Зачем нужны сверхбыстрые компьютеры

Оглавление [Показать]

зачем нужны сверхбыстрые компьютерыФото РИА Новости

Примерно до середины 1960-х годов развитие вычислительной техники в СССР и США шло почти на одной скорости

Компьютерное моделирование, использующие параллельные вычислительные алгоритмы, возникло примерно в конце 40-х — начале 50-х годов XX века. Тогда компьютерная эра только начиналась: появился первый компьютер ENIAC в Америке, а также первая советская ЭВМ, которая была разработана группой академика Лебедева. Однако самые первые электронные устройства использовались очень ограниченно, в основном вычисления проводились с помощью большого количества девушек, которые с арифмометрами в руках сидели в большой комнате, напоминавшей спортзал.

Разумеется, осуществлять таким образом последовательные вычисления для решения сложных математических задач было очень тяжело. Поэтому математикам пришлось задуматься над тем, как наиболее эффективно «распараллеливать» вычислительный процесс. Все современные суперкомпьютерные системы используют распараллеленные алгоритмы. Но зародились они именно тогда, еще в начале 1950-х годов с помощью арифмометров, так как другого варианта просто не было. Вычислительная техника развивалась одновременно с вычислительными методами.

Сильным толчком к этому развитию стала в первую очередь работа над ядерными программами.

Для создания атомного оружия пришлось задействовать очень большие силы не только физиков, но и математиков-вычислителей, а также разработчиков компьютерной техники.

Первая советская электронно-вычислительная машина была создана в 1951 году школой академика Лебедева. Почти через год аналогичный — полностью электронный — компьютер знаменитого фон Неймана появился в Америке. Тут же возникла задача о последствиях распространения ядерного взрыва, которая решалась параллельно и у нас, и за океаном. Но, конечно, все исследования и разработки велись в рамках совершенно секретных программ.

Тогда же фактически начала развиваться так называемая теория разностных схем и решение дифференциальных уравнений в частных производных. А это основа уравнений математической физики, которые описывают основные физические процессы. Выдающимися исследователями в этой области стали Лакс, Вендрофф, Курант, Гельфанд, академики Белоцерковский, Годунов, Самарский, Дородницын, Яненко. Все эти люди параллельно развивали вычислительную технику и вычислительные методы. Именно тогда появились знаменитые схемы Лакса, Лакса — Вендроффа, метод Годунова, который до сих пор не потерял актуальность, хотя прошло уже более 60 лет. Белоцерковский стал первым ученым, который смог численно решить задачу об обтекании спускаемого в атмосфере Земли аппарата. Кроме того, был создан знаменитый метод Белоцерковского — Дородницына, который используется и сейчас. Тогда же были предложены схемы академика Самарского, по которым сейчас решаются многие математически сложные задачи.

Конечно, наличие всех этих и подобных им задач стимулировало развитие вычислительной техники. И в Советском Союзе она развивалась очень неплохо. Примерно до середины 1960-х годов мы шли параллельно с американцами. Но потом некоторые не совсем профессиональные решения на самых верхах государства привели к тому, что развитие нашей электронной техники и ее финансирование стали сокращаться, а был взят курс на закупку американской вычислительной техники.

Это стало очень большой ошибкой.

Современные суперкомпьютеры — это очень мощные вычислительные системы. Скорость их работы уже достигает десяти и более петафлопс. Хотя буквально 3-5 лет назад речь шла о терафлопсах (1 петафлопс = 1015 операций в секунду, 1 терафлопс = 1012 операций в секунду. – Forbes). Сейчас уже идет речь о создании первого экзафлопсного (1018 операций в секунду) компьютера.

Мощность вычислительной техники в наши дни увеличивается с поразительной скоростью. Правда, физики тоже не отстают и ставят задачи соответствующей сложности. Последнее десятилетие дало удивительный скачок в решении сложнейших задач.

Основное применение вычислительных систем — это моделирование разнообразных физических явлений и процессов. Это нелинейные трехмерные динамические задачи, решать которые стало возможно буквально в последние десятилетия. Это задачи вычислительной аэродинамики (обтекания потоком воздуха самолетов и спускаемых в атмосфере планет аппаратов), гидродинамики (обтекание кораблей, подводных лодок, других плавающих объектов), магнитной гидродинамики, физики плазмы, звезд, сейсморазведки полезных ископаемых и др. С этими задачами связаны такие области информатики, как 3D-компьютерная графика, без которой невозможен анализ результатов расчетов, сетевые технологии, оптимизация программ, интегрирование больших программных комплексов, создание параллельных алгоритмов и распределенные системы.

Специалист в нашей области должен быть прекрасным программистом, знать практически всю информатику, также он должен быть отличным математиком, знать численные методы и предметную область, в которой он работает. Сейчас наши суперкомпьютеры также позволяют решать такие задачи, о которых раньше тяжело было говорить, например климатические, в частности, задачи о движении воздушных масс в атмосфере Земли, океанических течений, взаимодействия океана и атмосферы, образования цунами, действия землетрясений и других природных явлений.

зачем нужны сверхбыстрые компьютеры

Интеллектуальные машины — остриё прогресса и двигатель информационной революции. Среди них есть настоящие компьютеры-монстры — не злые, зато огромные, прожорливые, умные и быстрые. Корреспондент «Кота Шрёдингера» побывал в чреве суперкомпьютера «Ломоносов».

Мы открываем неприметную дверь в коридоре второго гуманитарного корпуса МГУ — я проходил здесь много раз, но мне и в голову не приходило, что за ней скрывается самый мощный в России суперкомпьютер.

— Я лучше здесь объясню: внутри суперкомпьютера очень шумно, невозможно рассказывать, — говорит Серей Жуматий, ведущий научный сотрудник вычислительного центра МГУ им. М.В. Ломоносова.

