MareNostrum5超算系统性能评估：面向复杂科学计算任务的能效优化与架构创新

本文深入评估欧洲预百亿亿次超级计算机MareNostrum5的混合架构性能，通过微基准测试（浮点运算、内存带宽）、HPC标准测试（HPL/HPCG）及实际应用案例（Alya、OpenFOAM、IFS），系统分析其能效表现与扩展性，为复杂科学计算（如计算流体力学、气候建模）提供关键优化参考。

　　

核心发现

• 微基准测试显示Sapphire Rapids CPU可实现⁹⁹%理论浮点吞吐量，但AVX2/AVX512指令会导致频率降至2.2 GHz
• HBM节点内存带宽是DDR节点的3.5倍，但仅达到峰值的39.40%，表明CPU未能完全利用内存技术潜力
• GPP分区能效较MareNostrum4提升1.76倍，但GPU系统（ACC分区）表现更优。HPCG测试中系统仅能维持1.2%的RPeak
• 应用层面（Alya、OpenFOAM、IFS）的主要限制因素是负载均衡，但超过64/200节点时通信网络成为扩展性瓶颈
• EAR（Energy Aware Runtime）能源监控框架支持用户对任务能耗进行精细化分析

系统概览

MareNostrum5是巴塞罗那超算中心（BSC）部署的预百亿亿级EuroHPC超算系统，峰值算力314 PFlop/s，采用Bull Sequana XH3000与联想ThinkSystem混合架构。系统包含四个针对性优化的计算分区，全面覆盖高性能计算（HPC）用户需求。

底层基准测试

本节重点评估GPP节点的三个核心组件：首先实测空闲CPU功耗，随后通过微基准测试分析CPU性能（频率与每周期浮点运算）、内存子系统（带宽与延迟）及网络性能。

HPC标准测试

本节展示Top500排名基准HPL与HPCG的持续性能表现，包含GPP与ACC分区的单节点/多节点测试结果，并分析HPL的功耗与能效特性。

HPC应用扩展性

在完成硬件独立性能与标准基准测试后，本节评估三类科学应用的扩展性：计算流体动力学（CFD）与气候气象数值模型，这两类应用在全球数据中心计算资源中占比显著且具有高度异构性。

结论

本文通过对MareNostrum5超算系统的架构特性、多层级基准测试及科学应用性能的全面分析，为用户优化工作流程提供实践指导，补充了传统技术文档的不足。