V posledných rokoch spoločnosti zaoberajúce sa návrhom a výrobou počítačov neúnavne pracujú. Výsledkom je, že množstvo technológií vo svete exponenciálne rastie.

Najvýkonnejšie počítače

Len nedávno svet nevedel o DirectX10 a grafika FarCry či NFS Underground 2 sa zdala byť vrcholom počítačových možností. Kedysi sa disk schopný uložiť 600 megabajtov informácií zdal ako zázrak technológie, no dnes sú voľne dostupné terabajtové pamäťové karty.

V oblasti superpočítačov sa deje takmer to isté. V roku 1993 profesor University of Tennessee Jack Dongarra prišiel s myšlienkou vytvoriť rebríček najvýkonnejších počítačov na svete. Odvtedy sa tento zoznam s názvom TOP500 aktualizuje dvakrát ročne: v júni a novembri.

Čas plynie a lídri v hodnotení superpočítačov zo začiatku 90. rokov sú už bezbožne zastaraní aj podľa štandardov bežných používateľov PC. Prvým v roku 1993 bol teda CM-5/1024, zostavený spoločnosťou Thinking Machines: procesory 1024 s taktovacou frekvenciou 32 MHz, výpočtovou rýchlosťou 59,7 gigaflops – o niečo rýchlejšie ako bežné 8-jadrové PC pod vaším stolom. Aký je dnes najlepší počítač?

Sunway TaihuLight

Ešte pred piatimi rokmi držali dlaň z hľadiska výkonu dôsledne superpočítače vyrobené v USA. V roku 2013 sa čínski vedci zmocnili vedenia a zrejme sa ho nevzdajú.

V súčasnosti sa za najvýkonnejší počítač na svete považuje Sunway TaihuLight (v preklade „Sila božského svetla jazera Taihu“), grandiózny stroj s výpočtovou rýchlosťou 93 petaflopov (maximálna rýchlosť - 125,43 petaflopov). Je 2,5-krát výkonnejší ako predchádzajúci držiteľ rekordu - superpočítač Tianhe-2, ktorý bol do júna 2016 považovaný za najvýkonnejší.

Sunway Taihulight má 10,5 milióna vstavaných jadier (40 960 procesorov, každý s 256 výpočtovými a 4 riadiacimi jadrami).

Takto vyzerá najvýkonnejší počítač roka 2016

Všetky zariadenia boli vyvinuté a vyrobené v Číne, pričom procesory predchádzajúceho najvýkonnejšieho počítača vyrábala americká spoločnosť Intel. Náklady na Sunway TaihuLight sa odhadujú na 270 miliónov dolárov. Superpočítač sa nachádza v Národnom superpočítačovom centre v okrese Wuxi.

Držitelia rekordov z minulých rokov

Do júna 2016 (a zoznam TOP500 sa aktualizuje každý jún a november) bol najvýkonnejším a najrýchlejším počítačom superstroj Tianhe-2 (v preklade z čínštiny „Mliečna dráha“) vyvinutý v Číne na Univerzite obrany vedy a techniky v r. Changsha s pomocou spoločnosti Inspur.

Výkon Tianhe-2 poskytuje 2507 biliónov operácií za sekundu (33,86 petaflopov za sekundu), špičkový výkon je 54,9 petaflopov. Čínsky vývoj je na vrchole tohto rebríčka od svojho uvedenia na trh v roku 2013 – neuveriteľne pôsobivé číslo!

Superpočítač Tianhe-2

Charakteristika Tianhe-2 je nasledovná: 16 tisíc uzlov, 32 tisíc 12-jadrových procesorov Intel Xeon E5-2692 a 48 tisíc 57-jadrových akcelerátorov Intel Xeon Phi 31S1P, čo znamená celkovo 3 120 000 jadier; 256 000 pamäťových jednotiek DDR3 RAM po 4 GB a 176 000 pamäťových jednotiek GDDR5 8 GB – celkovo 2 432 000 GB pamäte RAM. Kapacita pevného disku je viac ako 13 miliónov GB. Nebudete na ňom však môcť hrať – je určený výhradne na prácu s počítačom a Milky Way 2 nemá nainštalovanú grafickú kartu. Najmä pomáha pri výpočtoch kladenia podchodov a rozvoja miest.

Jaguár

Na čele rebríčka sa dlho držal superpočítač Jaguar z USA. Čím sa líši od ostatných a aké sú jeho technické výhody?

Superpočítač s názvom Jaguar pozostáva z veľkého množstva nezávislých buniek rozdelených do dvoch sekcií – XT4 a XT5. Posledná sekcia obsahuje presne 18688 výpočtových buniek. Každá bunka obsahuje dva šesťjadrové procesory AMD Opteron 2356 s frekvenciou 2,3 GHz, 16 GB DDR2 RAM a tiež router SeaStar 2+. Aj jedna bunka z tejto sekcie by stačila na vytvorenie najvýkonnejšieho počítača na hranie. Sekcia obsahuje len 149 504 výpočtových jadier, obrovské množstvo RAM – viac ako 300 TB, ako aj výkon 1,38 Petaflops a viac ako 6 Petabajtov na disku.

