Workshop on
The Roadmap for the Revitalization of High-End Computing
COMPUTING RESEARCH ASSOCIATION
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JUNE 16-18, 2003
Edited by Daniel A. Reed
Table of Contents
PREFACE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
1. EXECUTIVE SUMMARY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3
1.1. ENABLING TECHNOLOGIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3
1.2. COTS-BASED ARCHITECTURES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
1.3. CUSTOM ARCHITECTURES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
1.4. RUNTIME AND OPERATING SYSTEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
1.5. PROGRAMMING ENVIRONMENTS AND TOOLS . . . . . . . . . . . . . . .5
1.6. PERFORMANCE ANALYSIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
1.7. APPLICATION-DRIVEN SYSTEM REQUIREMENTS . . . . . . . . . . . . . . .6
1.8. PROCUREMENT, ACCESSIBILITY, AND COST OF OWNERSHIP . . . . . .7
2. ENABLING TECHNOLOGIES FOR HIGH-END COMPUTING . . . . . . . . . . . .9
2.1. ENABLING TECHNOLOGIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
2.1.1. Device Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
2.1.2. Memory Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
2.1.3. Storage and I/O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
2.1.4. Interconnects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
2.1.5. Single Chip Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
2.1.6. Power/Thermal Management and Packaging . . . . . . . . .14
2.1.7. Software Methods and Algorithms . . . . . . . . . . . . . . .15
2.2. SUMMARY OF STRATEGIC FINDINGS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
2.3. ENABLING TECHNOLOGY ROADMAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
2.3.1. Time Scales and Investments . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
2.3.2. Key Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
3. COTS-BASED ARCHITECTURES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
3.1. ENABLING TECHNOLOGIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
3.1.1. Memory Systems and Interconnects . . . . . . . . . . . . . . .22
3.1.2. System Heterogeneity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22
3.2. SUMMARY OF STRATEGIC FINDINGS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
3.2.1. Government Coordination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
3.2.2. Long-Term Research Funding . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
3.3. OTHER CHALLENGES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24
3.3.1. Parallel Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24
3.3.2. Scalable Software and Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24
4. CUSTOM ARCHITECTURES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
4.1. CUSTOM-ENABLED ARCHITECTURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
4.1.1. Strategic Benefits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26
4.1.2. Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
4.2. SUMMARY STRATEGIC FINDINGS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
4.2.1. Advantages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
4.2.2. Near- and Medium-Term Oppor tunities . . . . . . . . . . . .27
4.2.3. Strategic Par tnerships . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
4.2.4. Funding Culture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
4.2.5. Innovation in System Software and Programming
Environments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
4.2.6. Application Requirements Characterization . . . . . . . . . .29
4.2.7. Basic Research for End of Moore’s Law . . . . . . . . . . . .29
4.3. TECHNICAL DIRECTIONS FOR FUTURE CUSTOM ARCHITECTURES . . . .30
4.3.1. Fundamental Oppor tunities Enabled by Custom
Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30
4.3.2. Examples of Innovative Custom Architectures . . . . . . . .32
4.3.3. Enabling and Exploiting Global Bandwidth . . . . . . . . . .33
4.3.4. Enabling and Exploiting Function-Intensive Structures . . .34
4.3.5. Efficiency via Custom Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . .34
4.3.6. Execution Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34
4.4. OPEN ISSUES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
4.4.1. Programming and HEC Architecture . . . . . . . . . . . . . . .35
4.4.2. The Role of Universities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
4.5. ROADMAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36
4.5.1. Five Years (FY05-FY09) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
4.5.2. Ten Years (FY10-FY14) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
4.5.3. Fifteen Years (FY15-FY19) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
4.6. SUMMARY AND CONCLUSIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
5. RUNTIME AND OPERATING SYSTEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
5.1. RECURRING THEMES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
5.2. OPERATING SYSTEM INTERFACES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42
5.3. HARDWARE ABSTRACTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
