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[硬件评测] 硬盘速度与内存容量对量子化学计算速度影响的测试

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发表于 2017-12-5 01:26:13 | 显示全部楼层 |阅读模式
硬盘速度与内存容量对量子化学计算速度影响的测试

文/Sobereva @北京科音  2017-Dec-5


1 前言

本文的目的是通过几种主流量子化学程序的实测数据,说明量子化学计算用的机子有没有必要用大内存,有没有必要用高速硬盘,这俩问题是购买服务器的人很关注的问题。经常有人认为内存容量只要让计算得以进行就够了,加大内存对提升速度并没用处,本文也通过测试看看是否是这么回事。

本文测试用的机子是双路XEON E5-2696v3(2*18=36个物理核心),主板X10DRL-i。机子内存比较大,是8*32GB DDR4-2133,共256GB,因此有较大余地测试内存对计算速度的影响。购机过程在这里有详细记录《淘宝店购买双路2696v3服务器的过程、使用感受和杂谈》(http://bbs.keinsci.com/forum.php?mod=viewthread&tid=6310)。在买这台机子数日之后,又买了个三星PM961,花了1289软妹币。此时机子里一共有三个硬盘:
(1)希捷4T企业版
(2)影驰铁甲战将SATA3 480GB固态硬盘
(3)三星PM961,是M.2口512GB高速固态硬盘
这三个硬盘,连续读写速度依次由慢到块,正好可以用来对比硬盘速度对量化计算的影响。三块硬盘性能测试如下(Win10-64bit):

希捷4T企业版
1.png


影驰铁甲战将
2.png


PM961
3.png


2 关于硬盘速度和PM961

之所以笔者机子之前已经有一个大容量机械和一个固态了,而后来又买了PM961,是因为PM961的性能远远超过SATA3口的固态硬盘。SATA3对SSD的限制已经愈发明显,早已不是可忽视的程度了。如影驰铁甲战将测试成绩所示,SATA3的SSD一般持续读写速度也就做到五六百MB/s,而走M.2或PCI-E 3.0 4x口的SSD,如PM961,则完全脱离了这个束缚,连续读写性能完爆SATA3硬盘。还在惯用SATA3 SSD的人应该转变观念了。在M.2/PCI-E的SSD普及之前,一些人为了追求更好性能,把SATA3 SSD组Raid0,性能确实提高很多,但是相对于如今的M.2/PCI-E的SSD,已经是鸡肋了。

量化计算有的任务基本不怎么读写硬盘,比如DFT单点、优化,对这类任务显然用什么硬盘都不会影响性能;而有的任务则会产生巨大的临时文件并大量读写,诸如CCSD(T),因此硬盘速度必然会对性能产生不可忽视的影响。本文说的硬盘速度一律是指硬盘的连续读写速度,而不是随机读写速度,后者只影响大量操作小文件的速度(在计算化学范畴中,对于化学信息学、虚拟筛选等问题才可能产生较明显影响)。

笔者购买PM961的目的不是用来为了装系统、让应用程序启动速度更快,而纯粹是把这块硬盘当苦力用。各种量化程序的临时文件都在这里读写,而不装任何程序和资料,因此就算这硬盘因为累计读写量太大坏掉,也不会造成其它损失,找店家换货就完了。对于经常要跑后HF任务的人,手头不太紧的话,建议苦力盘容量不要买256GB的,建议>=512GB,因为对于大体系后HF任务,临时文件达到三四百GB甚至更多都是不少见的(对于Gaussian,由于可以方便地对rwf文件进行分割,因此还好。而大多数程序临时文件只能指定在一个目录下读写,苦力盘容量不够就比较麻烦了)。

由于大多数读者对三星PM961比较陌生,这里多说几句。PM961类似于三星高端固态硬盘960EVO的OEM货,无包装,性能没什么差别,价格便宜很多,淘宝店一般都提供质保,笔者买的这个店家3年包换:
4.jpg


笔者服务器的X10DRL-i主板并没有M.2口,没法直接用PM961,因此在淘宝上花20块钱买了个佳翼SK4转接卡,用来将M.2转换为PCI-E 3.0 4x口
5.jpg


为了散热好点,又花18块钱买了个散热条,组装好后:
6.jpg


刚上手把玩一会儿后截的硬盘信息
7.png


估计会有人怀疑,这么转接一下,性能肯定打折扣吧?会不会不稳定?从上面的速度实测已经充分说明,用这个转接卡速度丝毫不打折扣,完全不影响PM961顶级性能的发挥。而且根据3个月的使用感受,也未曾发现有不稳定的情况。所以以上转接方式非常稳妥。

虽然买原本就是PCI-E口的固态硬盘就能免得转接一下,但笔者强烈不建议购买,因为性价比远远低于PM961。例如PCI-E 3.0 4x的浦科特M8SeY 512GB,性能不及PM961,却还要卖到2000出头。市面上也有其它M.2口的SSD,同等容量价格和PM961差不多,比如Intel 600P 512GB,但性能都落后于PM961,所以也不建议购买。

顺带一提PM961在这里可以下载三星官方驱动http://www.samsung.com/semiconductor/minisite/ssd/download/tools.html,对于Win10,装不装对测试性能影响不大。


3 关于将内存虚拟成硬盘

硬盘既可以虚拟成内存,内存也可以虚拟成硬盘。当内存非常大,又无用武之地时,把内存虚拟成硬盘,从而加速大量读写硬盘任务的速度往往是有用的做法。虽说PM961已经很快了,但是跟服务器的内存读写性能来比还有一个以上数量级的差距。Linux下可以用ramfs或者tmpfs方式把内存虚拟成硬盘,两种做法实测性能没什么差异,笔者比较习惯用ramfs的做法。使用非常简单,比如要把最多180GB内存作为虚拟硬盘挂载到/vram目录,就执行以下命令
mkdir /vram
mount none /vram -t ramfs -o maxsize=180G
这样在/vram里读写文件就相当于在内存中读写了。无论是运行umount /vram手动卸载之,还是重启,/vram里面的文件都会消失。

后文将测试,对于后HF任务,把大内存充分分配给程序耗时更低,还是只把部分内存分配给程序,而把另一部分内存作为虚拟硬盘用于读写临时文件耗时更低。


4 内存容量与硬盘速度对计算耗时的影响实测

下面将通过最常用的量化程序Gaussian16 A.03和ORCA 4.0.1.2(皆64bit),执行不同类型任务,来考察分配的内存量和硬盘速度对计算耗时的影响,看看买服务器时钱怎么花最划算。测试机子的硬件配置上面已经说过了,系统是CentOS 7.3 64bit。所有测试的项目都是对内存容量、硬盘有一定要求的,而普通泛函算单点、优化这类问题,占内存很少,也不怎么读写硬盘,因此不纳入测试。下面测试的耗时一律都是指wall clock time,不是CPU time。每次测试的计算耗时都有可能略有不同,因此如果两个计算条件耗时相差不多的话,就当成没有差异即可。

测试中涉及到的体系如下,选的体系比较贴近于现阶段大家通常计算的大小,并没有刻意去选巨大体系(对于巨大体系,测试结论可能会有所不同,但这不是本文关注的):
8.png



4.1 Gaussian16

以下Gaussian计算若未注明,则默认计算设置为%nproc=36 %mem=245GB,且rwf文件产生大小不设上限。测试中除了Ru(bpy)3外都没有利用对称性以加速。

(1)振动分析。BNtube。关键词B3LYP/6-31G* freq nosymm。实际产生rwf文件1.5GB。
PM961:24m11s
影驰铁甲战将:24m27s
希捷4TB:24m29s
%mem=60GB + PM961:24m15s
可见,由于普通泛函下振动分析任务的临时文件小,硬盘速度对耗时基本没有影响,内存分配大小也不影响耗时。

