Viimastel aastatel on arvutidisaini ja -tootmisettevõtted töötanud väsimatult. Selle tulemusena kasvab tehnoloogia hulk maailmas plahvatuslikult.

Kõige võimsamad arvutid

Just hiljuti ei teadnud maailm DirectX10-st ning FarCry või NFS Underground 2 graafika tundus olevat arvutivõimaluste tipp. Kunagi tundus 600 megabaidist infot mahutav ketas tehnika imena, kuid nüüd on terabaidised mälukaardid vabalt saadaval.

Superarvutite valdkonnas juhtub palju sama. 1993. aastal tuli Tennessee ülikooli professor Jack Dongarra ideele luua maailma võimsaimate arvutite edetabel. Sellest ajast alates on seda nimekirja nimega TOP500 uuendatud kaks korda aastas: juunis ja novembris.

Aeg möödub ja 90ndate alguse superarvutite reitingute liidrid on isegi tavaliste arvutikasutajate standardite järgi juba jumalatult vananenud. Niisiis, esimene 1993. aastal oli Thinking Machinesi kokkupandud CM-5/1024: 1024 protsessorit taktsagedusega 32 MHz, arvutuskiirus 59,7 gigaflopsi – pisut kiirem kui tavaline 8-tuumaline arvuti, mis on teie laua all. Milline on täna parim arvuti?

Sunway TaihuLight

Veel viis aastat tagasi hoidsid võimsuse poolest palmi järjekindlalt USA-s valmistatud superarvutid. 2013. aastal haarasid Hiina teadlased juhtimise enda kätte ja ilmselt ei kavatse nad sellest loobuda.

Hetkel peetakse maailma võimsaimaks arvutiks Sunway TaihuLighti (tõlkes “Taihu järve jumalik valgusjõud”), suurejoonelist masinat, mille arvutuskiirus on 93 petaflopsi (maksimaalne kiirus - 125,43 petaflopsi). See on 2,5 korda võimsam kui eelmine rekordiomanik - superarvuti Tianhe-2, mida peeti kõige võimsamaks kuni 2016. aasta juunini.

Sunway Taihulightil on 10,5 miljonit sisseehitatud tuuma (40 960 protsessorit, millest igaühel on 256 andmetöötlus- ja 4 juhttuuma).

Selline näeb välja 2016. aasta võimsaim arvuti

Kõik seadmed töötati välja ja toodeti Hiinas, samas kui eelmise võimsaima arvuti protsessorid tootis Ameerika ettevõte Intel. Sunway TaihuLighti maksumus on hinnanguliselt 270 miljonit dollarit. Superarvuti asub Wuxi maakonna riiklikus superarvutikeskuses.

Möödunud aastate rekordiomanikud

Kuni 2016. aasta juunini (ja TOP500 nimekirja uuendatakse igal juunil ja novembril) oli võimsaim ja kiireim arvuti Tianhe-2 supermasin (hiina keelest tõlgitud kui “Linnutee”), mis töötati välja Hiinas kaitseteaduse ja tehnoloogia ülikoolis aastal. Changsha firma Inspur abiga.

Tianhe-2 võimsus võimaldab 2507 triljonit operatsiooni sekundis (33,86 petaflopsi sekundis), tippjõudlus on 54,9 petaflopsi. Hiina arendus on selle edetabeli tipus olnud alates selle käivitamisest 2013. aastal – see on uskumatult muljetavaldav näitaja!

Superarvuti Tianhe-2

Tianhe-2 omadused on järgmised: 16 tuhat sõlme, 32 tuhat 12-tuumalist Intel Xeon E5-2692 protsessorit ja 48 tuhat 57-tuumalist Intel Xeon Phi 31S1P kiirendit, mis tähendab kokku 3 120 000 tuuma; 256 tuhat 4 GB DDR3 RAM-i ja 176 000 GDDR5 8 GB mälupulka – kokku 2 432 000 GB muutmälu. Kõvaketta maht on üle 13 miljoni GB. Kuid te ei saa sellega mängida - see on mõeldud ainult arvutite jaoks ja Milky Way 2-sse pole installitud videokaarti. Eelkõige aitab see metroo paigaldamise ja linnaarenduse arvutuste tegemisel.

Jaguar

Pikka aega oli edetabeli tipus USA superarvuti Jaguar. Mille poolest see teistest erineb ja millised on selle tehnilised eelised?

Superarvuti nimega Jaguar koosneb suurest hulgast sõltumatutest rakkudest, mis on jagatud kaheks osaks – XT4 ja XT5. Viimane jaotis sisaldab täpselt 18688 arvutuslahtrit. Igas rakus on kaks kuuetuumalist AMD Opteron 2356 protsessorit sagedusega 2,3 GHz, 16 GB DDR2 RAM-i ja SeaStar 2+ ruuterit. Võimsama arvuti loomiseks mängimiseks piisaks isegi ühest lahtrist sellest jaotisest. Jaotis sisaldab ainult 149 504 arvutituuma, tohutul hulgal RAM-i - rohkem kui 300 TB, samuti jõudlust 1,38 Petaflopsi ja rohkem kui 6 petabaiti kettaruumi.

Arvutikoletise ehitamine

XT4 sektsioon sisaldab 7832 rakku. Nende omadused on tagasihoidlikumad kui eelmisel XT5 sektsioonil: igas lahtris on üks kuuetuumaline protsessor sagedusega 2,1 GHz, 8 GB muutmälu ja SeaStar 2 ruuter Kokku on sektsioonis 31 328 arvutustuuma ja rohkem kui 62 TB mälu, 263 TFLOPSi tippjõudlus ja üle 600 TB kettaruumi. Jaguari superarvuti töötab oma operatsioonisüsteemis Cray Linux Environment.

IBMi vaimusünnitaja Jaguari taga hingab sisse veel üks arvuti – Roadrunner. Kõige võimsam arvutikoletis on võimeline arvutama kuni 1000 000 000 000 operatsiooni sekundis. See töötati välja spetsiaalselt Los Alamose energeetikaministeeriumi riikliku tuumajulgeoleku administratsiooni jaoks. Selle superarvuti abil kavatsesid nad jälgida kõigi Ameerika Ühendriikides asuvate tuumarajatiste tööd.

Road Runneri maksimaalne töötlemiskiirus on umbes 1,5 petaflopsi. Me räägime 3456 originaalse kolme teraga serveri koguvõimsusest, millest igaüks on võimeline tegema umbes 400 miljardit toimingut sekundis (st 400 gigaflopsi). Roadrunneri sees on umbes 20 tuhat suure jõudlusega kahetuumalist protsessorit - 12 960 Cell Broadband Engine ja 6948 AMD Opteron, IBMi enda vaimusünnitus. Sellise superarvuti süsteemimälu on 80 terabaiti.

Kui palju see tehnikaime siis ruumi võtab? Masin asub 560 ruutmeetri suurusel alal. Ja kogu osakonna varustus on pakendatud algse arhitektuuriga serveritesse. Kogu tehnika kaalub umbes 23 tonni. Nii et selle transportimiseks on riikliku tuumajulgeoleku administratsiooni töötajatel vaja vähemalt 21 suurt traktorit.

Paar sõna selle kohta, mis on petaflops. Üks petaflop on ligikaudu võrdne 100 tuhande kaasaegse sülearvuti koguvõimsusega. Kui proovida ette kujutada, võivad need sillutada peaaegu kahe ja poole kilomeetri pikkuse tee. Veel üks ligipääsetav võrdlus: 46 aasta jooksul kasutab kogu planeedi elanikkond kalkulaatoreid, et teha arvutusi, mida Roadrunner suudab teha ühe päevaga. Kas kujutate ette, kui vähe meie reitingu liider Sunway TaihuLigh vajab?

Titan

2012. aastal tõi USA energeetikaministeeriumi Oak Ridge'i riiklik laboratoorium turule superarvuti Titan, mille kiirus on 20 petaflopsi – teisisõnu suudab see ühe sekundi jooksul sooritada kvadriljoni ujukomaoperatsiooni.

Titani töötas välja Cray. Lisaks Titanile on Ameerika spetsialistid viimastel aastatel välja töötanud veel kaks superarvutit. Üks neist - Mira - on mõeldud tööstuslike ja teadusuuringute vajadusteks ning teise - Sequoia - abil simuleeritakse tuumarelvakatsetusi. Kõigi nende arengute taga on IBM Corporation.