5.4. SCALABLE RESOURCE MANAGEMENT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
5.5. DATA MANAGEMENT AND FILE SYSTEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . .44
5.6. PARALLEL AND NETWORK I/O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
5.7. FAULT MANAGEMENT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
5.8. CONFIGURATION MANAGEMENT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46
5.9. OPERATING SYSTEM PORTABILITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
5.10. OPERATING SYSTEM SECURITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48
5.11. PROGRAMMING MODEL SUPPORT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51
6. PROGRAMMING ENVIRONMENTS AND TOOLS . . . . . . . . . . . . . . . . . .53
6.1. KEY OBSERVATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53
6.2. THE STATE OF THE ART AND AN EVOLUTIONARY
PATH FORWARD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54
6.2.1. Software Productivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55
6.3. REVOLUTIONARY APPROACHES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
6.3.1. Research on the Hardware/Software Boundary . . . . . . .57
6.4. BEST PRACTICES AND EDUCATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
7. PERFORMANCE MODELING, METRICS, AND SPECIFICATIONS . . . . . . . .59
7.1. BASIC METRICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60
7.2. CURRENT PRACTICE IN SYSTEM PROCUREMENTS . . . . . . . . . . . . .61
7.3. PERFORMANCE-BASED SYSTEM SELECTION . . . . . . . . . . . . . . . .62
7.3.1. Per formance Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63
7.3.2. System Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64
7.3.3. Per formance Monitoring Infrastructure . . . . . . . . . . . . .65
7.3.4. Libraries, Compilers, and Self-Tuning Software . . . . . . .66
8. APPLICATION-DRIVEN SYSTEM REQUIREMENTS . . . . . . . . . . . . . . . . .69
8.1. APPLICATION CHALLENGES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
8.1.1. Lattice QCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
8.1.2. Computational Biosciences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
8.2. SYSTEM CHALLENGES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
8.3. CURRENT SYSTEM LIMITATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72
8.4. SUPPORT ENVIRONMENT REQUIREMENTS . . . . . . . . . . . . . . . . . .72
9. PROCUREMENT, ACCESSIBILITY, AND COST OF OWNERSHIP . . . . . . . .75
9.1. PROCUREMENT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75
9.1.1. Requirements Specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75
9.1.2. Evaluation Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76
9.1.3. Contract Type . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76
9.1.4. Process Improvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76
9.1.5. Other Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77
9.2. ACCESSIBILITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77
9.3. COST OF OWNERSHIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
10. REFERENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81
APPENDIX A. PROGRAM COMMITTEE MEMBERS . . . . . . . . . . . . . . . . . .83
APPENDIX B. WORKING GROUP CHARTERS AND PARTICIPANTS . . . . . . . . .85
B.1. ENABLING TECHNOLOGIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
B.1.1. Char ter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
B.1.2. Par ticipants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
B.2. COTS-BASED ARCHITECTURES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86
B.2.1. Char ter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86
B.2.2. Par ticipants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86
B.3. CUSTOM ARCHITECTURES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87
B.3.1. Char ter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87
B.3.2. Par ticipants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .87
B.4. RUNTIME AND OPERATING SYSTEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88
B.4.1. Char ter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88
B.4.2. Par ticipants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88
B.5. PROGRAMMING ENVIRONMENTS AND TOOLS . . . . . . . . . . . . . .89
B.5.1. Char ter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89
B.5.2. Par ticipants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89
B.6. PERFORMANCE MODELING, METRICS, AND SPECIFICATIONS . . . . .90
B.6.1. Char ter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90
B.6.2. Par ticipants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90
B.7. APPLICATION-DRIVEN SYSTEM REQUIREMENTS . . . . . . . . . . . . . .91
B.7.1. Char ter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91
B.7.2. Par ticipants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91
B.8. PROCUREMENT, ACCESSIBILITY, AND COST OF OWNERSHIP . . . . . .92
B.8.1. Char ter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92
B.8.2. Par ticipants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92
APPENDIX C. LIST OF ATTENDEES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95
收起