(2)超极化率计算。DA3。关键词CAM-B3LYP/6-311++G(2df,p) polar nosymm。实际产生rwf文件314MB。
PM961:20m28s
影驰铁甲战将:20m32s
希捷4TB:20m35s
%mem=60GB + PM961:20m35s
情况如振动分析,内存容量和硬盘速度对耗时基本也没有影响。

(3)TDDFT。Ru(bpy)3。关键词B3LYP/genecp TD(nstates=30)。对Ru用的SDD,其它原子6-311G*。实际产生rwf文件7.6GB。
PM961:15m37s
影驰铁甲战将:15m32s
希捷4TB:15m31s
%mem=60GB + PM961:15m36s
这个测试还是没发现硬盘速度和内存分配量对总耗时有什么影响。

(4)MP2单点。DA3。关键词MP2/def2TZVP nosymm。实际产生rwf文件150GB。
PM961:13m28s (此数据比较异常,原因不明,不做讨论)
影驰铁甲战将:12m44s
希捷4TB:13m20s
%mem=60GB + PM961:12m42s
%mem=60GB + 180GB vram:12m22  (vram指把内存虚拟成硬盘)
这个任务由于rwf文件比较大,终于一定程度体现出硬盘速度对耗时的影响。影驰SSD比机械硬盘快了一些。如果用vram,速度还能再快一点。不过此任务依然没有很充分体现出大内存或高速硬盘的效果。
值得注意的是,如果把rwf文件产生的上限人为设为100GB,程序发现可用空余硬盘空间不够,会自动用FullDirect方式做MP2,此时rwf大小仅有268MB,而作为代价,计算耗时较高,为16m17s。

(5)CCSD(T)单点。苯胺。关键词CCSD(T)/cc-pVTZ。实际产生rwf文件在CCSD迭代时为21GB,计算(T)时为79.4GB(且占内存达到>90%)。
PM961:26m18s
影驰铁甲战将:34m32s
希捷4TB:62m52s
%mem=60GB + PM961:20m21s
%mem=60GB + 180GB vRAM:19m18s
在CCSD(T)计算时,终于体现出了硬盘速度对计算耗时的巨大影响!SATA3的SSD比机械硬盘快了近一倍,如果用更快的SSD,即PM961,耗时还可以进一步下降。测试中还看到一个违背一般直觉的事,就是分配的内存从245GB降到60GB,耗时反倒从26m18s降到了20m21s,看似内存分配大了还有害。应该说这是G16程序的缺陷所致,实际上在G09,以及其它体系的CCSD(T)计算上也都发现了这个情况。既然内存给大了反倒耗时增高,而且CCSD(T)对硬盘性能敏感,那么少给点内存,而把富裕的内存虚拟成硬盘,岂不美哉?事实也证明此做法奏效,如上述数据所示,把180GB内存虚拟成硬盘来读写rwf的话,耗时比用PM961进一步降低,不过降低得不算很大了,因为PM961已经很快了,此时硬盘读写速度的瓶颈已经没那么显著了。

还有两种特殊情况:
PM961(rwf上限设15GB):会报错Transformation cannot fit in the specified MaxDisk.
PM961(rwf上限设25GB):31m32s(到了(T)那一步,由于硬盘不够,提示Number of processors reduced to  6 in MP4TCl:,之后CPU只有600%占用了)
这体现出CCSD(T)对硬盘空余容量是有较高要求的。剩余容量达不到最低要求,根本算不了;剩余容量太小,则并行度会自动降低,明显降低计算速度。