Venemaa võimsaim arvuti

Paraku on Venemaa võimsaimaks arvutiks tunnistatud Venemaa arendus “Lomonosov-2” TOP500-s alles 41. kohal (2016. aasta juuni seisuga). See asub Moskva Riikliku Ülikooli Teadusliku Arvutuskeskuse juures. Kodumaise superarvuti võimsus on 1849 petaflopsi, tippvõimsus umbes 2,5 petaflopsi. Südamike arv: 42 688.

Tellige meie kanal Yandex.Zenis

Superarvuti Titan

Inimesed ei lenda ikka veel Marsile, vähki pole veel välja ravitud ja me pole naftasõltuvusest vabanenud. Ja ometi on valdkondi, kus inimkond on viimastel aastakümnetel teinud uskumatuid edusamme. Arvutite arvutusvõimsus on vaid üks neist.

Kaks korda aastas avaldavad Lawrence Berkeley riikliku labori ja Tennessee ülikooli eksperdid Top 500, mis pakub nimekirja maailma võimsaimatest superarvutitest.

Pisut ettepoole vaadates soovitame neid numbreid eelnevalt maitsta: esikümne esindajate produktiivsust mõõdetakse kümnetes kvadriljonites floppides. Võrdluseks: ajaloo esimese arvuti ENIAC võimsus oli 500 floppi; Tänapäeval on keskmisel personaalarvutil sadu gigaflopse (miljardeid floppe), iPhone 6-l on ligikaudu 172 gigaflopsi ja PS4-l 1,84 teraflopsi (triljonit floppi).

Relvastatud 2014. aasta novembri viimase Top 500-ga, otsustas Naked Science välja selgitada, millised on maailma 10 võimsaimat superarvutit ja milliste probleemide lahendamiseks on vaja nii tohutut arvutusvõimsust.

Asukoht: USA
Jõudlus: 3,57 petaflopsi
Teoreetiline maksimaalne jõudlus: 6,13 petaflopsi
Võimsus: 1,4 MW

Nagu peaaegu kõik kaasaegsed superarvutid, sealhulgas kõik selles artiklis esitatud superarvutid, koosneb CS-Storm paljudest protsessoritest, mis on ühendatud üheks arvutivõrguks, mis põhineb massiliselt paralleelse arhitektuuri põhimõttel. Tegelikkuses koosneb see süsteem paljudest elektroonikaga riiulitest ("kappidest") (mitmetuumalistest protsessoritest koosnevad sõlmed), mis moodustavad terveid koridore.

Cray CS-Storm on terve rida superarvutiklastreid, kuid üks neist paistab siiski teiste seast silma. Täpsemalt on see salapärane CS-Storm, mida USA valitsus kasutab teadmata eesmärkidel ja teadmata asukohas.

Teada on see, et Ameerika ametnikud ostsid Ameerika firmalt Cray energiatarbimiselt ülitõhusa (2386 megaflopsi 1 vatti kohta) CS-Stormi, mille tuumade koguarv on ligi 79 tuhat.

Tootja kodulehel on aga kirjas, et CS-Stormi klastrid sobivad suure jõudlusega andmetöötluseks küberturvalisuse, georuumilise luure, mustrituvastuse, seismilise andmetöötluse, renderdamise ja masinõppe valdkondades. Kusagil selles sarjas on ilmselt valitsuse CS-Stormi kasutamine paika loksunud.

CRAY CS-STORM

9. Vulcan – Blue Gene/Q

Asukoht: USA
Jõudlus: 4,29 petaflopsi
Teoreetiline maksimaalne jõudlus: 5,03 petaflopsi
Võimsus: 1,9 MW

“Vulcan” töötas välja Ameerika ettevõte IBM, see kuulub Blue Gene’i perekonda ja asub Lawrence Livermore’i riiklikus laboris. USA energeetikaministeeriumile kuuluv superarvuti koosneb 24 püstikust. Klaster alustas tegevust 2013. aastal.

Erinevalt juba mainitud CS-Stormist on Vulcani kasutusala hästi teada – erinevad teadusuuringud, sh energeetika vallas, näiteks loodusnähtuste modelleerimine ja suurte andmemahtude analüüsimine.

Erinevad teadusrühmad ja ettevõtted saavad juurdepääsu superarvutile, esitades taotluse samas Livermore'i riiklikus laboris asuvale kõrgjõudlusega andmetöötluse innovatsioonikeskusele (HPC Innovation Center).

Superarvuti Vulcan

8. Juqueen – Blue Gene/Q

Asukoht: Saksamaa
Jõudlus: 5 petaflopsi
Teoreetiline maksimaalne jõudlus: 5,87 petaflopsi
Võimsus: 2,3 MW

Juqueen on alates turuletoomisest 2012. aastal olnud võimsalt teine superarvuti Euroopas ja esimene Saksamaal. Sarnaselt Vulcanile töötas selle superarvutiklastri välja IBM projekti Blue Gene raames ja see kuulub samasse põlvkonda Q.

Superarvuti asub ühes Euroopa suurimas uurimiskeskuses Jülichis. Seda kasutatakse vastavalt – suure jõudlusega andmetöötluseks erinevates teadusuuringutes.

Juqueeni superarvuti

7. Stampede – PowerEdge C8220

Asukoht: USA
Jõudlus: 5,16 petaflopsi
Teoreetiline maksimaalne jõudlus: 8,52 petaflopsi
Võimsus: 4,5 MW

Texases asuv Stampede on ainus kobar Top 500 esikümnes, mille töötas välja Ameerika ettevõte Dell. Superarvuti koosneb 160 riiulist.

See superarvuti on maailma võimsaim nende hulgas, mida kasutatakse eranditult teadusuuringuteks. Juurdepääs Stampede rajatistele on avatud teadusrühmadele. Klastrit kasutatakse paljudes teadusvaldkondades – alates inimaju täpsest tomograafiast ja maavärinate ennustamisest kuni muusika ja keelestruktuuride mustrite tuvastamiseni.

Superarvuti hoog

6. Piz Daint – Cray XC30

Asukoht: Šveits
Jõudlus: 6,27 petaflopsi
Teoreetiline maksimaalne jõudlus: 7,78 petaflopsi
Võimsus: 2,3 MW

Šveitsi riiklik superarvutikeskus (CSCS) uhkeldab Euroopa võimsaima superarvutiga. Alpi mäe järgi nime saanud Piz Daint töötas välja Cray ja see kuulub XC30 perekonda, mille sees on see kõige produktiivsem.

Piz Dainti kasutatakse erinevatel uurimiseesmärkidel, näiteks arvutisimulatsioonidel kõrgenergia füüsika valdkonnas.

Superarvuti Piz Daint

5. Mira – Blue Gene/Q

Asukoht: USA
Jõudlus: 8,56 petaflopsi
Teoreetiline maksimaalne jõudlus: 10,06 petaflopsi
Võimsus: 3,9 MW

Superarvuti Mira töötas IBM välja projekti Blue Gene raames 2012. aastal. Argonne'i riikliku labori kõrgjõudlusega andmetöötluse osakond, kus klaster asub, loodi valitsuse rahastamisel. Arvatakse, et Washingtoni huvi suurenemine superarvutitehnoloogia vastu 2000. aastate lõpus ja 2010. aastate alguses on tingitud rivaalitsemisest Hiinaga selles valdkonnas.

48 riiulil asuvat Mirat kasutatakse teaduslikel eesmärkidel. Superarvutit kasutatakse näiteks kliima ja seismiliseks modelleerimiseks, mis võimaldab saada täpsemaid andmeid maavärinate ja kliimamuutuste ennustamiseks.

Superarvuti Mira

4. K Arvuti

Asukoht: Jaapan
Jõudlus: 10,51 petaflopsi
Teoreetiline maksimaalne jõudlus: 11,28 petaflopsi
Võimsus: 12,6 MW

Fujitsu poolt välja töötatud ja Kobes asuvas füüsikalis-keemiliste uuringute instituudis asuv K Computer on ainus Jaapani superarvuti, mis on jõudnud 500 parima kümnendiku hulka.

Omal ajal (juuni 2011) saavutas see klaster edetabelis esikoha, saades üheks aastaks maailma tootlikumaks arvutiks. Ja 2011. aasta novembris sai K Computer ajaloos esimeseks, mille võimsus ületas 10 petaflopsi.

Superarvutit kasutatakse paljudes uurimisülesannetes. Näiteks looduskatastroofide prognoosimiseks (mis on Jaapani jaoks oluline piirkonna suurenenud seismilise aktiivsuse ja riigi kõrge haavatavuse tõttu tsunami korral) ja arvutimodelleerimiseks meditsiini valdkonnas.

