美实验室用750个树莓派打造运算丛集，更要挑战成为全球前百大Peta级超级电脑

国网中心耗资3.629亿元打造的Peta级超级电脑，终于助台湾重返全球百大超级电脑排名。不过除了砸大钱盖超级电脑之外，美国国家实验室则是选泽了更节省成本的方式，来打造超级电脑，利用750片树莓派开发板组成的运算丛集，成功打造出一台更省钱的超级电脑，未来更要扩大至1万个节点扩充，挑战挤进全球百大Peta级超级电脑排名。目前这套HPC系统已经实际展开测试，未来也将用于科学研究之用。这台树莓派超级电脑本周也在美国丹佛举行的2017超级电脑展上公开展出 。

其实利用树莓派来打造超级电脑，早已不是新鲜事。火柴盒大小外型的树莓派，因为具备有迷你电脑的功能，2012年一推出就十分受到欢迎，甚至还掀起了一股自造者（Maker）风潮。一台千元有找的树莓派开发板，因为价格便宜，不只成为许多新创公司开发及验证产品的首选，这股DIY热潮甚至也蔓延到科学界，开始有人将它用在科学研究，例如，2012年就有美国树城州立大学博士生Joshua Kiepert用32个树莓派组成运算丛集，成本不到2,000美元。

后来，更有英国南安普敦大学一名电脑工程师，使用64个树莓派和乐高积木，来打造出超级电脑Iridis-Pi，成本只花不到台币13万元。这次由美国能源部两大国家实验室之一的洛斯阿拉莫斯国家实验室（ Los Alamos National Laboratory）自建的树莓派超级电脑，使用的树莓派更是当时数量的10倍，多达成750片树莓派开发板组成的运算丛集。

用750片树莓派打造世界级的超级电脑

洛斯阿拉莫斯国家实验室自建的超级电脑，主要采用BitScope提供的模组式刀锋机柜来搭建，因为全采用树莓派开发板来设计超级电脑，所以成本上也比一般超级电脑还便宜，甚至使用上也更省电，每个运算节点平均耗电只有2到3瓦而已。

根据洛斯阿拉莫斯国家实验室高效能运算部门负责人Gary Grider表示，这套树莓派超级电脑系统内，总共内建750个CPU计算节点（采用 1.2 GHz Quad Core ARMv8处理器），拥有高达3,000颗核心可供计算使用，已经具备有等同超级电脑的计算能力。该实验室未来还要扩大规模挑战1万个，甚至最多5万个节点扩充，单以运算效能来看，理论上，跟自家的Grizzly超级电脑系统（全球排名85，运算效能达到1.5 PFLOPS）相比，将毫不逊色，甚至可能比台湾国网中心自行研发排行全球95名的Peta超级电脑（运算效能有1.325 PFLOPS）都还快。

不只目标要挤进前百大，这台树莓派超级电脑的建置成本，跟一般超级电脑相比也更加的便宜，虽然Gary Grider并未透露实际的建置成本，但若以他们使用的Raspberry Pi3 Model B（售价35美元）来计算的话，750个树莓派加总成本差不多2万6千美元（约台币78万元），即使在加上其他的基础建置费用，还是远比一般动辄上亿美元的超级电脑建置成本低许多。

Gary Grider表示，开发人员可以利用树莓派的模组及软件，在超级电脑上来编写应用，而不需要花费数亿美元购买高成本的软硬件，来搭建HPC测试平台，而且更耗电，需要数百万瓦（MW）的电力才可供系统正常运作。Gary Grider也透露，他们自建的树莓派超级电脑，每个运算节点平均耗电只有2到3瓦，即使是将750个节点全部加总起来，耗电量也远低于目前许多的超级电脑，不只省钱也省电，而且系统还可以依需求弹性扩充。

树莓派超级电脑的机箱共有5个刀锋模组组成，每个模组可以装下150片树莓派开发板，上图为其中一个刀峰模组，并经由以太网路连接，来建立运算丛集，机箱内也整合交换器，还配备一组48伏特的电源供应器设备来供电。

然而，要用数千到数万台树莓派组出一台Peta级的超级电脑，并不是件容易的事，因为随着运算丛集规模变大，不同运算节点和节点之间连接和传输也将变得更加复杂，而容易造成存取延迟与传输带宽不足的问题，而影响了系统的效能，这也是系统扩充不得不面对的挑战。即使是洛斯阿拉莫斯国家实验室一开始，也只能扩充到最多40个运算节点，后来，他们找来了HPC厂商BitScope及SICORP共同合作，重新设计机箱和进行系统整合，来解决系统扩充的难题，才从原来最多40个节点，增加到144个，到现在的750个节点，未来还要挑战数千到数万个节点的扩充。

根据SICORP网站的介绍，树莓派超级电脑是采用BitScope提供的模组式刀锋机柜来搭建，机箱内由5个刀锋模组组成，每个模组一次最多可以装入150片树莓派开发板，这些运算模组可以经由以太网路连接，来建立运算丛集，机箱内也整合网络交换器，还配备一组48伏特的电源供应器设备供电。

不过，Gary Grider也强调，这台树莓派超级电脑并非用来取代其他超级电脑，而是希望提供给开发人员及研究者，当作是另一个可用于研究测试及验证的全新HPC运算平台，不只具备高效能计算能力，而且更便宜。他也表示，未来除了会持续增加节点数量，来提高运算效能外，也将建立新的网络架构，并且结合引入（ bootstrap）、管理及灾难复原的算法，以及聚焦系统与分散式储存研究等。

2017/11/18更正说明：原文提及利用750个树莓派组成的超级电脑，实测运算效能达1.5PFLOPS叙述有误，正确应为洛斯阿拉莫斯国家实验室目前旗下Grizzly超级电脑的运算效能。(内文已更正)