(6)SCF=conventional单点。DA3。关键词HF/def2TZVP nosymm。实际产生rwf文件为192GB。
PM961:23m30s
希捷4TB:29m27s
这个测试其实没什么意义,只不过由于SCF=conventional把电子积分全写到rwf里,硬盘读写量会很大,所以随便测试了一下硬盘速度的影响。可见PM961比机械硬盘还是有明显优势的,只不过没有预期的那么夸张。SCF=conventional现在根本没人用,因为以direct方式做SCF,此任务仅需要2m59s,rwf文件仅有269MB。即曰,哪怕有高速硬盘,conventional还是远不如direct。还尝试了用incore方式做SCF,此时占内存高达223GB,rwf文件为182MB。虽然incore时积分都存在内存里,理应比direct快,但是实际耗时高达11m12s,是因为Gaussian的incore模式做得不好,CPU利用率非常低,而且用direct时还可以用积分屏蔽等技巧来加速。


4.2 ORCA 4.0.1.2

ORCA是MPI方式并行,maxcore设的是每个MPI进程最多用的内存量(MB)。由于实际使用量可能超过maxcore,因此必须留有一定富余。计算时候皆为36核并行,对于256GB机子来说,maxcore=6000比较稳妥,而64GB机子来说,maxcore=1400一般没问题。

(1)双杂化单点。BNtube。关键词RI-PWPB95 def2-QZVPP def2/JK def2-QZVPP/C RIJK。临时文件占硬盘最多用到15GB
maxcore=6000,影驰铁甲战将:20m16s
maxcore=6000,PM961:20m20s
maxcore=6000,希捷4TB:20m18s
maxcore=1400,PM961:24m50s
即便此体系不小了,计算级别还挺高,但对于此任务,硬盘读写仍不构成瓶颈,没体现出硬盘速度对耗时的影响。而内存分配量对耗时有一定影响,给大了耗时会降低。

(2)DLPNO-CCSD(T)单点。DA3。关键词DLPNO-CCSD(T) def2-TZVP def2/JK def2-TZVP/C RIJK tightSCF。临时文件占硬盘最多用到15GB
maxcore=6000,影驰铁甲战将:18m37s -817.155278103676
maxcore=6000,PM961,带tightPNO:78m21s -817.160700708131(临时文件占硬盘最多用到44GB)
maxcore=6000,PM961:18m39s
maxcore=6000,希捷4TB:18m44s
maxcore=1400,PM961:18m47s
DLPNO-CCSD(T)是ORCA独家的降低CCSD(T)耗时的重要方法,这体系直接用CCSD(T)在现有条件下是绝对算不动的,而做DLPNO-CCSD(T)则轻而易举。从测试来看,硬盘速度和内存分配量并未对DLPNO-CCSD(T)耗时有明显影响。还顺带测试了带着tightPNO关键词的情况,这使得DLPNO-CCSD(T)比默认设定下更逼近CCSD(T)的结果,不仅耗时增加几倍,对硬盘空余空间的要求也显著增加了。

(3)CCSD(T)单点。苯胺。关键词CCSD(T) cc-pVTZ tightSCF。临时文件占硬盘最多用到29GB
maxcore=6000,PM961:13m9s
maxcore=6000,希捷4TB:13m6s
maxcore=1400,PM961:16m17s
和Gaussian不同的是,ORCA里做CCSD(T),高速硬盘并没发挥什么用处,而分配大内存,和双杂化计算时一样会使得耗时降低。


4.3 Molpro 2015

对Molpro 2015只是做个简单测试,CCSD(T)/cc-pVTZ单点。苯胺。Molpro也是MPI并行的程序,-m后面设的是每个进程的内存使用量上限,800m代表800mwords*8=6.4GB。-n后面是并行核数。在测试时发现Molpro的计算耗时的重现性比较差,所以仅供粗略参考
-m 800m -n 36,PM961:10m20s
-m 400m -n 36,PM961:10m55s
-m 100m -n 36,PM961:10m51s
-m 800m -n 36,影驰铁甲战将:11m10s
-m 800m -n 36,希捷4TB:12m9s
-m 100m -n 36,希捷4TB:12m31s
-m 100m -n 36,180GB vRAM:10m37s
-m 800m -n 18,PM961:11m55s
-m 800m -n 8,PM961:21s52s
-m 3500m -n 8,PM961:19m5s
对比测试数据,可以看到硬盘相同时,加大内存可以令耗时有一定降低;内存相同时,硬盘速度越快耗时也会越低。只不过两个因素对速度影响有限,最快的“-m 800m -n 36,PM961”也就比最慢的“-m 100m -n 36,希捷4TB”快了1/5。