У Сергея необычная профессия — системный администратор суперкомпьютера. Причём не одного — в его ведении находятся старенький «Чебышёв», только построенный, проходящий отладку «Ломоносов-2» и нынешний флагман «Ломоносов», гудящий и мигающий тысячами разноцветных лампочек в соседнем зале. От прихожей, где мы стоим, зал отделяет звуконепроницаемая прозрачная панель — здесь и видно всё, и говорить можно.

Сергей объясняет, что бесчисленные стойки с системными блоками, которые мы видим, — это примерно четверть всего суперкомпьютера: его мозг. В соседних помещениях расположены система бесперебойного питания и собственная электроподстанция, система охлаждения в подвале — там стоят баки со специальной «незамерзайкой».

Наконец мы надеваем большущие наушники для защиты от шума и входим в зал. Гул вентиляторов и кондиционеров слышен даже сквозь них. Вычислительные сервера перемигиваются синими лампочками, блоки системы хранения данных сигнализируют об исправной работе зелёными огоньками. У суперкомпьютера распределённая файловая система — при поломке любого из дисков, на которых хранятся данные, информация не будет утеряна.

На стойках с серверами то и дело видна надпись «T-Platforms» — это название российской компании, разработавшей и изготовившей «Ломоносов» и «Ломоносов-2». Хотя они, как и все системы такого рода, в основном собраны из вполне стандартных комплектующих: процессоров Intel Xeon, блоков памяти Samsung. Но есть и платы, которые «Т-Платформы» сделали сами.

Что не по зубам ноутбукуУподобившись Ионе и изучив организм монстра изнутри, мы возвращаемся к людям — рассказать «Коту Шрёдингера» о «Ломоносове» и других суперкомпьютерах согласился академик Владимир Воеводин, замдиректора по научной работе Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ, член-корреспондент РАН.

Что это всё-таки такое — суперкомпьютер?

Это очень просто. Когда человек не может что-то сделать, он зовёт помощников. Точно так же, если мой компьютер не справляется с расчётами, я могу взять много компьютеров и распределить работу между ними. Суперкомпьютер основан на принципе параллельной обработки информации, которую осуществляют тысячи и десятки тысяч, иногда миллионы процессоров. Все они работают как единый вычислительный комплекс — для решения одной задачи.

Я слышал, что суперкомпьютер Watson, прославившийся победой в телевикторине, переехал в «облака», то есть он задействует ресурсы множества компьютеров, находящихся в разных местах. Получается, суперкомпьютер может и не существовать как физический объект?

Для определённых задач суперкомпьютер можно собрать на время — даже из компьютеров пользователей интернета. Так делают, когда пытаются минимизировать стоимость вычислений. Мы и сами проводили множество экспериментов, объединяя огромное число компьютеров в университетах по всей России и распределяя между ними нагрузку. Но в «облаках» сложно решать, допустим, задачи вычислительной гидродинамики, когда требуется аккуратное и быстрое взаимодействие узлов системы или процессоров.

Что это вообще за задачи, с которыми обычный компьютер не справляется?

Те, что обладают высокой вычислительной сложностью. Возьмём типичную задачу, стоящую перед нефтяной или газовой компанией. Нужно смоделировать нефтяной резервуар, расположенный под землёй на глубине несколько километров. Будем считать для простоты, что там куб, который можно представить как сеть размером 100 × 100 × 100 точек. В каждой точке нужно вычислить десяток функций: давление, концентрацию, температуру… В самых простых моделях три компонента: вода, нефть и газ, в моделях посложнее рассматривают различные фракции нефти. Чтобы вычислить значение функций в каждой точке, нужно решить нелинейное уравнение — это сотни арифметических операций на каждую функцию в каждой точке. Но это даст лишь застывшую картинку, а нам интересна динамика — как всё это развивается. Значит, нужно сделать порядка 500 шагов по времени… В итоге мы получаем колоссальный объём расчётов, с которыми ни один обычный компьютер не справится.

У «Ломоносова» три уровня хранения данных: высокоскоростные дисковые хранилища объёмом 500 ТБайт, дисковое хранилище повышенной надёжности объёмом 300 ТБайт и ленточная библиотека объёмом 1 ПБайт.Чем меряются монстры Какое место среди суперкомпьютеров мира занимает «Ломоносов»?

Есть единый рейтинг, Топ-500 самых мощных суперкомпьютеров мира, который публикуется два раза в год. Когда в 2009-м создали «Ломоносов», он занял 12-е место — это было высшим достижением России в рейтинге. В последней версии, вышедшей в ноябре 2014 года, «Ломоносов» уже на 58-м месте, а наш новый суперкомпьютер «Ломоносов-2» — на 22-м.

Чем они меряются?

Есть теоретическая величина, которая считается скорее на бумажке, — называется пиковой производительностью. На практике она мало кому интересна: нужно, чтобы компьютер хорошо подходил именно для конкретного типа задач. Но есть стандартный общепризнанный тест, измеряющий, насколько быстро машина умеет решать систему линейных уравнений с плотной матрицей. Он доступен в интернете, каждый может запустить его даже на мобильном телефоне — разница по пиковой производительности с нашими монстрами будет в миллионы раз. Вот по этому параметру суперкомпьютеры и ранжируют. На первом месте сейчас китайский Tianhe-2.

В России строят ещё что-нибудь такое?

Государственной программы пока нет, но поддержка есть — прежде всего, конечно, со стороны МГУ. Наш ректор понимает, что за такими вычислительными технологиями будущее. Ведь далеко не всегда можно поставить физический эксперимент, изучая, допустим, глобальное изменение климата. Зато можно построить виртуальную модель и посчитать, что произойдёт. И так во многих вещах. Почему сегодня компьютеры используются в любой конкурентоспособной промышленности? Да потому что провести вычислительный эксперимент на порядок дешевле, чем натурный. Например, вы создаёте авиационный двигатель — чтобы выполнить сертификацию, сколько таких многомиллионных устройств нужно будет испытать и разбить? Гораздо дешевле большую часть испытаний провести на виртуальной модели.

Суперкомпьютеры МГУ используются в основном для проведения таких вот виртуальных экспериментов?