Stavba počítačového monštra

Partícia XT4 obsahuje 7832 buniek. Ich charakteristiky sú skromnejšie ako u predchádzajúcej sekcie XT5: každá bunka obsahuje jeden šesťjadrový procesor s frekvenciou 2,1 GHz, 8 GB RAM a router SeaStar 2 Celkovo má sekcia 31 328 výpočtových jadier a viac 62 TB pamäte, ako aj špičkový výkon 263 TFLOPS a viac ako 600 TB miesta na disku. Superpočítač Jaguar beží na vlastnom operačnom systéme Cray Linux Environment.

Ďalší počítač dýcha do chrbta Jaguaru, ktorý je duchovným dieťaťom IBM – Roadrunner. Najvýkonnejšie počítačové monštrum je schopné vypočítať až 1 000 000 000 000 operácií za sekundu. Bol vyvinutý špeciálne pre Národnú správu jadrovej bezpečnosti Ministerstva energetiky v Los Alamos. S pomocou tohto superpočítača plánovali monitorovať prevádzku všetkých jadrových zariadení nachádzajúcich sa v Spojených štátoch.

Najvyššia rýchlosť spracovania Road Runner je asi 1,5 petaflops. Hovoríme o celkovej kapacite 3 456 pôvodných trojlistových serverov, z ktorých každý je schopný vykonať približne 400 miliárd operácií za sekundu (teda 400 gigaflopov). Vo vnútri Roadrunner sa nachádza približne 20 tisíc vysokovýkonných dvojjadrových procesorov – 12 960 Cell Broadband Engine a 6948 AMD Opteron, ktoré má na svedomí samotná IBM. Takýto superpočítač má systémovú pamäť 80 terabajtov.

Koľko miesta teda zaberá tento zázrak technológie? Stroj sa nachádza na ploche 560 metrov štvorcových. A všetko vybavenie oddelenia je zabalené na serveroch pôvodnej architektúry. Všetky zariadenia vážia približne 23 ton. Na jeho prepravu teda budú pracovníci Národnej správy jadrovej bezpečnosti potrebovať minimálne 21 veľkých ťahačov.

Pár slov o tom, čo je petaflops. Jeden petaflop sa približne rovná celkovému výkonu 100 tisíc moderných notebookov. Ak si to skúsite predstaviť, dokážu vydláždiť cestu dlhú takmer dva a pol kilometra. Ďalšie dostupné porovnanie: do 46 rokov bude celá populácia planéty používať kalkulačky na výpočty, ktoré Roadrunner zvládne za jeden deň. Viete si predstaviť, ako málo bude potrebovať Sunway TaihuLigh, líder nášho hodnotenia?

Titan

V roku 2012 spustilo národné laboratórium Oak Ridge National Laboratory amerického ministerstva energetiky superpočítač Titan, ktorý má výkon 20 petaflopov – inými slovami, dokáže vykonať kvadrilión operácií s pohyblivou rádovou čiarkou za jednu sekundu.

Titan vyvinul Cray. Okrem Titanu vyvinuli americkí špecialisti v posledných rokoch ďalšie dva superpočítače. Jedna z nich - Mira - je určená pre potreby priemyslu a vedeckého výskumu a pomocou druhej - Sequoia - simulujú testy jadrových zbraní. Za všetkým týmto vývojom stojí IBM Corporation.

Najvýkonnejší počítač v Rusku

Bohužiaľ, ruský vývojový „Lomonosov-2“, uznávaný ako najvýkonnejší počítač v Rusku, je až na 41. mieste v TOP500 (k júnu 2016). Sídli vo Vedeckom výpočtovom centre Moskovskej štátnej univerzity. Výkon domáceho superpočítača je 1 849 petaflopov, špičkový výkon je asi 2,5 petaflopov. Počet jadier: 42 688.

Prihláste sa na odber nášho kanála v Yandex.Zen

Superpočítač Titan

Ľudia stále nelietajú na Mars, rakovina ešte nie je vyliečená a závislosti na rope sme sa nezbavili. A predsa sú oblasti, kde ľudstvo za posledné desaťročia urobilo neskutočný pokrok. Výpočtový výkon počítačov je len jedným z nich.

Dvakrát do roka zverejňujú odborníci z Lawrence Berkeley National Laboratory a University of Tennessee Top 500, ktorý ponúka zoznam najvýkonnejších superpočítačov na svete.