PS:可对比以上列出的Gaussian、ORCA、Molpro在同样级别计算苯胺的速度,了解这三个程序做耦合簇的速度差异。


5 总结

从以上测试看出,内存分配量、硬盘速度,都可能对计算速度产生影响,对不同程序的影响情况还不一样。对一般体系,这两个因素能起到不可忽略的影响主要是对后HF类型任务(也包括双杂化),如果不主要计算这类任务,不必买太大内存(至多128GB足够),也不是必须上高速硬盘。

对于用Gaussian做耦合簇的人,买个PM961这样的高速硬盘是很值得的,以很少的代价就可以让速度提升很多。但是没必要刻意花钱买大内存,内存分配过大了反倒可能有害;如果机子里已经有比较大内存,那么不妨把富裕的内存当虚拟硬盘用,能令耦合簇耗时降低不少(就算虚拟的硬盘容量不足以塞入整个rwf也没关系,可以用%rwf设定分割rwf)。

对于ORCA用户,用高速硬盘没太大必要,起码本文测试没体现出高速硬盘带来的好处。买大内存以提升性能是可以的,但是不要指望内存设大了,耗时就能降低达到一倍的程度。值不值得花那份钱,应自行斟酌。

总的来说,鉴于硬盘比较便宜,对于量化计算用户,个人建议花一千出头买一个512GB PM961当苦力用。而在有限的预算下,买大内存和提升CPU档次之间,建议先考虑后者,更划算。

还值得一提的是,本文的测试结论与CPU性能必定是存在一定关联的,因为这会影响性能瓶颈的构成。

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发表于 2017-12-5 01:45:36 | 显示全部楼层
高斯的耦合簇好渣,所以即使不带DLPNO的耦合簇也不应该用高斯算?

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发表于 2017-12-5 08:35:27 | 显示全部楼层
请问sob老师 设置虚拟硬盘需要sudo权限吗? 谢谢

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 楼主| 发表于 2017-12-5 16:42:24 | 显示全部楼层
smutao 发表于 2017-12-5 08:35
请问sob老师 设置虚拟硬盘需要sudo权限吗? 谢谢

估计得需要
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 楼主| 发表于 2017-12-5 16:44:07 | 显示全部楼层
liyuanhe211 发表于 2017-12-5 01:45
高斯的耦合簇好渣,所以即使不带DLPNO的耦合簇也不应该用高斯算?


对于普通CCSD(T),如果买了molpro,用molpro做无疑最理想。如果体系有高对称性,高斯做耦合簇肯定比ORCA快;如果没对称性,而且会用ORCA,而且对耗时敏感,建议用ORCA。

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发表于 2017-12-6 15:34:40 | 显示全部楼层
一直没有搞懂%nproc的含义,在这正好问问。SOB老师用的%nproc=36是指用了一个CPU(18核心,36线程)吗?

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 楼主| 发表于 2017-12-6 17:44:29 | 显示全部楼层
loovfnd 发表于 2017-12-6 15:34
一直没有搞懂%nproc的含义,在这正好问问。SOB老师用的%nproc=36是指用了一个CPU(18核心,36线程)吗?


是36线程并行,并没有体现“18核心”
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发表于 2017-12-9 14:39:16 | 显示全部楼层
本帖最后由 tjchkj 于 2017-12-9 14:41 编辑
loovfnd 发表于 2017-12-6 15:34
一直没有搞懂%nproc的含义,在这正好问问。SOB老师用的%nproc=36是指用了一个CPU(18核心,36线程)吗?