Да, это главное их применение. Только у нас эксперименты связаны прежде всего с фундаментальными научными исследованиями. Но они очень востребованы и в прикладных областях: в конструировании турбин, например, в сейсморазведке, нефтяной и газовой промышленности.

Я слышал, что к традиционному для биологии делению экспериментов на in vitro (в пробирке) и in vivo (в живом организме) добавился третий тип — in silico, в компьютере.

Да, абсолютно правильно. На нас завязаны очень многие вещи, касающиеся здоровья человека: драгдизайн, моделирование кровотока в организме, моделирование мышечной активности, в том числе работы сердца. Невероятно перспективная область — моделирование активности человеческого мозга: в Европе на её изучение только государственные структуры выделили миллиард евро, ещё миллиард дадут частные компании.

В целом примерно 30% всего машинного времени «Ломоносова» уходит на биохимический кластер, биоинформатику, биоинженерию. Академик Скулачёв с нашей помощью разрабатывает новые лекарства, химики под руководством профессора Немухина проектируют новые материалы. Вообще же нашими суперкомпьютерами пользуются больше двадцати факультетов. Среди них и гуманитарные — например, у нас был интересный проект с историческим факультетом по сравнительному анализу старинных текстов.

Только университетские учёные пользуются «Ломоносовым»?

Нет, у нас огромное количество пользователей — сейчас их около 1200, то есть порядка 200 организаций, 500 проектов. Это институты Академии наук, университеты, другие научные организации. Московский университет, по сути, обслуживает всё научно-образовательное сообщество России. Машина загружена полностью. Смотрите, у меня всегда есть возможность мониторить с экрана смартфона, что творится в суперкомпьютере. Вот текущая картинка загруженности «Ломоносова»: сейчас работают 124 человека, запущено 145 задач, еще 515 человек в очереди — ждут, пока освободятся ресурсы. Очередь есть всегда, именно поэтому мы и затеяли новый проект — «Ломоносов-2». Частично он уже запущен и вскоре станет доступен для всех учёных.

Автоматическая система пожаротушения использует специальный газ. В случае возгорания он заполняет помещение и ликвидирует пожар, не повреждая при этом оборудование.Информационный завод Если на «Ломоносове» в данный момент работают 124 человека, получается, каждому из них нужна лишь малая часть ресурсов суперкомпьютера?

Особенность «Ломоносова» — его универсальность. У нас огромный поток пользователей, поэтому мы не можем делать специализированную машину — такую, которая ориентирована только на один класс задач. Мы сразу делали универсальную установку, понимая, что поток пользователей и разных задач будет колоссальный. Это гигантский информационный завод. Он работает без выходных, без праздников, круглосуточно. Чаще всего пользователям не нужен весь «Ломоносов», хотя есть около десяти групп, которые используют 1,7 петафлопса «Ломоносова» целиком.

Эти 124 человека, которые сейчас работают на «Ломоносове», — они же там не сидят, они удалённо работают?

Да, прошли те времена, когда люди приходили в машинный зал. Человек подаёт заявку, и если она одобряется, получает уникальный ключ доступа к суперкомпьютеру. Далее исполняется специальный «ритуальный танец», необходимый для обеспечения информационной безопасности, и «Ломоносов» становится доступен по интернету из любого места.

Как к вам приходят учёные и кто для них пишет программы?

Сидит человек в своей лаборатории и понимает вдруг, что ему нужно много считать, что его любимой персоналки уже не хватает. Но прежде чем подавать заявку, он должен оценить свои силы — понять, есть ли у него возможности перенести программу, работающую в последовательном режиме, на суперкомпьютер, который основан на принципе параллельных вычислений. Это революционный шаг, который в самом ближайшем будущем предстоит сделать всем нам, настоящая вторая компьютерная революция — переход от последовательных вычислений к параллельным.

Тут совсем другое программирование, да?

По сути, да. На самом деле оно уже сейчас везде применяется. Даже мобильные телефоны теперь многоядерные. Если вы программируете для мобильных платформ, вы обязаны знать, что такое многоядерность и каким образом синхронизировать обмен данных для обеспечения параллельного выполнения программ. Раньше учили программировать, а сейчас нужно учить параллельно программировать, причём всех.

То есть люди приходят с готовой программой?

Иногда да. Но сейчас уже наработана огромная программная инфраструктура готовых прикладных пакетов — например, для задач по молекулярной динамике, аэродинамике, электродинамике. И это, конечно же, великое дело. Человеку не нужно плясать от печки, программировать всё с нуля. Он задает параметры своей модели, своего изделия, запускает процессы и получает на выходе результаты моделирования.

Бывают вычислительные задачи, с которыми «Ломоносов» не справляется?

Есть много шуточных, но метких определений суперкомпьютера. Для главного инженера это машина, которая весит больше тонны, для финансиста — машина, которая стоит больше миллиона долларов. А для многих учёных суперкомпьютер — это машина, мощности которой чуть-чуть не хватает для решения современных задач. И таких задач, конечно, огромное количество. Каждый старается свою модель расширить до тех пределов, которые позволяет потенциал программного обеспечения и аппаратуры. А когда пределы достигнуты, остается лишь ждать появления следующего поколения машин.

Все вычислительные узлы связывает сеть с пропускной способностью до 40 Гб/сБудущее суперкомпьютеров Соблюдается ли для суперкомпьютеров Закон Мура, утверждающий, что каждые два года мощность процессоров удваивается?

До сих пор более или менее соблюдался. Сейчас наметилось некоторое отклонение: рост мощности немного замедлился. Здесь пищу для размышлений даёт тот же Топ-500 — он ведётся с начала девяностых, накоплена большая статистика. Если по ней смотреть, получается просто идеальная прямая на логарифмической шкале. И это удивительно, ведь закон Мура не доказан, он основан только на эмпирических наблюдениях. Но, кажется, это сверхбыстрое развитие начало всё-таки потихонечку загибаться — сейчас закон Мура сохраняется за счёт того, что увеличивается степень параллельности. А частота процессоров уже не растёт — слишком много энергии потребляется и выделяется. Но благодаря параллельности пока удаётся поддерживать быстрое увеличение производительности.

Чтобы создать самый большой и мощный суперкомпьютер в мире, достаточно просто иметь много денег?

Вы несколько цинично это обрисовали, но в целом так и есть. Обратите внимание: все современные суперкомпьютеры из верхушки Топ-500 — это отдельные здания. Для китайского Tianhe-2 специально строили целый комплекс. Потребляемая им мощность — 24 мегаватта. Мощность лампочки — 60 ватт. Мощность сервера — 500 ватт. А здесь двадцать четыре миллиона ватт! Это колоссально, это энергопотребление небольшого города. И ведь кто-то должен всё это оплачивать.

«Каждый понимает, как править четвёркой лошадей, но как управлять тысячью цыплят, уже не знает никто — а нам предстоит управлять сотнями миллионов муравьёв».​Поэтому построить-то его можно, но от цены за электричество вы придёте в ужас. Это одна из проблем, которая сдерживает развитие суперкомпьютерной отрасли. Нужен переход к гораздо более энергоэффективным технологиям.

Каким вы видите ближайшее будущее суперкомпьютеров?

Они будут становиться всё более разнообразными: где-то удобнее использовать многоядерную архитектуру, где-то сопроцессоры; где-то главное — большая память, а где-то — быстрое взаимодействие. Очень интересное направление — построение суперкомпьютерных систем на основе мобильных процессоров, тех самых, которые используются в телефонах.

Эти процессоры маломощные с точки зрения производительности, зато очень дешёвые и энергоэффективные. Чтобы создать из них суперкомпьютерную установку, их нужно огромное количество — десятки и сотни миллионов. Для программистов это вызов — как разрабатывать алгоритмы, как писать программы, чтобы заставить это огромное количество муравьёв работать на выполнение одной задачи. Каждый понимает, как править четвёркой лошадей, но как управлять тысячью цыплят, уже не знает никто — а нам предстоит управлять сотнями миллионов муравьёв.

От одного шкафа с оборудованием необходимо отводить до 65 кВт тепла. Система охлаждения занимает около 500 кв. м. внутри и снаружи здания. Как вы думаете, лет через десять ещё останутся такие вот здания-компьютеры?

Останутся, я в этом на сто процентов уверен. Хотя многие их функции уйдут в «облака». Одно из определений суперкомпьютера гласит, что это машина, которая всегда занимает большой зал. В 1956 году в Московском университете поставили первую отечественную серийную машину «Стрела». Производительность — две тысячи операций в секунду, без всяких «мега» и «гига». А занимала она триста квадратных метров! Это побольше, чем «Ломоносов» за стеной. И с того момента всё сохраняется: машина занимает большой зал.

Есть ли в России острая потребность в ещё более мощных суперкомпьютерах?

Издеваетесь? Пятьсот пятнадцать ждущих задач! Причём это только фундаментальная наука. И вы спрашиваете про потребности?!

Суперкомпью́тер (с англ. — «Supercomputer», СверхЭВМ, СуперЭВМ, сверхвычисли́тель) — специализированная вычислительная машина, значительно превосходящая по своим техническим параметрам и скорости вычислений большинство существующих в мире компьютеров.

Как правило, современные суперкомпьютеры представляют собой большое число высокопроизводительных серверных компьютеров, соединённых друг с другом локальной высокоскоростной магистралью для достижения максимальной производительности в рамках подхода распараллеливания вычислительной задачи.

Определение понятия суперкомпьютер

Определение понятия «суперкомпьютер» не раз было предметом многочисленных споров и обсуждений.

Чаще всего авторство термина приписывается Джорджу Майклу (George Anthony Michael) и Сиднею Фернбачу (Sidney Fernbach), в конце 60-х годов XX века работавшим в Ливерморской национальной лаборатории, и компании CDC. Тем не менее, известен тот факт, что ещё в 1920 году газета New York World (англ.) рассказывала о «супервычислениях», выполнявшихся при помощи табулятора IBM, собранного по заказу Колумбийского университета.

В общеупотребительный лексикон термин «суперкомпьютер» вошёл благодаря распространённости компьютерных систем Сеймура Крэя, таких как, CDC 6600, CDC 7600, Cray-1, Cray-2, Cray-3 (англ.) и Cray-4 (англ.). Сеймур Крэй разрабатывал вычислительные машины, которые по сути становились основными вычислительными средствами правительственных, промышленных и академических научно-технических проектов США с середины 60-х годов до 1996 года. Не случайно в то время одним из популярных определений суперкомпьютера было следующее: — «любой компьютер, который создал Сеймур Крэй». Сам Крэй никогда не называл свои детища суперкомпьютерами, предпочитая использовать вместо этого обычное название «компьютер».

Компьютерные системы Крэя удерживались на вершине рынка в течение 5 лет с 1985 по 1990 годы. 80-е годы XX века охарактеризовались появлением множества небольших конкурирующих компаний, занимающихся созданием высокопроизводительных компьютеров, однако к середине 90-х большинство из них оставили эту сферу деятельности, что даже заставило обозревателей заговорить о «крахе рынка суперкомпьютеров». На сегодняшний день суперкомпьютеры являются уникальными системами, создаваемыми «традиционными» игроками компьютерного рынка, такими как IBM, Hewlett-Packard, NEC и другими, которые приобрели множество ранних компаний, вместе с их опытом и технологиями. Компания Cray по-прежнему занимает достойное место в ряду производителей суперкомпьютерной техники.

Из-за большой гибкости самого термина до сих пор распространены довольно нечёткие представления о понятии «суперкомпьютер». Шутливая классификация Гордона Белла и Дона Нельсона, разработанная приблизительно в 1989 году, предлагала считать суперкомпьютером любой компьютер, весящий более тонны. Современные суперкомпьютеры действительно весят более 1 тонны, однако далеко не каждый тяжёлый компьютер достоин чести считаться суперкомпьютером. В общем случае, суперкомпьютер — это компьютер значительно более мощный, чем доступные для большинства пользователей машины. При этом скорость технического прогресса сегодня такова, что сегодняшний лидер легко может стать завтрашним ведомым.

Архитектура также не может считаться признаком принадлежности к классу суперкомпьютеров. Ранние компьютеры CDC были обычными машинами, всего лишь оснащёнными быстрыми для своего времени скалярными процессорами, скорость работы которых была в несколько десятков раз выше, чем у компьютеров, предлагаемых другими компаниями.

Большинство суперкомпьютеров 70-х оснащались векторными процессорами, а к началу и середине 80-х небольшое число (от 4 до 16) параллельно работающих векторных процессоров практически стало стандартным суперкомпьютерным решением. Конец 80-х и начало 90-х годов охарактеризовались сменой магистрального направления развития суперкомпьютеров от векторно-конвейерной обработки к большому и сверхбольшому числу параллельно соединённых скалярных процессоров.

Массово-параллельные системы стали объединять в себе сотни и даже тысячи отдельных процессорных элементов, причём ими могли служить не только специально разработанные, но и общеизвестные и доступные в свободной продаже процессоры. Большинство массово-параллельных компьютеров создавалось на основе мощных процессоров с архитектурой RISC, наподобие PowerPC или PA-RISC.

В конце 90-х годов высокая стоимость специализированных суперкомпьютерных решений и нарастающая потребность разных слоёв общества в доступных вычислительных ресурсах привели к широкому распространению компьютерных кластеров. Эти системы характеризует использование отдельных узлов на основе дешёвых и широко доступных компьютерных комплектующих для серверов и персональных компьютеров и объединённых при помощи мощных коммуникационных систем и специализированных программно-аппаратных решений. Несмотря на кажущуюся простоту, кластеры довольно быстро заняли достаточно большой сегмент суперкомпьютерного рынка, обеспечивая высочайшую производительность при минимальной стоимости решений.

В настоящее время суперкомпьютерами принято называть компьютеры с огромной вычислительной мощностью («числодробилки» или «числогрызы»). Такие машины используются для работы с приложениями, требующими наиболее интенсивных вычислений (например, прогнозирование погодно-климатических условий, моделирование ядерных испытаний и т. п.), что в том числе отличает их от серверов и мэйнфреймов (англ. mainframe) — компьютеров с высокой общей производительностью, призванных решать типовые задачи (например, обслуживание больших баз данных или одновременная работа с множеством пользователей).

Иногда суперкомпьютеры используются для работы с одним-единственным приложением, использующим всю память и все процессоры системы; в других случаях они обеспечивают выполнение большого числа разнообразных приложений.

История суперкомпьютеров

Одним из первых суперкомпьютеров считается Cray-1, созданный в 1974 году. С помощью поддержки векторных операций эта супер-ЭВМ достигала производительности в 180 миллионов операций в секунду над числами с плавающей точкой (FLOPS).

Применение

Суперкомпьютеры используются во всех сферах, где для решения задачи применяется численное моделирование; там, где требуется огромный объём сложных вычислений, обработка большого количества данных в реальном времени, или решение задачи может быть найдено простым перебором множества значений множества исходных параметров (см. Метод Монте-Карло).

Совершенствование методов численного моделирования происходило одновременно с совершенствованием вычислительных машин: чем сложнее были задачи, тем выше были требования к создаваемым машинам; чем быстрее были машины, тем сложнее были задачи, которые на них можно было решать. Поначалу суперкомпьютеры применялись почти исключительно для оборонных задач: расчёты по ядерному и термоядерному оружию, ядерным реакторам. Потом, по мере совершенствования математического аппарата численного моделирования, развития знаний в других сферах науки — суперкомпьютеры стали применяться и в «мирных» расчётах, создавая новые научные дисциплины, как то: численный прогноз погоды, вычислительная биология и медицина, вычислительная химия, вычислительная гидродинамика, вычислительная лингвистика и проч., — где достижения информатики сливались с достижениями прикладной науки.

Ниже приведён далеко не полный список областей применения суперкомпьютеров:

  • Математические проблемы:
    • Криптография
    • Статистика
  • Физика высоких энергий:
    • процессы внутри атомного ядра, физика плазмы, анализ данных экспериментов, проведённых на ускорителях
    • разработка и совершенствование атомного и термоядерного оружия, управление ядерным арсеналом, моделирование ядерных испытаний
    • моделирование жизненного цикла ядерных топливных элементов, проекты ядерных и термоядерных реакторов
  • Наука о Земле:
    • прогноз погоды, состояния морей и океанов
    • предсказание климатических изменений и их последствий
    • исследование процессов, происходящих в земной коре, для предсказания землетрясений и извержений вулканов
    • анализ данных геологической разведки для поиска и оценки нефтяных и газовых месторождений, моделирование процесса выработки месторождений
    • моделирование растекания рек во время паводка, растекания нефти во время аварий
  • Вычислительная биология: фолдинг белка, расшифровка ДНК
  • Вычислительная химия и медицина: изучение строения вещества и природы химической связи как в изолированных молекулах, так и в конденсированном состоянии, поиск и создание новых лекарств
  • Физика:
    • газодинамика: турбины электростанций, горение топлива, аэродинамические процессы для создания совершенных форм крыла, фюзеляжей самолетов, ракет, кузовов автомобилей
    • гидродинамика: течение жидкостей по трубам, по руслам рек
    • материаловедение: создание новых материалов с заданными свойствами, анализ распределения динамических нагрузок в конструкциях, моделирование крэш-тестов при конструировании автомобилей
  • в качестве сервера для искусственных нейронных сетей
  • создание принципиально новых способов вычисления и обработки информации (Квантовый компьютер, Искусственный интеллект)

Производительность

Производительность суперкомпьютеров чаще всего оценивается и выражается в количестве операций над числами с плавающей точкой в секунду (FLOPS). Это связано с тем, что задачи численного моделирования, под которые и создаются суперкомпьютеры, чаще всего требуют вычислений, связанных с вещественными числами, зачастую с высокой степенью точности, а не целыми числами. Поэтому для суперкомпьютеров неприменима мера быстродействия обычных компьютерных систем — количество миллионов операций в секунду (MIPS). При всей своей неоднозначности и приблизительности, оценка во флопсах позволяет легко сравнивать суперкомпьютерные системы друг с другом, опираясь на объективный критерий.