Pri pohľade trochu dopredu odporúčame ochutnať tieto čísla vopred: produktivita predstaviteľov prvej desiatky sa meria v desiatkach kvadriliónov prepadákov. Pre porovnanie: ENIAC, prvý počítač v histórii, mal výkon 500 flopov; Dnes má priemerný osobný počítač stovky gigaflopov (miliardy flopov), iPhone 6 má približne 172 gigaflopov a PS4 1,84 teraflops (bilión flopov).

Spoločnosť Naked Science, vybavená najnovším Top 500 z novembra 2014, sa rozhodla zistiť, akých je 10 najvýkonnejších superpočítačov na svete a aké problémy si vyžadujú taký obrovský výpočtový výkon.

Miesto: USA
Výkon: 3,57 petaflops
Teoretický maximálny výkon: 6,13 petaflops
Výkon: 1,4 MW

Rovnako ako takmer všetky moderné superpočítače, vrátane každého z tých, ktoré sú uvedené v tomto článku, aj CS-Storm pozostáva z mnohých procesorov spojených do jednej počítačovej siete založenej na princípe masívne paralelnej architektúry. V skutočnosti sa tento systém skladá z mnohých rackov („skriniek“) s elektronikou (uzly pozostávajúce z viacjadrových procesorov), ktoré tvoria celé chodby.

Cray CS-Storm je celá séria superpočítačových klastrov, no jeden z nich stále vyčnieva z radu. Konkrétne ide o záhadnú CS-Storm, ktorú využíva americká vláda na neznáme účely a na neznámom mieste.

Známe je, že americkí predstavitelia kúpili mimoriadne efektívny z hľadiska spotreby energie (2386 megaflopov na 1 Watt) CS-Storm s celkovým počtom jadier takmer 79 tisíc od americkej spoločnosti Cray.

Na stránke výrobcu sa však píše, že klastre CS-Storm sú vhodné pre vysokovýkonné výpočty v oblasti kybernetickej bezpečnosti, geopriestorovej inteligencie, rozpoznávania vzorov, spracovania seizmických dát, vykresľovania a strojového učenia. Niekde v tejto sérii sa pravdepodobne ustálilo používanie vládneho CS-Stormu.

CRAY CS-STORM

9. Vulcan – Blue Gene/Q

Miesto: USA
Výkon: 4,29 petaflops
Teoretický maximálny výkon: 5,03 petaflops
Výkon: 1,9 MW

„Vulcan“ bol vyvinutý americkou spoločnosťou IBM, patrí do rodiny Blue Gene a nachádza sa v Lawrence Livermore National Laboratory. Superpočítač, ktorý vlastní Ministerstvo energetiky USA, pozostáva z 24 stojanov. Klaster začal fungovať v roku 2013.

Na rozdiel od už spomínaného CS-Stormu je rozsah použitia Vulcan dobre známy - rôzne vedecké výskumy, a to aj v oblasti energetiky, ako je modelovanie prírodných javov a analýza veľkého množstva údajov.

Rôzne vedecké skupiny a spoločnosti môžu získať prístup k superpočítaču podaním žiadosti do Inovačného centra pre vysokovýkonné počítače (HPC Innovation Center) so sídlom v rovnakom národnom laboratóriu v Livermore.

Superpočítač Vulcan

8. Juqueen – Modrý gén/Q

Miesto: Nemecko
Výkon: 5 petaflopov
Teoretický maximálny výkon: 5,87 petaflops
Výkon: 2,3 MW

Od svojho uvedenia na trh v roku 2012 je Juqueen druhým najvýkonnejším superpočítačom v Európe a prvým v Nemecku. Rovnako ako Vulcan, aj tento superpočítačový klaster vyvinula spoločnosť IBM ako súčasť projektu Blue Gene a patrí do rovnakej generácie Q.

Superpočítač sa nachádza v jednom z najväčších výskumných centier v Európe v Jülichu. Používa sa zodpovedajúcim spôsobom - pre vysokovýkonné výpočty v rôznych vedeckých výskumoch.

Superpočítač Juqueen

7. Pečiatka – PowerEdge C8220

Miesto: USA
Výkon: 5,16 petaflops
Teoretický maximálny výkon: 8,52 petaflops
Výkon: 4,5 MW

Stampede sa nachádza v Texase a je jediným klastrom v prvej desiatke Top 500, ktorý vyvinula americká spoločnosť Dell. Superpočítač pozostáva zo 160 stojanov.

Tento superpočítač je najvýkonnejší na svete spomedzi tých, ktoré sa používajú výlučne na výskumné účely. Prístup do zariadení Stampede je otvorený pre vedecké skupiny. Klaster sa používa v širokej škále vedných oblastí – od presnej tomografie ľudského mozgu a predpovede zemetrasení až po identifikáciu vzorcov v hudbe a jazykových štruktúrach.

Superpočítač Stampede

6. