[논문 리뷰] NEMO5: Achieving High-end Internode Communication for Performance Projection Beyond Moore's Law

Robert Andrawis, José Bermeo외 13명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 15.

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design인용 수 3

한 줄 요약

NEMO5는 비정질 포논 산산이 부서지는 현상, 무작위 합금 불순물, 표면 거칠기와 같은 복잡한 물리 효과를 통합함으로써 나노스케일 트랜지스터의 정확한 시뮬레이션을 가능하게 하는 고성능 계산 프레임워크이다. 최대 178,176개의 CPU에서 지속 성능 857 TFLOPS를 달성하여 강력한 확장성과 모어의 법칙을 초월한 향후 트랜지스터 성능 예측에 대한 준비성을 입증한다.

ABSTRACT

Electronic performance predictions of modern nanotransistors require nonequilibrium Green's functions including incoherent scattering on phonons as well as inclusion of random alloy disorder and surface roughness effects. The solution of all these effects is numerically extremely expensive and has to be done on the world's largest supercomputers due to the large memory requirement and the high performance demands on the communication network between the compute nodes. In this work, it is shown that NEMO5 covers all required physical effects and their combination. Furthermore, it is also shown that NEMO5's implementation of the algorithm scales very well up to about 178176CPUs with a sustained performance of about 857 TFLOPS. Therefore, NEMO5 is ready to simulate future nanotransistors.

연구 동기 및 목표

• 모어의 법칙을 초월한 미래의 나노스케일 트랜지스터 성능 예측을 정확히 가능하게 하기 위해.
• 비정상 포논 산산이 부서지는 현상, 무작위 합금 불순물, 표면 거칠기와 같은 복잡한 양자 운반 효과를 모델링하기 위해.
• 대규모 슈퍼컴퓨터에서 높은 계산 성능과 강력한 확장성을 달성하기 위해.
• NEMO5가 전체 기능을 갖춘 나노트랜지스터 시뮬레이션의 극한의 메모리 및 통신 요구 조건을 처리할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 나노스케일 장치의 양자 운반을 모델링하기 위해 비평형 그린 함수(NEGF)를 사용한다.
• 전자-포논 상호작용을 통해 비정상적인 산산이 부서지는 효과를 통합하여 현실적인 운반체 운반을 모델링한다.
• 무작위 합금 불순물과 표면 거칠기를 확률적 및 원자 수준의 접근 방식을 사용하여 모델링한다.
• 분산 메모리 아키텍처에 최적화된 고도로 병렬화된 알고리즘을 활용한다. 이는 높은 내노드 통신 효율성을 제공한다.
• 최적화된 메시지 전달 인터페이스와 로드 밸런싱 전략을 사용하여 최대 178,176개의 CPU 코어에 걸쳐 확장한다.
• 높은 메모리 및 계산 요구 조건을 충족하기 위해 세계 최고 수준의 슈퍼컴퓨터를 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NEMO5는 포논 산산이 부서지는 현상, 불순물, 표면 거칠기와 같은 나노스케일 트랜지스터의 모든 핵심 물리 효과를 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 성능 및 통신 효율성 측면에서 NEMO5는 대규모 슈퍼컴퓨터 시스템에서 얼마나 잘 확장되는가?
• RQ3 현대 슈퍼컴퓨터에서 복잡한 나노트랜지스터를 시뮬레이션할 때 지속적인 성능 수준은 어느 정도 달성될 수 있는가?
• RQ4 NEMO5는 모어의 법칙을 초월한 미래의 트랜지스터 기술에 대한 신뢰할 수 있는 성능 예측을 지원할 수 있는가?
• RQ5 고성능 내노드 통신은 시뮬레이션 프레임워크의 전체 확장성 및 효율성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• NEMO5는 비평형 그린 함수, 비정상 포논 산산이 부서지는 현상, 무작위 합금 불순물, 표면 거칠기 등 모든 필수 물리 효과를 하나의 시뮬레이션 프레임워크에 성공적으로 통합하였다.
• NEMO5는 178,176개의 CPU 코어에서 지속 성능 857 TFLOPS를 달성하여 뛰어난 계산 효율성을 입증하였다.
• 178,176개의 CPU까지 강력한 확장성이 관찰되어 효과적인 로드 밸런싱과 낮은 통신 오버헤드를 보였다.
• 시뮬레이션 워크로드는 계산이 매우 집약적이며, 높은 메모리 및 통신 요구 조건으로 인해 세계 최대의 슈퍼컴퓨터가 필요로 한다.
• NEMO5는 미래 세대 나노트랜지스터의 정확한 성능 예측을 위해 필요한 극한의 계산 요구 조건을 처리할 수 있다.
• 결과적으로 NEMO5가 모어의 법칙의 한계를 초월한 미래 트랜지스터 설계 시뮬레이션을 위한 생산 준비가 되어 있음을 확인하였다.