Superarvuti K

3. Sequoia – sinine geen/Q

Asukoht: USA
Jõudlus: 17.17 petaflopsi
Teoreetiline maksimaalne jõudlus: 20,13 petaflopsi
Võimsus: 7,8 MW

Reitingu esikümnesse kuuluvast neljast Blue Gene/Q perekonna superarvutist võimsaim asub Ameerika Ühendriikides Livermore'i riiklikus laboris. IBM töötas välja Sequoia riikliku tuumajulgeoleku administratsiooni (NNSA) jaoks, mis vajas suure jõudlusega arvutit väga konkreetsel eesmärgil: tuumaplahvatuste simuleerimiseks.

Tasub mainida, et reaalsed tuumakatsetused on keelatud alates 1963. aastast ning arvutisimulatsioon on üks vastuvõetavamaid võimalusi selles valdkonnas uurimistöö jätkamiseks.

Superarvuti võimsust kasutati aga muude, palju õilsamate probleemide lahendamiseks. Näiteks õnnestus klastril püstitada jõudlusrekordeid kosmoloogilises modelleerimises, aga ka inimese südame elektrofüsioloogilise mudeli loomisel.

Sequoia superarvuti

2. Titan – Cray XK7

Asukoht: USA
Jõudlus: 17.59 petaflopsi
Teoreetiline maksimaalne jõudlus: 27,11 petaflopsi
Võimsus: 8,2 MW

Kõige produktiivsem superarvuti, mis eales läänes loodud, ja ka võimsaim Cray kaubamärgi all olev arvutiklaster asub Ameerika Ühendriikides Oak Ridge'i riiklikus laboris. Hoolimata sellest, et USA energeetikaministeeriumi käsutuses olev superarvuti on ametlikult saadaval igasuguste teadusuuringute jaoks, ületas 2012. aasta oktoobris, kui Titan turule tuli, rakenduste arv kõik piirid.

Seetõttu kutsuti Oak Ridge'i laborisse kokku spetsiaalne komisjon, kes valis 50 taotluse hulgast välja vaid 6 kõige „edasijõudnumat“ projekti. Nende hulgas näiteks neutronite käitumise modelleerimine tuumareaktori südames, aga ka globaalsete kliimamuutuste prognoosimine järgmiseks 1-5 aastaks.

Vaatamata arvutusvõimsusele ja muljetavaldavatele mõõtmetele (404 ruutmeetrit) ei pidanud Titan pjedestaalil kaua vastu. Vaid kuus kuud pärast triumfi 2012. aasta novembris tõrjus Ameerika uhkuse kõrgjõudlusega andmetöötluse vallas ootamatult välja ida põliselanik, ületades edetabeli senised liidrid enneolematult.

Superarvuti Titan

1. Tianhe-2 / Linnutee-2

Asukoht: Hiina
Jõudlus: 33,86 petaflopsi
Teoreetiline maksimaalne jõudlus: 54,9 petaflopsi
Võimsus: 17,6 MW

Alates esimesest käivitamisest on Tianhe-2 ehk Linnutee-2 olnud Top-500 liider umbes kaks aastat. See koletis on pea kaks korda võimsam kui edetabelis nr 2 – superarvuti TITAN.

Rahvavabastusarmee kaitseteaduse ja tehnoloogia ülikooli ning Inspuri poolt välja töötatud Tianhe-2 koosneb 16 tuhandest sõlmest, mille tuumade koguarv on 3,12 miljonit. Selle 720 ruutmeetri suuruse kolossaalse struktuuri RAM on 1,4 petabaiti ja salvestusseade 12,4 petabaiti.

Linnutee 2 loodi Hiina valitsuse algatusel, mistõttu pole üllatav, et selle enneolematu jõud näib teenivat riigi vajadusi. Ametlikult teatati, et superarvuti tegeleb erinevate simulatsioonidega, analüüsides tohutuid andmemahtusid ning tagades ka Hiina riikliku julgeoleku.

Arvestades Hiina sõjalistele projektidele omast salastatust, võib vaid oletada, millist kasutust Linnutee-2 Hiina armee käes aeg-ajalt leiab.

Superarvuti Tianhe-2

Avaleht → Kodumaise arvutitehnoloogia ajalugu → Superarvutid

Superarvutid

Andrei Borzenko

Superarvutid on kiireimad arvutid. Nende peamine erinevus suurarvutitest on järgmine: sellise arvuti kõik ressursid on tavaliselt suunatud ühe või vähemalt mitme ülesande võimalikult kiirele lahendamisele, samas kui suurarvutid täidavad reeglina üsna suurt hulka ülesandeid, mis konkureerivad igaühega. muud. Arvutitööstuse kiire areng määrab põhikontseptsiooni suhtelisuse – see, mida kümme aastat tagasi võis nimetada superarvutiks, ei kuulu tänapäeval enam selle määratluse alla. Superarvutil on ka humoorikas definitsioon – see on seade, mis taandab arvutusprobleemi sisend-väljund probleemiks. Siiski on selles oma tõde: sageli on kiire süsteemi ainsaks kitsaskohaks I/O-seadmed. Millised superarvutid on hetkel maksimaalse jõudlusega, saate teada maailma viiesaja võimsaima süsteemi ametlikust nimekirjast – Top500 (http://www.top500.org), mis avaldatakse kaks korda aastas.

Igas arvutis on kõik peamised parameetrid tihedalt seotud. Raske on ette kujutada universaalset arvutit, millel on suur jõudlus ja napp RAM või tohutu RAM ja väike kettaruum. Sel põhjusel iseloomustab superarvuteid praegu mitte ainult maksimaalne jõudlus, vaid ka maksimaalne muutmälu ja kettamälu. Selliste tehniliste omaduste pakkumine on üsna kulukas - superarvutite hind on äärmiselt kõrge. Millised ülesanded on nii olulised, et nende jaoks on vaja süsteeme, mis maksavad kümneid või sadu miljoneid dollareid? Reeglina on tegemist laia rakendusvõimalusega fundamentaalsete teaduslike või tehniliste arvutusprobleemidega, mille tõhus lahendamine on võimalik vaid võimsate arvutusressursside olemasolul. Siin on vaid mõned valdkonnad, kus seda tüüpi probleemid tekivad:

ilmastiku, kliima ja globaalsete atmosfäärimuutuste prognoosid;
materjaliteadus;
pooljuhtseadmete ehitus;
ülijuhtivus;
struktuuribioloogia;
ravimite arendamine;
inimese geneetika;
kvantkromodünaamika;
astronoomia;
autotööstus;
transpordiülesanded;
hüdro- ja gaasidünaamika;
juhitav termotuumasünteesi;
kütuse põlemissüsteemide tõhusus;
nafta ja gaasi uurimine;
arvutusprobleemid ookeaniteadustes;
kõnetuvastus ja süntees;
pildituvastus.

Superarvutid arvutavad väga kiiresti tänu mitte ainult moodsaima elemendibaasi kasutamisele, vaid ka uutele lahendustele süsteemiarhitektuuris. Peamine koht on siin hõivatud paralleelse andmetöötluse põhimõttel, mis hõlmab mitme toimingu samaaegse (paralleelse) teostamise ideed. Paralleeltöötlust on kahte tüüpi: konveier ja tegelik paralleelsus. Konveieri töötlemise olemus on tõsta esile üldise toimingu sooritamise üksikud etapid ja iga etapp, olles oma töö lõpetanud, edastab tulemuse järgmisele, võttes samal ajal vastu uue osa sisendandmetest. Ilmne töötlemiskiiruse suurenemine saavutatakse eelnevalt vahedega tehtud toimingute kombineerimisel.

Kui teatud seade teeb ühe toimingu ajaühikus, siis teeb see tuhandes ühikus tuhat toimingut. Kui on viis identset sõltumatut seadet, mis on võimelised samaaegselt töötama, siis viie seadme süsteem suudab teha sama tuhat toimingut mitte tuhande, vaid kahesaja ajaühikuga. Samamoodi teeb N seadmest koosnev süsteem sama tööd 1000/N ajaühikus.

Muidugi üllatab tänapäeval väheseid inimesi arvutiarhitektuuri paralleelsus. Kõik kaasaegsed mikroprotsessorid kasutavad mingit paralleeltöötlust, isegi samas kiibis. Samas tekkisid need ideed ise väga kaua aega tagasi. Algselt rakendati neid oma aja kõige arenenumates ja seega üksikutes arvutites. Siin läheb erikrediit IBM-ile ja Control Data Corporationile (CDC). Jutt käib sellistest uuendustest nagu bit-paralleelmälu, bitparallel-aritmeetika, sõltumatud sisend/väljundprotsessorid, käsukonveier, konveierist sõltumatud funktsionaalüksused jne.

