[論文レビュー] NEMO5: Achieving High-end Internode Communication for Performance Projection Beyond Moore's Law

Robert Andrawis, José Bermeo+13 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2015

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design被引用数 3

ひとこと要約

NEMO5 は、非協和フォノン散乱、ランダム合金の不規則性、表面粗さなどの複雑な物理効果を組み込むことで、ナノスケールトランジスタの正確なシミュレーションを可能にする高性能な計算フレームワークである。最大 178,176 コアで 857 TFLOPS の持続的性能を達成し、強力なスケーラビリティを示し、ムーアの法則を超えた将来のトランジスタ性能予測に適している。

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.

研究の動機と目的

• ムーアの法則を超えた将来のナノスケールトランジスタの正確な性能予測を可能にすること。
• 非協和フォノン散乱、ランダム合金の不規則性、表面粗さを含む複雑な量子輸送効果をモデル化すること。
• 大規模なスーパーコンピュータ上で高い計算性能と強力なスケーリングを達成すること。
• NEMO5 が、フル機能のナノトランジスタシミュレーションに伴う極めて高いメモリおよび通信要件を処理できることを示すこと。

提案手法

• ナノスケールデバイスにおける量子輸送をモデル化するために、非平衡グリーン関数（NEGF）を用いる。
• 電子-フォノン相互作用を介して非協和散乱効果を組み込み、現実的なキャリア輸送を再現する。
• 確率的および原子論的アプローチを用いてランダム合金の不規則性と表面粗さをモデル化する。
• 分散メモリアーキテクチャに最適化された、高効率なノード間通信を備えた並列アルゴリズムを採用する。
• 最適化されたメッセージパッシングインターフェースと負荷分散戦略を用いて、最大 178,176 コアにスケーリングする。
• 世界最高水準のスーパーコンピュータを活用し、シミュレーションワークロードの高いメモリおよび計算要件を満たす。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NEMO5 は、フォノン散乱、不規則性、表面粗さを含むナノスケールトランジスタにおけるすべての重要な物理効果を正確にシミュレートできるか？
• RQ2 NEMO5 は、性能および通信効率の観点から、大規模なスーパーコンピューティングシステム上でどれほどスケーリングできるか？
• RQ3 現代のスーパーコンピュータで、複雑なナノトランジスタをシミュレートする際に、どの程度の持続的性能が達成できるか？
• RQ4 NEMO5 は、ムーアの法則を超えた将来のトランジスタ技術の信頼性のある性能予測をサポートできるか？
• RQ5 ハイエンドのノード間通信は、シミュレーションフレームワーク全体のスケーラビリティおよび効率性にどのような影響を与えるか？

主な発見

• NEMO5 は、非平衡グリーン関数、非協和フォノン散乱、ランダム合金の不規則性、表面粗さを含む、すべての必要な物理効果を1つのシミュレーションフレームワークに統合した。
• フレームワークは、178,176 コアで 857 TFLOPS の持続的性能を達成し、優れた計算効率を示した。
• 178,176 コアまで強力なスケーリングが確認され、効果的な負荷分散と低通信オーバーヘッドを示した。
• シミュレーションワークロードは計算的に非常に高負荷であり、高いメモリおよび通信要件のため、世界最大のスーパーコンピュータを必要としている。
• NEMO5 は、次世代ナノトランジスタの正確な性能予測に必要な極めて高い計算要件を処理できる。
• 結果から、NEMO5 がムーアの法則の限界を超えた将来のトランジスタ設計のシミュレーションに生産環境で利用可能であることが確認された。