Первые суперкомпьютеры имели производительность порядка 1 кфлопс, то есть 1000 операций с плавающей точкой в секунду. В США компьютер, имевший производительность в 1 миллион флопсов (1 Мфлопс) (CDC 6600), был создан в 1964 году. Известно, что в 1963 году в московском НИИ-37 (позже НИИ ДАР) был разработан компьютер на основе модулярной арифметики с производительностью 2,4 млн оп/с. Это экспериментальный компьютер второго поколения (на дискретных транзисторах) Т340-А (гл. конструктор Д. И. Юдицкий). Однако следует отметить, что прямое сравнение производительности модулярных и традиционных ЭВМ некорректно. Модулярная арифметика оперирует только с целыми числами. Представление вещественных чисел в модулярных ЭВМ возможно только в формате с фиксированной запятой, недостатком которого является существенное ограничение диапазона представления чисел.

Планка в 1 миллиард флопс (1 Гигафлопс) была преодолена суперкомпьютерами NEC SX-2 в 1983 году с результатом 1.3 Гфлопс, и М-13 академика Карцева с результатом в 2,4 Гфлопс.

Граница в 1 триллион флопс (1 Тфлопс) была достигнута в 1996 году суперкомпьютером ASCI Red.

Рубеж 1 квадриллион флопс (1 Петафлопс) был взят в 2008 году суперкомпьютером IBM Roadrunner.

В 2010-х годах несколькими странами ведутся работы, нацеленные на создание к 2020 году экзафлопсных компьютеров, способных выполнять 1 квинтиллион операций с плавающей точкой в секунду и потребляющих при этом не более нескольких десятков мегаватт.

Программное обеспечение суперкомпьютеров

Наиболее распространёнными программными средствами суперкомпьютеров, так же, как и параллельных или распределённых компьютерных систем, являются интерфейсы программирования приложений (API) на основе MPI и PVM, и решения на базе открытого программного обеспечения, наподобие Beowulf и openMosix, позволяющего создавать виртуальные суперкомпьютеры даже на базе обыкновенных рабочих станций и персональных компьютеров. Для быстрого подключения новых вычислительных узлов в состав узкоспециализированных кластеров применяются технологии наподобие ZeroConf. Примером может служить реализация рендеринга в программном обеспечении Shake, распространяемом компанией Apple. Для объединения ресурсов компьютеров, выполняющих программу Shake, достаточно разместить их в общем сегменте локальной вычислительной сети.

В настоящее время границы между суперкомпьютерным и общеупотребимым программным обеспечением сильно размыты и продолжают размываться ещё более вместе с проникновением технологий параллелизации и многоядерности в процессорные устройства персональных компьютеров и рабочих станций. Исключительно суперкомпьютерным программным обеспечением сегодня можно назвать лишь специализированные программные средства для управления и мониторинга конкретных типов компьютеров, а также уникальные программные среды, создаваемые в вычислительных центрах под «собственные», уникальные конфигурации суперкомпьютерных систем.

Top500

Начиная с 1993, суперкомпьютеры ранжируют в списке Top500. Список составляется на основе теста LINPACK по решению системы линейных алгебраических уравнений, являющейся общей задачей для численного моделирования.

Самым мощным суперкомпьютером в 2016 году по этому списку стал Sunway TaihuLight, работающий в национальном суперкомпьютерном центре Китая. Скорость вычислений, производимых им, составляет 93 петафлопс (10 в 15 степени вычислительных операций с плавающей запятой в секунду). По этому показателю он в два раза быстрее и в три раза эффективнее предыдущего рекордсмена — Tianhe-2, также разработанного в Китае и возглавлявшему список с 2013 года.

Общее распределение по количеству суперкомпьютеров в разных частях света: 213 суперкомпьютера находится в Азии (217 в прошлогоднем списке), 175 в Америке (170 в прошлогоднем списке) и 104 в Европе (ранее 105);

Распределение по количеству суперкомпьютеров в разных странах мира в 2016 году:

  • Китай — 171 (167 в прошлой редакции рейтинга)
  • США — 171 (165);
  • Германия — 31 (26);
  • Япония — 27 (29);
  • Франция — 20 (18)
  • Великобритания — 13 (12)
  • Польша — 7 (6);
  • Италия — 6 (5);
  • Индия — 5 (9);
  • Россия — 5 (7);
  • другие страны — 44.

Распределение по операционным системам, используемым на суперкомпьютерах (2016 год, в скобках указано изменение по сравнению с прошлой редакцией рейтинга):

  • Linux — 498 (+1), 99,6 %
  • UNIX — 2 (-1), 0,4 %
  • Смешанные — 0 (0), 0 %
  • Windows — 0 (0), 0 %
  • BSD — 0 (0), 0 %

Из Linux-систем 64,2 % не детализируют дистрибутив, 12,6 % используют CentOS, 8,6 % — Cray Linux, 5 % — SUSE, 3 % — RHEL, 0,6 % — Scientific Linux, 0,6 % — Ubuntu;

См. также

  • Супер-мини-компьютер
  • Мини-суперкомпьютер
  • Персональный суперкомпьютер
  • Параллельные вычислительные системы
  • Вычислительная мощность компьютера
  • Аппаратная платформа компьютера
  • Транспьютер
  • Кластер (группа компьютеров)
  • Myrinet, сеть для кластеров
  • Топ-50 (рейтинг суперкомпьютеров СНГ)
  • СКИФ МГУ
  • Ломоносов (суперкомпьютер)
  • Graph500
  • Green500