应该是36核心。本身Gaussian16 最新的用户手册上清楚的写着是用的物理核心。另外sob的机器就是双路2696v3 有36个物理核心。Gaussian16 最新的用户手册还同时明确的说了这条指令如果使用超过物理核心的数量,会使得性能显著的降低。我做过实测,我机器上44核心,如果你写的是大于44以上,计算时间就是会延长很多。验证了用户手册上的叙述。

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发表于 2017-12-9 14:47:02 | 显示全部楼层
”找店家换货就完了” !!! 真的不要相信店家对你的这个承诺。早在ssd刚出来的时候,我就一直用ssd。ssd生产厂家在保修范围里都是明确说了,由于使用寿命的问题(就是说反复写盘导致达到了写满多少次那个上限的时候),这个原因造成的是不再保修和更换的范围内的。因为这种原因不是ssd本身的质量原因造成的,而是ssd固态盘本身就有这个特点造成。
      所以,如果是因为写盘数据量太大,最终造成的ssd寿终正寝,生产厂家是不给更换的。那么销售者也不会承担这样的更换义务。

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发表于 2017-12-9 14:58:43 | 显示全部楼层
关键是,后HF还是很吃硬盘的。对于高斯而言,我们这一下占用2个多T的临时文件空间还是很常见的。这样用SSD就太太太太贵了。

既然是连续读写,为什么不用HDD阵列呢?像我们这的机子,也是俩2696V3,64G内存,硬盘是6块2T的做了个ZFS的阵列,四个MP2任务一起跑硬盘阵列也没有明显的瓶颈,不像以前卡硬盘

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发表于 2017-12-9 15:00:56 | 显示全部楼层
悄悄问一声,老师能共享一下2015.1的源码吗?感激不尽啊,想试试CASPT2的解析梯度

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 楼主| 发表于 2017-12-9 21:45:59 | 显示全部楼层
一颗赛艇 发表于 2017-12-9 15:00
悄悄问一声,老师能共享一下2015.1的源码吗?感激不尽啊,想试试CASPT2的解析梯度

我没有源码
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 楼主| 发表于 2017-12-9 21:48:29 | 显示全部楼层
tjchkj 发表于 2017-12-9 14:47
”找店家换货就完了” !!! 真的不要相信店家对你的这个承诺。早在ssd刚出来的时候,我就一直用ssd。ssd ...


我说的是店铺承诺,看物品介绍页,店铺方并没有说在正常使用下因为寿命原因而不给换货。如果商家违约,完全可以向平台方申请介入,至少可以禁止之后商家的虚假宣传行为。就算三星厂家不给换店铺方解决,店铺也需要为自己的宣传自担责任。
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 楼主| 发表于 2017-12-9 21:51:21 | 显示全部楼层
一颗赛艇 发表于 2017-12-9 14:58
关键是,后HF还是很吃硬盘的。对于高斯而言,我们这一下占用2个多T的临时文件空间还是很常见的。这样用SSD ...


512G对于常规的后HF已经够用了,1T也只是贵一倍。用起来比组raid0方便,而且风险更小,还更省电、对机箱空间要求低、噪音还低。就算几块机械盘组raid0,性能照样拼不过PM961。
而且高斯对后HF有不同处理方式,比如做MP2而硬盘不够时,会切换到省硬盘的direct MP2。而且就算512GB塞不下rwf,也可以进行分割,多出来的那点随便塞到4T机械盘的某个目录就完了。
何况如文中所示,后HF性能高斯连免费的ORCA也拼不过,有一定计算经验的都用ORCA了,更不用纠结这个。
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发表于 2017-12-10 00:41:36 | 显示全部楼层
从2002年我在组无盘服务器的时候,就用4块机械盘组raid0。即使是目前的高性能机械硬盘组raid0 速度上也是距pci-e这种固态盘的差得远。所以,还是用PM961更合适。而且这种固态盘还会越来越便宜。只是从寿命考虑,写满寿命次数的数据,会有些开销。
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