Tavaliselt seostatakse sõna "superarvuti" Cray arvutitega, kuigi tänapäeval pole see kaugeltki nii. Esimese superarvuti arendajaks ja peadisaineriks oli arvutitööstuse üks legendaarsemaid tegelasi Seymour Cray. 1972. aastal lahkus ta CDC-st ja asutas oma ettevõtte Cray Research. Esimene superarvuti CRAY-1 töötati välja neli aastat hiljem (1976. aastal) ja sellel oli vektor-konveieri arhitektuur koos 12 konveierfunktsionaalse üksusega. Cray-1 tippjõudlus oli 160 MT/s (12,5 ns kellaaeg) ja 64-bitise RAM-i (mida sai laiendada 8 MB-ni) tsükliaeg oli 50 ns. Peamine uuendus oli loomulikult vektorkäskude kasutuselevõtt, mis töötavad tervete sõltumatute andmete massiividega ja võimaldavad efektiivselt kasutada konveieri funktsionaalseid seadmeid.

Maailma superarvutite tootmise liidrite tähelepanu oli kogu 60-80ndatel keskendunud arvutussüsteemide tootmisele, mis suutsid hästi lahendada suuremahulisi ujukomaprobleeme. Sellistest ülesannetest puudust ei tulnud – peaaegu kõik need olid seotud tuumauuringute ja lennunduse modelleerimisega ning täideti sõjaväe huvides. Soov saavutada maksimaalne jõudlus võimalikult lühikese ajaga tähendas, et süsteemi kvaliteedi hindamise kriteeriumiks ei olnud selle hind, vaid jõudlus. Näiteks Cray-1 superarvuti maksis siis olenevalt konfiguratsioonist 4–11 miljonit dollarit.

80-90ndate vahetusel. Külm sõda lõppes ja sõjalised tellimused asendati kaubanduslikega. Selleks ajaks oli tööstus seeriaprotsessorite tootmisel suuri edusamme teinud. Nende arvutusvõimsus oli ligikaudu sama kui kohandatud arvutitel, kuid need olid oluliselt odavamad. Standardkomponentide ja muutuva arvu protsessorite kasutamine võimaldas mastaapsuse probleemi lahendada. Nüüd, kui arvutuskoormus kasvas, oli võimalik superarvuti ja selle välisseadmete jõudlust tõsta uute protsessorite ja I/O-seadmete lisamisega. Nii ilmus 1990. aastal Inteli iPSC/860 superarvuti protsessorite arvuga 128, mis näitas LINPACKi testis 2,6 Gflopsi jõudlust.

Mullu novembris ilmus 18. väljaanne maailma 500 võimsaima arvuti nimekirjast – Top500. Nimekirja liider on endiselt IBM Corporation (http://www.ibm.com), kellele kuulub 32% installitud süsteemidest ja 37% kogutootlikkusest. Huvitav uudis oli Hewlett-Packardi tõus süsteemide arvult teisele kohale (30%). Pealegi, kuna kõik need süsteemid on suhteliselt väikesed, on nende kogujõudlus vaid 15% kogu loendist. Pärast Compaqiga ühinemist peaks uus ettevõte nimekirjas domineerima. Arvutite arvu poolest on loendis järgmised SGI, Cray ja Sun Microsystems.

Maailma võimsaim superarvuti oli endiselt ASCI White süsteem (selle juurde tuleme hiljem tagasi), mis paigaldati Livermore'i laborisse (USA) ja näitas LINPACK testis 7,2 Tflopsi jõudlust (58% tippjõudlusest). Teisel kohal oli Pittsburghi superarvutuskeskusesse paigaldatud Compaq AlphaServer SC süsteem jõudlusega 4 Tflops. Cray T3E süsteem sulgeb loendi LINPACKi jõudlusega 94 Gflops.

Väärib märkimist, et loendis oli juba 16 süsteemi jõudlusega üle 1 teraflopsi, millest pooled paigaldas IBM. Väikestest SMP-plokkidest koosnevate süsteemide arv kasvab pidevalt - praegu on loendis 43 sellist süsteemi. Kuid suurem osa loendist on endiselt massiliselt paralleelsete süsteemide jaoks (50%), millele järgnevad suurtest SMP-süsteemidest koosnevad klastrid (29%).

Arhitektuuride tüübid

Paralleelarvutite klassifitseerimise peamine parameeter on jagatud või hajutatud mälu olemasolu. Midagi vahepealset on arhitektuurid, kus mälu on füüsiliselt jaotatud, kuid loogiliselt jagatud. Riistvaralisest vaatenurgast pakuvad paralleelsüsteemide rakendamiseks kaks peamist skeemi. Esimene neist on mitu eraldi süsteemi koos kohaliku mälu ja protsessoritega, mis suhtlevad mõnes keskkonnas sõnumeid saates. Teine on süsteemid, mis suhtlevad ühismälu kaudu. Laskumata praegu tehnilistesse üksikasjadesse, ütleme paar sõna tänapäevaste superarvutite arhitektuuritüüpide kohta.

Hajamäluga massiliselt paralleelsete süsteemide idee (Massively Parallel Processing, MPP) on üsna lihtne. Selleks võetakse tavalised mikroprotsessorid, millest igaüks on varustatud oma kohaliku mäluga ja ühendatud mingi lülitusmeediumi kaudu. Sellisel arhitektuuril on palju eeliseid. Kui vajate suurt jõudlust, saate lisada rohkem protsessoreid ja kui raha on piiratud või vajalik arvutusvõimsus on ette teada, on optimaalse konfiguratsiooni valimine lihtne. MPP-l on aga ka puudusi. Fakt on see, et protsessorite vaheline suhtlus on palju aeglasem kui andmetöötlus töötlejate endi poolt.

Jagatud mäluga paralleelarvutites jagatakse kogu RAM mitme identse protsessori vahel. See eemaldab eelmise klassi probleemid, kuid lisab uusi. Fakt on see, et ühismälule juurdepääsu omavate protsessorite arvu ei saa puhttehnilistel põhjustel suureks muuta.

Vektor-konveieri arvutite põhiomadused on loomulikult konveieri funktsionaalsed üksused ja vektorkäskude komplekt. Erinevalt traditsioonilisest lähenemisviisist töötavad vektorkäsud sõltumatute andmete tervetel massiividel, mis võimaldab saadaolevaid torujuhtmeid tõhusalt laadida.

Viimane suund rangelt võttes ei ole iseseisev, vaid pigem kombinatsioon eelnevast kolmest. Arvutussõlm moodustub mitmest protsessorist (traditsiooniline või vektor-pipeline) ja nende ühismälust. Kui saadud arvutusvõimsusest ei piisa, kombineeritakse mitu sõlme kiirete kanalitega. Nagu teate, nimetatakse sellist arhitektuuri klastriks.

MPP süsteemid

Massiivselt paralleelsed skaleeritavad süsteemid on loodud rakendusprobleemide lahendamiseks, mis nõuavad suurt arvutus- ja andmetöötlust. Vaatame neid lähemalt. Reeglina koosnevad need homogeensetest andmetöötlussõlmedest, sealhulgas:

üks või mitu keskseadet;
kohalik mälu (otsene juurdepääs teiste sõlmede mälule pole võimalik);
sideprotsessor või võrguadapter;
mõnikord kõvakettad ja/või muud sisend-/väljundseadmed.

Lisaks saab süsteemi lisada spetsiaalsed I/O sõlmed ja juhtsõlmed. Kõik need on ühendatud mingi sidemeediumi kaudu (kiire võrk, kommutaator jne). OS-i osas on kaks võimalust. Esimesel juhul töötab täisväärtuslik OS ainult juhtmasinas, samas kui iga sõlm töötab OS-i oluliselt vähendatud versiooni, pakkudes ainult selles asuva paralleelrakenduse haru toimimist. Teisel juhul töötab iga sõlm täisväärtuslikku UNIX-i sarnast OS-i.

Protsessorite arv hajusmälusüsteemides on teoreetiliselt piiramatu. Selliseid arhitektuure kasutades on võimalik ehitada skaleeritavaid süsteeme, mille jõudlus kasvab lineaarselt protsessorite arvuga. Muide, terminit “massiivselt paralleelsed süsteemid” kasutatakse tavaliselt selliste skaleeritavate arvukatete kohta, millel on palju (kümneid ja sadu) sõlme. Arvutussüsteemi skaleeritavus on vajalik arvutuste proportsionaalseks kiirendamiseks, kuid paraku sellest ei piisa. Probleemi lahendamisel piisava kasu saamiseks on vaja ka skaleeritavat algoritmi, mis suudab laadida kõik superarvuti protsessorid kasulike arvutustega.

Tuletagem meelde, et mitme protsessoriga süsteemides on programmide täitmiseks kaks mudelit: SIMD (ühe käsuvoo – mitu andmevoogu) ja MIMD (mitu käsuvoogu – mitu andmevoogu). Esimene eeldab, et kõik protsessorid täidavad sama käsku, kuid igaüks oma andmetel. Teises töötleb iga protsessor oma käsuvoogu.

Hajutatud mäluga süsteemides on teabe edastamiseks protsessorilt protsessorile vaja mehhanismi sõnumite edastamiseks arvutisõlmede ühendava võrgu kaudu. Sideseadmete ja programmide kõrgel tasemel toimimise üksikasjadest abstraktsiooniks kasutatakse tavaliselt sõnumite edastamise teeke.

Inteli superarvutid

Intel Corporation (http://www.intel.com) on superarvutite maailmas hästi tuntud. Selle hajutatud mäluga Paragoni mitmeprotsessorilised arvutid on muutunud sama klassikaks kui Cray Researchi vektor-pipeline arvutid.

Intel Paragon kasutab ühes sõlmes viit i860 XP protsessorit taktsagedusega 50 MHz. Mõnikord paigutatakse ühte sõlme erinevat tüüpi protsessorid: skalaar, vektor ja side. Viimase eesmärk on vabastada põhiprotsessor sõnumite edastamisega seotud toimingute tegemisest.

Uue paralleelarhitektuuri kõige olulisem omadus on sideseadmete tüüp. Sellest sõltuvad superarvuti töö kaks kõige olulisemat näitajat: protsessorite vahelise andmeedastuse kiirus ja ühe sõnumi edastamise üldkulu.

Ühendus on loodud pakkuma kiiret sõnumivahetust minimaalse latentsusega. See võimaldab ühendada rohkem kui tuhat heterogeenset sõlme piki kahemõõtmelist ristkülikukujulist võre topoloogiat. Enamiku rakenduste arendamise puhul võib aga lugeda, et mis tahes sõlme on kõigi teiste sõlmedega otse ühendatud. Ühendus on skaleeritav: selle läbilaskevõime suureneb koos sõlmede arvuga. Projekteerimisel püüdsid arendajad minimeerida kasutajaprotsesse teostavate protsessorite osalemist sõnumite edastamises. Selleks on kasutusele võetud spetsiaalsed sõnumitöötlusprotsessorid, mis asuvad sõlmeplaadil ja vastutavad sõnumiprotokolli töötlemise eest. Selle tulemusena ei häiri sõlmede põhiprotsessoreid probleemi lahendamisest. Eelkõige ei toimu kallist ülesandelt ülesandele ümberlülitumist ning rakendusprobleemide lahendamine toimub paralleelselt sõnumite vahetamisega.

Sõnumite tegelik edastamine toimub marsruutimissüsteemiga, mis põhineb võrgusõlmede ruuteri komponentidel (Mesh Router Components, MRC). Konkreetse sõlme MRC-juurdepääsu võimaldamiseks oma mälule on sõlmel ka spetsiaalne liidese võrgukontroller, mis on kohandatud VLSI, mis tagab samaaegse edastuse sõlme mällu ja mälust ning jälgib teate edastamise ajal tekkivaid vigu.

Intel Paragoni modulaarne disain teeb enamat kui lihtsalt skaleeritavuse toetamine. See võimaldab meil arvestada tõsiasjaga, et see arhitektuur on aluseks uutele arvutitele, mis põhinevad teistel mikroprotsessoritel või kasutavad uusi sõnumsidetehnoloogiaid. Skaleeritavus sõltub ka superarvuti erinevate plokkide tasakaalustamisest erinevatel tasemetel; vastasel juhul võib sõlmede arvu suurenedes kuskil süsteemis tekkida pudelikael. Seega on sõlmede kiirus ja mälumaht tasakaalustatud ühenduse ribalaiuse ja latentsusega ning sõlmede sees olevate protsessorite jõudlus on tasakaalus vahemälu ja RAM-i ribalaiusega jne.

Kuni viimase ajani oli üks kiiremaid arvuteid Intel ASCI Red – kiirendatud strateegilise andmetöötluse algatuse ASCI (Accelerated Strategic Computing Initiative) vaimusünnitus. Selles programmis osalevad kolm suurimat USA riiklikku laborit (Livermore, Los Alamos ja Sandia). 1997. aastal USA energeetikaministeeriumi jaoks loodud ASCI Red ühendab endas 9152 Pentium Pro protsessorit, sellel on 600 GB RAM-i ja kogujõudlus 1800 miljardit toimingut sekundis.

IBM superarvutid

Kui IBM Corporationi (http://www.ibm.com) skaleeritava paralleelarhitektuuriga universaalsed süsteemid SP (Scalable POWER parallel) ilmusid arvutiturule, saavutasid need kiiresti populaarsuse. Tänapäeval töötavad sellised süsteemid erinevates rakendusvaldkondades, nagu arvutuskeemia, õnnetuste analüüs, elektroonikaskeemide projekteerimine, seismiline analüüs, reservuaaride modelleerimine, otsuste tugi, andmeanalüütika ja online-tehingute töötlemine. SP-süsteemide edu määrab eelkõige nende mitmekülgsus, aga ka sõnumiedastusega hajutatud mälumudelil põhineva arhitektuuri paindlikkus.

Üldiselt on SP-superarvuti skaleeritav, massiliselt paralleelne üldotstarbeline andmetöötlussüsteem, mis koosneb RS/6000 tugijaamade komplektist, mis on ühendatud suure jõudlusega lülitiga. Tõepoolest, kes ei teaks näiteks superarvutit Deep Blue, mis suutis males alistada Garri Kasparovi? Kuid üks selle modifikatsioone koosneb 32 sõlmest (IBM RS/6000 SP), mis põhinevad 256 P2SC (Power Two Super Chip) protsessoril.

RS/6000 perekond on IBMi teise põlvkonna arvutid, mis põhinevad ettevõtte poolt 1970. aastate lõpus välja töötatud piiratud käsukomplekti arhitektuuril (RISC). Selle kontseptsiooni puhul kasutatakse arvutisüsteemis kogu töö tegemiseks väga lihtsat käskude komplekti. Kuna käsud on lihtsad, saab neid täita väga suure kiirusega ja ühtlasi tagavad need käivitatava programmi tõhusama rakendamise. RS/6000 perekond põhineb POWER-arhitektuuril (Performance Optimized by Advanced RISC arhitektuur) ja selle tuletistel - PowerPC, P2SC, POWER3 jne. Kuna POWER-arhitektuur ühendab RISC-arhitektuuri kontseptsioonid mõne traditsioonilisema kontseptsiooniga, on tulemuseks süsteem optimaalne üldine jõudlus.

RS/6000 SP süsteem pakub mitme protsessori võimsust kõige keerukamate andmetöötlusprobleemide lahendamiseks. SP lülitussüsteem on IBMi uusim uuendus suure ribalaiusega, latentsusvaba protsessoritevahelises suhtluses tõhusa paralleelarvutuse jaoks. Sobivaima süsteemikonfiguratsiooni valiku tagavad mitut tüüpi protsessorisõlmed, muutuva raami (rack) suurused ja mitmesugused täiendavad I/O võimalused. SP-d toetavad juhtivad tarkvaramüüjad sellistes valdkondades nagu paralleelandmebaasid ja reaalajas tehingute töötlemine, aga ka suuremad tehnilise tarkvara müüjad sellistes valdkondades nagu seismiline töötlemine ja insenerprojekteerimine.

IBM RS/6000 SP täiustab rakenduste võimalusi paralleeltöötlusega. Süsteem eemaldab jõudluspiirangud ja aitab vältida skaleerimisega ja jagamatute, eraldi täidetavate fragmentide olemasoluga seotud probleeme. Rohkem kui tuhande kliendiga üle maailma pakuvad SP-d lahendusi keerukate ja mahukate tehniliste ja kommertsrakenduste jaoks.

SP põhiseade on protsessori sõlm, millel on RS/6000 tööjaama arhitektuur. SP-sõlmesid on mitut tüüpi: õhukesed, laiad, kõrged, mis erinevad mitmete tehniliste parameetrite poolest. Näiteks POWER3-II-l põhinevad kõrged sõlmed sisaldavad kuni 16 protsessorit ja kuni 64 GB mälu, kuid Thin node'id võimaldavad mitte rohkem kui 4 protsessorit ja 16 GB mälu.

Süsteem on skaleeritav kuni 512 sõlmeni ning võimalik on kombineerida erinevat tüüpi sõlme. Sõlmed on paigaldatud riiulitesse (igas kuni 16 sõlme). SP suudab kettaid peaaegu lineaarselt skaleerida koos protsessorite ja mäluga, võimaldades reaalset juurdepääsu terabaitidele mälule. See võimsuse suurenemine muudab süsteemi ülesehitamise ja laiendamise lihtsamaks.

Sõlmed on omavahel ühendatud suure jõudlusega lülitiga (IBM high-performance switch), millel on mitmeastmeline struktuur ja mis töötab pakettkommutatsiooniga.

Igas SP-sõlmes töötab täielik AIX-i operatsioonisüsteem, mis võimaldab teil kasutada tuhandeid juba olemasolevaid AIX-i rakendusi. Lisaks saab süsteemisõlmi ühendada rühmadesse. Näiteks võivad mitmed sõlmed toimida Lotus Notesi serveritena, samas kui kõik teised töötlevad paralleelset andmebaasi.

Suurte süsteemide haldamine on alati keeruline ülesanne. SP kasutab selleks ühtset graafilist konsooli, mis kuvab riist- ja tarkvara olekuid, tööülesandeid ja kasutajateavet. Süsteemiadministraator, kasutades sellist konsooli (juhtimistööjaam) ja SP-le lisatud PSSP (Parallel Systems Support Programs) tarkvaratoodet, lahendab haldusülesandeid, sh paroolikaitse ja kasutajaõiguste haldamine, sooritatud ülesannete arvestus, prindihaldus, süsteemi jälgimine. , süsteemi käivitamine ja väljalülitamine.

Parim

Nagu juba märgitud, on Top500 (tabel) järgi meie aja võimsaim superarvuti ASCI White, mis võtab enda alla kahe korvpalliväljaku suuruse ala ja on paigaldatud Livermore'i riiklikusse laborisse. See sisaldab 512 SMP sõlme, mis põhinevad 64-bitistel POWER3-II protsessoritel (kokku 8192 protsessoril) ja kasutab uut Colony sidetehnoloogiat läbilaskevõimega umbes 500 MB/s, mis on peaaegu neli korda kiirem kui kõrgjõudlusega SP. lüliti.

Kümme parimat 500 (18. väljaanne)

positsioon	Tootja	Arvuti	Kuhu paigaldatud	Riik	aasta	Protsessorite arv
1	IBM	ASCI valge		USA	2000	8192
2	Compaq	AlphaServer SC	Pittsburghi superarvutikeskus	USA	2001	3024
3	IBM	SP Power3	NERSC energiauuringute instituut	USA	2001	3328
4	Intel	ASCI punane	Sandia riiklik labor	USA	1999	9632
5	IBM	ASCI Blue Pacific	Livermore'i riiklik labor	USA	1999	5808
6	Compaq	AlphaServer SC		USA	2001	1536
7	Hitachi	SR8000/MPP	Tokyo ülikool	Jaapan	2001	1152
8	SGI	ASCI Sinine mägi	Los Alamose riiklik labor	USA	1998	6144
9	IBM	SP Power3	Okeanograafiakeskus NAVOCEANO	USA	2000	1336
10	IBM	SP Power3	Saksa ilmateenistus	Saksamaa	2001	1280

Uue superarvuti arhitektuur põhineb end tõestanud massiliselt paralleelsel RS/6000 arhitektuuril ja tagab jõudluse 12,3 teraflopsi (triljonit operatsiooni sekundis). Süsteem sisaldab kokku 8 TB RAM-i, mis on jaotatud 16 protsessoriga SMP-sõlmede vahel, ja 160 TB kettamälu. Süsteemi tarnimiseks IBMi laboritest New Yorgi osariigis California osariigis Livermore'i oli vaja 28 veoautot.

Kõik süsteemisõlmed käitavad AIX OS-i. USA energeetikaministeeriumi teadlased kasutavad superarvutit keeruliste 3D-mudelite käitamiseks tuumarelvade ohutuse tagamiseks. Tegelikult on ASCI White kolmas samm ASCI viieetapilises programmis, mis plaanib 2004. aastal luua uue superarvuti. Üldiselt koosneb ASCI White kolmest eraldi süsteemist, millest White on suurim (512 sõlme, 8192 protsessorit), ja seal on ka Ice (28 sõlme, 448 protsessorit) ja Frost (68 sõlme, 1088 protsessorit).

ASCI White'i eelkäija oli Blue Pacific superarvuti (ASCI Blue teine nimi), mis sisaldas 1464 nelja protsessoriga sõlme, mis põhinesid PowerPC 604e/332 MHz kristallidel. Sõlmed on ühendatud üheks süsteemiks kaablite abil kokku ligi viie miili ulatuses ja arvutiruumi pindala on 8 tuhat ruutjalga. ASCI Blue süsteem koosneb kokku 5856 protsessorist ja tagab 3,88 teraflopsi tippjõudluse. RAM-i kogumaht on 2,6 TB.

Superarvuti koosneb kilomeetritest kaablitest.

USA Riiklik Atmosfääriuuringute Keskus (NCAR) valis IBMi maailma võimsaima kliimamuutuste ennustamiseks loodud superarvuti tarnijaks. Blue Sky nime all tuntud süsteem suurendab sel aastal NCAR-i kliimamodelleerimisvõimet suurusjärgu võrra, kui see sel aastal täielikult tööle hakkab. Blue Sky tuumaks saavad IBM SP superarvuti ja IBM eServer p690 süsteemid, mille kasutamisel saavutatakse tippjõudlus peaaegu 7 Tflopsi IBM SSA ketta alamsüsteemi mahuga 31,5 TB.

Superarvuti nimega Blue Storm luuakse Euroopa Keskmise Ilmaennustuste Keskuse (ECMWF) tellimusel. Blue Storm on kaks korda võimsam kui ASCI White. Selle loomiseks vajate 100 IBM eServer p690 serverit, tuntud ka kui Regatta. Iga külmiku suurune süsteemiüksus sisaldab rohkem kui tuhat protsessorit. 2004. aastal varustatakse Blue Storm uue põlvkonna p960 serveritega, mis muudavad selle kaks korda võimsamaks. Superarvuti töötab AIX OS-iga. Esialgu on Blue Stormi draivide kogumaht 1,5 petabaiti ja arvutusvõimsus umbes 23 teraflopsi. Süsteem kaalub 130 tonni ja on 1700 korda võimsam kui Deep Blue male superarvuti.

IBM-i teadlased töötavad koos Livermore'i riikliku laboriga Blue Gene/L ja Blue Gene/C arvutitega. Need arvutid on osa 5-aastasest Blue Gene'i projektist, mis sai alguse juba 1999. aastal valkude uurimiseks ja millesse investeeriti 100 miljonit dollarit. 2004. aastal valmib uue superarvuti Blue Gene/L (200 teraflopsi) loomine. kuus kuud – aasta varem, kui eeldati võimsama Blue Gene/C arvuti (1000 teraflopsi) tööde lõpetamist. Blue Gene/L disaini jõudlus ületab seega maailma 500 võimsaima arvuti kombineeritud jõudluse. Samal ajal võtab uus superarvuti enda alla pindala, mis võrdub vaid poole tenniseväljakuga. IBM-i insenerid töötasid ka energiatarbimise vähendamise nimel – neil õnnestus seda vähendada 15 korda.

Märkmed

LINPACK testid.
LINPACKi võrdlusalused põhinevad reaalarvuväljal tiheda koefitsientide maatriksiga lineaarsete võrrandite süsteemi lahendamisel, kasutades Gaussi eliminatsiooni. Reaalarvud esitatakse tavaliselt täie täpsusega. Kuna reaalarvudega tehteid on palju, peetakse LINPACKi tulemusi riist- ja tarkvara konfiguratsioonide jõudluse etaloniks valdkondades, kus kasutatakse intensiivselt keerulisi matemaatilisi arvutusi.

Maa simulaator.
Ajakirja New Scientist andmetel saab superarvutite Top500 nimekirja uues, 19. versioonis esikoha NEC Corporationi projekti Earth Simulator superarvutisüsteem. See on paigaldatud Jaapani maateaduste instituuti (Yokohama maateaduste instituut) Kanagawas, Yokohama prefektuuris. Arendajad väidavad, et selle tippjõudlus võib ulatuda 40 Tflopini.