Примечания

Литература

  • Arthur Trew (Editor), Greg Wilson (Editor). Past, Present, Parallel: A Survey of Available Parallel Computer Systems. — Springer, 1991. — 392 p. — ISBN 9783540196648.
  • Суперкомпьютерные технологии в науке, образовании и промышленности / Под редакцией: академика В. А. Садовничего, академика Г. И. Савина, чл.-корр. РАН Вл. В. Воеводина.-М.: Издательство Московского университета, 2009.-232 с., ил. ISBN 978-5-211-05719-7

Ссылки

  • Список 500 мощнейших суперкомпьютеров мира (англ.)
  • Тор50 самых мощных компьютеров СНГ (рус.)
  • Журнал «Суперкомпьютеры» (рус.)
  • Персональный Суперкомпьютер на GPU (рус.)
  • Суперкомпьютеры в России — основные проблемы, тенденции, вопросы
  • В. Воеводин. «Суперкомпьютеры: огромные и незаменимые» (проект ACADEMIA, лекция первая)
  • В. Воеводин. «Суперкомпьютеры: огромные и незаменимые» (проект ACADEMIA, лекция вторая)
  • Ежегодный с 1993 года обзор суперкомпьютерных систем европейского фонда EuroBen

Кто из нас не задумывался над предназначением компьютера? Сколько этот «робот» делает за нас, помогает нам как в рабочий, так и в выходной день! Как много времени мы ему посвящаем, но сколько же и экономим! Компьютер – это устройство, которое прочно укоренилось в нашей жизни, помогает выполнять самые простые и трудные задачи, развлекает и развивает.

Что это?

Часто ли вы задумывались о том, зачем нужны компьютеры? Мало кто в полной мере понимает весь массив заданий, над которыми трудятся эти «машины». Но откуда они появились и как так быстро вошли в нашу жизнь? Компьютер с английского языка переводится как «вычислитель». Данная функция являлась было самой первой задачей устройства. Грубо говоря, поначалу машина служила калькулятором.

Сейчас же такой механизм способен выполнять определенные поставленные задачи. Считается, что большинство этих заданий являются вычислительными или манипулятивными. Но последнее время, с развитием социальных сетей, важной является и функция ввода-вывода. Чтобы все операции совершались с правильной последовательностью, используют программу, которая специально для этого и создается.

История

Вообще, вспоминая самый первый компьютер, историки углубляются в анализ событий времен Древнего Вавилона. Именно тогда были изобретены первые вариации вычислений – счеты абак. Но если не углубляться так далеко, то можно вернуться во времени меньше чем на 100 лет. Именно в 1941 году мир увидел первое подобное устройство. Его разработал американский математик из Гарварда Говард Эйксон.
зачем нужны сверхбыстрые компьютеры

Он и еще парочка инженеров из компании IBM создали самый первый компьютер на базе наработок Чарлза Бэббиджа. Официально машину запустили лишь в 1944 году. Ей дали имя «Марк 1». Разместили технику в университете Гарварда.

Интересно, что в то время на разработку такого ПК было потрачено 500 тысяч долларов. При этом сборка компьютера выполнялась из дорогих и качественных материалов. Механизм поместили в нержавеющую сталь и стекло. В длину устройство заняло более 17 метров, его высота составила около 2,5 метра. Соответственно этим параметрам вес техники составил более 4-х тонн. Чтобы компьютер привести в работу, нужно было использовать различные рычаги, реле, переключатели, которых имелось более 750 штук.

Интересно, что машина обзавелась проводами, длина которых составила 800 километров. Тем не менее, мощный компьютер выполнял довольно примитивные задачи. Он справлялся с ограниченным количеством чисел – всего 72, они состояли из 23 десятичных разрядов. Система могла вычитать и слагать и тратила на эти все процессы не более 3 секунд. Для умножения ему требовалось уже 6 секунд, деление выполнялось за 15 секунд.

В итоге ученым удалось получить усовершенствованный арифмометр, для которого использовали перфорированную бумажную ленту, чтобы ввести данные. Несмотря на его очевидную слабость перед нынешними техническими монстрами, он все же делал все вычисления без помощи человека, а значит, уже произошел огромный шаг к автоматизации.

Другие теории

Вообще то, что «Марк 1» является первым компьютером, дело спорное. На этот счет существует огромное количество теорий. Здесь часто вспоминают Конрада Цузе с его машиной Z1, которая была создана еще в 1938 году. Также известен первый электронный цифровой компьютер из США, о котором заговорили в 1942 году. Он хотя и не был окончательно завершен, все же мог быть прототипом и вдохновителем последующих машин.
зачем нужны сверхбыстрые компьютеры

Разнообразие

Когда человек ставит перед собой вопрос: «Зачем нужны компьютеры?», он чаще представляет стандартный вариант ПК или на крайний случай ноутбук. Но это лишь небольшая часть устройств под таким именем. Кроме всего прочего, настольные ПК могут делиться на домашние и серверные, есть рабочие станции, персональные варианты, моноблоки, игровые приставки, медиацентры и т.д.

К компьютерам относят и более упрощенные устройства, среди которых нетбуки, планшеты, неттопы. Существуют суперкомпьютеры, к которым относят мини, супермини, персональный и мейнфрейм. Последний вариант – это очень мощный компьютер, предназначенный для высокопроизводительных и ресурсоемких задач. У него обычно огромное количество оперативной и внешней памяти, устройство используется для пакетной обработки и других заданий.

К малым и мобильным компьютерам относятся всеми нами любимые смартфоны, ноутбуки, карманные персональные компьютеры, планшеты, электронные книги и прочее. Многие забывают, что терминал в ресторанах и магазинах – это также компьютер, как и электронный переводчик, калькулятор и т.п.

