. Melalui kolaborasi ini, Intel berkomitmen untuk menjadi katalis untuk kemajuan transformatif, mendorong inovasi, dan membentuk masa depan penelitian akademis di berbagai bidang.
Mengingat kembali kebutuhan untuk mendorong kolaborasi ini lebih jauh dan mencapai tonggak yang ditetapkan oleh Kyoto University, Katsumi Yazawa, Director of HPC Business Development, Industry Business Unit, Intel Japan, menegaskan, “Kami sepenuhnya memahami bahwa nilai B/F penting di pasar HPC. Namun, solusi yang menerapkan HBM dan mencapai bandwidth memori tinggi pasti akan mahal. Oleh karena itu, di Intel, kami memahami persyaratan itu dan mempertimbangkan berbagai teknologi memori baru. Dalam waktu dekat, kami berharap dapat meningkatkan nilai B/F dengan menawarkan MCR-DIMM yang memiliki form factor yang sama dengan DDR tetapi dapat mencapai bandwidth memori hampir dua kali lipat. Sebagai penasihat tepercaya untuk Kyoto University, Intel selalu ingin meningkatkan kolaborasi kami dan berharap dapat memberikan peta jalan untuk memenuhi persyaratan solusi HBM pada HPC/AI dalam hubungan jangka panjang kami.”