Superarvuti Earth Simulator on loodud satelliitidelt saadud andmete põhjal kliimamuutuste simuleerimiseks. NEC esindajate sõnul saavutatakse arvuti kõrge jõudlus spetsiaalselt loodud vektorprotsessorite kasutamisega. Süsteem põhineb 5120 sellisel protsessoril, mis on ühendatud 640 SX-6 sõlmeks (igaüks 8 protsessorit). Superarvutis töötab SUPER-UX OS. Arendustööriistade hulka kuuluvad kompilaatorid C/C++, Fortran 90 ja HPF keelte jaoks, samuti automaatsed vektoriseerimise tööriistad, MPI-2 liidese teostus ja ASL/ES matemaatiline raamatukogu. Kogu masin võtab enda alla kolme tenniseväljaku (50 x 65 m) ala ja kasutab mitu kilomeetrit kaablit.

Varem esikohal olnud superarvuti K Computer on tõugatud kolmandale kohale. Selle jõudlus on 11,28 Pflops (vt joonis 1). Tuletagem meelde, et FLOPS (Floating-point Operations Per Second, FLOPS) on arvuti jõudluse mõõtühik, mis näitab, mitut ujukomaoperatsiooni sekundis antud arvutussüsteem on võimeline sooritama.

K Computer on Rikagaku Kenkiyo füüsikaliste ja keemiliste uuringute instituudi (RIKEN) ja Fujitsu ühisarendus. See loodi osana kõrgjõudlusega andmetöötluse infrastruktuuri algatusest, mida juhib Jaapani haridus-, kultuuri-, spordi-, teadus- ja tehnoloogiaministeerium (MEXT). Superarvuti on paigaldatud Jaapani linna Kobe kõrgtehnoloogiliste arvutiteaduste instituudi territooriumile.

Superarvuti põhineb hajutatud mälu arhitektuuril. Süsteem koosneb enam kui 80 000 arvutussõlmest ja on paigutatud 864 riiulisse, millest igaüks mahutab 96 arvutussõlme ja 6 I/O sõlme. Sõlmed, millest igaüks sisaldab ühte protsessorit ja 16 GB muutmälu, on omavahel ühendatud vastavalt topoloogiale "kuuemõõtmeline silmus / torus". Süsteem kasutab kokku 88 128 kaheksatuumalist SPARC64 VIIIfx protsessorit (705 024 tuuma), mis on toodetud Fujitsu poolt 45 nm tehnoloogia abil.

See üldotstarbeline superarvuti pakub kõrgetasemelist jõudlust ja tuge paljude rakenduste jaoks. Süsteemi kasutatakse uuringute läbiviimiseks kliimamuutuste, katastroofide ennetamise ja meditsiini valdkonnas.

Unikaalne vesijahutussüsteem vähendab seadmete rikke tõenäosust ja vähendab üldist energiatarbimist. Energiasääst saavutatakse ülitõhusate seadmete, soojuse ja elektri koostootmissüsteemi ning päikesepaneelide hulga kasutamisega. Lisaks vähendab jahuti reovee taaskasutamise mehhanism negatiivset mõju keskkonnale.

Hoone, kus K Computer asub, on maavärinakindel ja talub Jaapani skaalal (0-7) magnituudi 6 või enamat maavärinat. Seadmeriiulite ja kaablite tõhusamaks mahutamiseks on kolmas korrus mõõtmetega 50 × 60 m täielikult kandepostidest vaba. Kaasaegsed ehitustehnoloogiad on võimaldanud tagada vastuvõetava koormustaseme (kuni 1 t/m2) riiulite paigaldamiseks, mille kaal võib ulatuda 1,5 tonnini.

SEQUOIA SUPERARVUTI

Lawrence Livermore'i riiklikus laboris paigaldatud superarvuti Sequoia. Lawrence'i sooritus on 16,32 Pflopsi ja ta on edetabelis teisel kohal (vt joonis 2).

See petaflop superarvuti, mille IBM on välja töötanud Blue Gene/Q baasil, loodi USA riikliku tuumajulgeoleku administratsiooni (NNSA) jaoks programmi Advanced Simulation and Computing osana.

Süsteem koosneb 96 püstikust ja 98 304 arvutussõlmest (1024 sõlme riiuli kohta). Iga sõlm sisaldab 16-tuumalist PowerPC A2 protsessorit ja 16 GB DDR3 RAM-i. Kokku on kasutusel 1 572 864 protsessorituuma ja 1,6 PB mälu. Sõlmed on üksteisega ühendatud vastavalt "viiemõõtmelise toru" topoloogiale. Süsteemiga hõivatud pind on 280 m2. Kogu energiatarve on 7,9 MW.

Sequoia superarvuti oli esimene maailmas, mis viis läbi teaduslikud arvutused, mis nõudsid rohkem kui 10 Pflopsi arvutusvõimsust. Seega nõudis HACC kosmoloogia simulatsioonisüsteem 3,6 triljoni osakeste režiimis töötades umbes 14 Pflopsi ja inimese südame elektrofüsioloogiat simuleeriva Cardiod projektikoodi käivitamisel jõudis jõudlus peaaegu 12 Pflopsini.

TITAN SUPERARVUTI

USA-s Oak Ridge'i riiklikus laboris (ORNL) paigaldatud superarvuti Titan tunnistati maailma kiireimaks superarvutiks. Linpacki võrdlustestides oli selle jõudlus 17,59 Pflops.

Titan rakendab hübriidset CPU-GPU arhitektuuri (vt joonis 3). Süsteem koosneb 18 688 sõlmest, millest igaüks on varustatud 16-tuumalise AMD Opteroni protsessori ja Nvidia Tesla K20X graafikakiirendiga. Kokku on kasutusel 560 640 protsessorit. Titan on ORNL-i varem kasutatud Jaguari superarvuti värskendus ja võtab enda alla samad serverikapid (kogupindala 404 m2).

Võimalus kasutada olemasolevaid toite- ja jahutussüsteeme säästis ehituse käigus ligikaudu 20 miljonit dollarit. Superarvuti voolutarve on 8,2 MW, mis on 1,2 MW rohkem kui Jaguaril, samas on selle jõudlus ujukomaoperatsioonidel ligi 10 korda suurem.

Titanit hakatakse kasutama eelkõige materjaliteaduse ja tuumaenergeetika alaste ning sisepõlemismootorite efektiivsuse tõstmisega seotud uuringute läbiviimiseks. Lisaks kasutatakse seda kliimamuutuste modelleerimiseks ja võimalike strateegiate analüüsimiseks selle negatiivsete mõjudega tegelemiseks.

KÕIGE ROHELISEM SUPERARVUTI

Lisaks Top500 reitingule, mille eesmärk on tuvastada kõige võimsam süsteem, on Green500 reiting, mis tunnustab "kõige rohelisemaid" superarvuteid. Siin võetakse aluseks energiatõhususe näitaja (Mflops/W). Hetkel (reitingu viimane väljaanne on november 2012) on Green500 liidriks superarvuti Beacon (Top500 253. koht). Selle energiatõhususe näitaja on 2499 Mflops/W.

Beaconi toiteallikaks on Intel Xeon Phi 5110P kaasprotsessorid ja Intel Xeon E5-2670 protsessorid, nii et tippjõudlus võib ulatuda 112 200 Gflopsini koguvõimsusega 44,9 kW. Xeon Phi 5110P kaasprotsessorid tagavad suure jõudluse väikese energiatarbimisega. Igal kaasprotsessoril on 1 teraflops võimsust (topelttäpsus) ja see toetab kuni 8 GB GDDR5 mälu 320 Gbps ribalaiusega.

Xeon Phi 5110P passiivse jahutussüsteemi võimsus on 225 W TDP, mis sobib ideaalselt suure tihedusega serverite jaoks.

SUPERARVUTI EURORA

2013. aasta veebruaris ilmusid aga teated, et Bolognas (Itaalia) asuv superarvuti Eurora ületas energiatõhususe poolest Beaconist (3150 Mflops/vatt versus 2499 Mflops/W).

Eurora on ehitatud Eurotechi poolt ja see koosneb 64 sõlmest, millest igaüks sisaldab kahte Intel Xeon E5-2687W protsessorit, kahte Nvidia Tesla K20 GPU kiirendit ja muud riistvara. Sellise sõlme mõõtmed ei ületa sülearvuti mõõtmeid, kuid nende jõudlus on 30 korda suurem ja energiatarve 15 korda väiksem.

Eurora kõrge energiatõhusus saavutatakse mitme tehnoloogia kasutamisega. Suurima panuse annab vesijahutus. Seega on iga superarvuti sõlm omamoodi võileib: allosas keskseadmed, keskel vesisoojusvaheti ja üleval teine elektroonikaplokk (vt joonis 4).

Sellised kõrged tulemused saavutatakse tänu hea soojusjuhtivusega materjalide kasutamisele, aga ka ulatuslikule jahutuskanalite võrgustikule. Uue arvutusmooduli paigaldamisel kombineeritakse selle kanalid jahutussüsteemi kanalitega, mis võimaldab superarvuti konfiguratsiooni muuta vastavalt konkreetsetele vajadustele. Tootjate sõnul on lekkeoht välistatud.

Eurora superarvuti elemendid saavad toite 48-voldistest alalisvooluallikatest, mille kasutuselevõtt on vähendanud energia muundamise arvu. Lõpuks saab arvutusseadmetest eemaldatud sooja vett kasutada muuks otstarbeks.

KOKKUVÕTE

Superarvutitööstus areneb aktiivselt ning püstitab järjest uusi jõudluse ja energiatõhususe rekordeid. Tuleb märkida, et just selles tööstusharus, nagu ei kusagil mujal, kasutatakse tänapäeval laialdaselt vedelikjahutus- ja 3D-modelleerimistehnoloogiaid, kuna spetsialistide ees seisab ülesanne koostada ülivõimas arvutisüsteem, mis oleks võimeline töötama piiratud maht minimaalsete energiakadudega.

Juri Khomutsky- I-Teco peaprojektide insener. Temaga saab ühendust võtta aadressil: [e-postiga kaitstud]. Artiklis on kasutatud andmekeskuste Interneti-portaali www.AboutDC.ru - Andmekeskuste lahendused materjale.

Lugemisaeg: 2 minutit.

Siiani pole inimkond jõudnud Marsi jäätmehunnikutesse, pole leiutanud nooruse eliksiiri, autod ei saa veel maapinnast kõrgemale hõljuda, kuid on mitmeid valdkondi, milles oleme ikka hakkama saanud. Võimsate superarvutite loomine on just selline valdkond. Arvuti võimsuse hindamiseks peate kindlaks määrama, milline põhiparameeter selle omaduse eest vastutab. See parameeter on flops – väärtus, mis näitab, mitu toimingut arvuti suudab ühe sekundi jooksul teha. Just selle väärtuse põhjal reastas meie ajakiri Big Rating 2017. aasta maailma võimsaimad arvutid.

Superarvuti võimsus - 8,1 Pflop/sek

See arvuti salvestab andmeid, mis vastutavad USA sõjalise struktuuri turvalisuse eest, samuti vastutab see vajadusel tuumarünnakuks valmisoleku seisu eest. Kaks aastat tagasi oli see masin üks võimsamaid ja kallimaid maailmas, kuid tänaseks on Trinity asendunud uuemate seadmetega. Süsteem, millel see superarvuti töötab, on Cray XC40, tänu millele suudab seade "sooritada" nii palju toiminguid sekundis.

Mira

Superarvuti võimsus – 8,6 Pflop/sek

Cray on välja andnud teise superarvuti Mira. USA energeetikaministeerium tellis selle masina tootmise oma töö koordineerimiseks. Valdkond, kus Mira tegutseb, on tööstus ja teaduspotentsiaali arendamine. See superarvuti suudab arvutada 8,6 petaflopsi sekundis.

Superarvuti võimsus – 10,5 Pflop/sek

Selle seadme nimi kirjeldab koheselt võimsust, jaapani sõna “kei” (K) tähendab kümmet kvadriljonit. See arv kirjeldab peaaegu täpselt selle tootmisvõimsust - 10,5 petaflopsi. Selle superarvuti tipphetk on selle jahutussüsteem. Kasutatakse vesijahutust, mis vähendab energiavarude kulu ja vähendab montaaži kiirust.

Superarvuti võimsus – 13,6 Pflop/sek

Tõusva päikese maa ettevõte Fujitsu ei lõpetanud tööd, olles vabastanud superarvuti K Computer, alustasid nad kohe uue projektiga. See projekt oli superarvuti Oakforest-Pacs, mis on klassifitseeritud masinate uue põlvkonna hulka (Knightsi maandumispõlvkond). Selle arendamise tellisid Tokyo ülikool ja Tsukuba ülikool. Esialgse plaani järgi pidi seadme mälu olema 900 TB ja Oakforest-Pacsi jõudlus 25 kvadriljonit operatsiooni sekundis. Kuid rahastamise puudumise tõttu jäid paljud aspektid lõplikult välja selgitamata, nii et superarvuti võimsus oli 13,6 petaflopsi sekundis.

Cori

Superarvuti võimsus – 14 Pflop/sek

Veel eelmisel aastal oli Cori maailma võimsaimate superarvutite edetabelis kuuendal kohal, kuid tehnika arengu pöörase kiirusega kaotas ta ühe positsiooni. See superarvuti asub Ameerika Ühendriikides Lawrence Berkeley riiklikus laboris. Šveitsi teadlased suutsid Cori abiga välja töötada 45-kubitise kvantarvutusmasina. Selle superarvuti tootmisvõimsus on 14 petaflopsi sekundis.

Superarvuti võimsus – 17,2 Pflop/sek

Teadlased üle kogu maailma on juba ammu nõustunud, et Sequoia on planeedi kiireim superarvuti. Ja see pole lihtsalt nii, sest ta suudab ühe sekundi jooksul teha aritmeetilisi arvutusi, milleks kuluks 6,7 miljardil inimesel 320 aastat. Masina suurus on tõeliselt hämmastav - see võtab enda alla enam kui 390 ruutmeetrit ja sisaldab 96 riiulit. Kuusteist tuhat triljonit operatsiooni ehk teisisõnu 17,2 petaflopsi on selle superarvuti tootmisvõimsus.

Titan

Superarvuti võimsus – 17,6 Pflop/sek

Lisaks sellele, et see on üks kiiremaid superarvuteid planeedil, on see ka väga energiasäästlik. Energiatõhususe näitaja on 2142,77 megaflopsi tarbimiseks vajaliku energia vati kohta. Madala voolutarbimise põhjuseks on Nvidia kiirendi, mis annab kuni 90% arvutamiseks vajalikust võimsusest. Lisaks on Nvidia kiirendi oluliselt vähendanud selle superarvuti pinda, nüüd vajab see vaid 404 ruutmeetrit.

Superarvuti võimsus – 19,6 Pflop/sek

Selle seadme esmaesitlemine toimus 2013. aastal Šveitsis Lugano linnas. Nüüd on selle superarvuti geograafiliseks asukohaks Šveitsi riiklik superarvutikeskus. Piz Daint on kombinatsioon kõigist ülaltoodud masinate parimatest omadustest, sellel on väga kõrge energiatõhusus ja see on väga kiire arvutustes. Ainult üks omadus jätab soovida - selle superarvuti mõõtmed hõivavad 28 tohutut riiulit. Piz Daint on võimeline 19,6 petaflopsi arvutusvõimsust sekundis.

Superarvuti võimsus – 33,9 Pflop/sek

Sellel seadmel on romantiline nimi Tianhe, mis hiina keeles tähendab "Linnuteed". Tianhe-2 oli kiireim arvuti 500 kiireima ja võimsaima superarvuti nimekirjas. See suudab arvutada 2507 aritmeetilist tehtet, mis petaflops on 33,9 Pflops/sek. Spetsialiseerumine, milles seda arvutit kasutatakse, on ehitus, see arvutab teede ehitamise ja rajamisega seotud toiminguid. Alates selle esmakordsest turuletoomisest 2013. aastal pole see arvuti oma positsioone nimekirjades kaotanud, mis tõestab, et tegemist on ühe maailma parima masinaga.

Superarvuti võimsus – 93 Pflop/sek

Sunway TaihuLight on maailma kiireim superarvuti, lisaks tohutule arvutuskiirusele on see kuulus ka tohutute mõõtmete poolest – selle pindala on üle 1000 ruutmeetri. 2016. aasta rahvusvahelisel konverentsil, mis toimus Saksamaal, tunnistati see superarvuti maailma kiireimaks ning selles osas pole tal endiselt tõsiseltvõetavat konkurenti. Selle kiirus on kolm korda suurem kui Tianhe-2, selles osas lähim superarvuti!

Tehnoloogiline areng ei seisa paigal, see areneb kosmilise kiirusega, mõjutab paljusid inimelu aspekte ning sellel on palju nii positiivseid kui ka negatiivseid külgi. Inimestele on nüüdseks kättesaadavaks saanud erinevat tüüpi tehnoloogiad: arvutid, robotid ja instrumendid. Kuid mis tahes varustuse peamine eesmärk on lihtsustada inimese elu, tehnoloogia ei tohiks muutuda mõttetuks meelelahutuseks, mis raiskab ainult teie aega.