Из такого огромного количества устройств становится понятно, что их назначение может быть самым разным и порой довольно неожиданным.
зачем нужны сверхбыстрые компьютеры

Конструкция

За все время совершенствования современные машины обзавелись самыми разнообразными способами конструкции. Сборка компьютера, который находится у многих пользователей, — практически ничто по сравнению с конструкцией серверных станций и подобных мощных моделей. Но все же существуют определенные стандарты и алгоритм, по которым собираются все типы компьютеров.

Когда начинают размышлять о проектировании устройства, часто задумываются, будет ли это машина цифрового типа или с аналоговой системой. Для первого варианта применимы дискретные численные или символьные переменные. Аналоговый тип же предназначен для обработки большого потока информации. Естественно, первый вариант наиболее популярен среди пользователей.

К аналоговым ныне стоит отнести номограммы, логарифмические линейки, астролябии, осциллографы, телевизоры и даже мозг.

Применение

Возвращаясь к главной теме статьи «Для чего можно использовать компьютер», важно понять, что до сих пор полный спектр выполняемых им задач трудно исследовать. И вряд ли все текущие процессы, которые компьютер исполняет, являются пределом его возможностей.
зачем нужны сверхбыстрые компьютеры

Тем не менее, если говорить об общеизвестных методах использования, то первое, что приходит на ум: ПК востребован в работе и для развлечений. Последнее сейчас особенно популярно, а вместе с образовательной составляющей помогает многим студентам автоматизировать свое обучение и получать больше информации.

Развлечение

Все помнят об игре в шахматы с компьютером. Когда появилась такая возможность, люди просто поражались возможностям машины. Далее стали внедряться различные карточные игры и другие головоломки. Сейчас же охватить одним обзором все игры нереально. В мире проходят крупные турниры по компьютерным играм, которые собирают стадионы болельщиков, а призовые превышают 20 миллионов долларов.

О развлечениях нам напоминают не только геймерские ПК и ноутбуки, но и игровые приставки, карманные ПК и смартфоны. Последние, конечно, имеют рабочие функции, но все же частенько используются в качестве развлекающего девайса, который помогает скоротать время в дороге.
зачем нужны сверхбыстрые компьютеры

Помимо игр в шахматы с компьютером и вообще разнообразных геймерских проектов к развлечениям относят просмотр кино, роликов и телепередач, прослушивание аудиозаписей, радиостанций или книг. Виртуальные походы в музеи, театры, на выставки, представления и т.д.

Образование

Многие молодые люди стали забывать, что компьютер, помимо развлечений, предназначен для обучения. Это его одна из самых важных функций, которая позволяет не только дополнять имеющиеся знания, но и приобретать новые. Так, сидя за компьютером, мы легко проходим дистанционное обучение, занимаемся самообразованием, читаем книги, слушаем и смотрим видеокурсы, осваиваем разнообразные процессии и расширяем кругозор.

Сферы применения компьютера настолько разнообразны, что часто переплетаются между собой. Так, к примеру, общение и образование легко помогает нам изучать новые языки или находить друзей по всему миру.
зачем нужны сверхбыстрые компьютеры

Общение

То, что ПК применяется в качестве средства для общения, не стоит и упоминать. Об этом знают все. Сейчас использование компьютера в качестве платформы для знакомства и общения, наоборот, вызывает определенные проблемы общества. Люди становятся зависимыми от социальных сетей, форумов и блогов. Хотя, если рассматривать этот вариант с положительной стороны, то компьютер и вправду облегчил нам знакомство с людьми из разных уголков земного шара.

Он сделал коммуникацию оперативной, облегчил получение данных как для работы, так для учебы и других задач.

Работа

Компьютер для работы, несомненно, также важный инструмент. Сейчас трудно представить кого-то из сотрудников, кто не использовал бы это устройство. В магазинах продавцы вносят артикулы продуктов в ПК, осуществляют безналичный расчет через терминалы и т.д.
зачем нужны сверхбыстрые компьютеры

Крупные компании благодаря компьютерам настраивают рабочую сеть для передачи данных, их быстрого исправления и корректировки. Некоторые крупные предприятия устанавливают на свои ПК огромные системные программы для управления компанией. Также неудивительно встретить ПК на рабочем столе писателя, журналиста или копирайтера, ведь печатные машинки давно вышли из моды и стали лишь интересным аксессуаром или украшением интерьера.

В итоге, если вы до сих пор не знаете, зачем нужны компьютеры, то подумайте, с помощью чего люди создают изображения, рисунки, редактируют их, основывают сайты, верстают книгу, журнал, газету, различные печатные материалы и электронные форматы. Как сейчас создается музыка и кино, как работают с математическими вычислениями. Наконец, кто проектирует, конструирует, чертит или программирует.

Профессии

Если говорить о более конкретных задачах, то сейчас практически все и каждый может сказать вам, зачем нужны компьютеры и где их применяют. Так, в военном деле системой противоракетной обороны или космосом управляют ПК. Все физические явления или исследования построенных моделей разрабатывается с помощью автоматизированной техники.

Проведение математических, химических, физических и других анализов и вычислений осуществляется машинами. Рабочие места давно автоматизировались, причем не только у тех, кто связан с расчетами, но даже у врачей.
зачем нужны сверхбыстрые компьютеры

Строительство на этапе проектирования также автоматизировано и регулируется системами ПК. Все крупные мероприятия, в том числе соревнования, развлекательные шоу и т.д. поддерживаются благодаря компьютеру и людям, которые им управляют.

В общем, описать степень важности ПК в жизни каждого человека, общества и государства в целом очень трудно. Сейчас, куда ни глянь, мы видим компьютер в разных своих модификациях. С появлением интернета этот механизм прочно проник в нашу жизнь, для некоторых заменил телевизор и традиционные СМИ, общение с друзьями и родственниками. Другим стал незаменимым помощником в работе и учебе, а кому-то — работодателем.

Share on FacebookPin on PinterestShare on Google+Tweet about this on TwitterShare on LinkedInShare on VKShare on StumbleUpon

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *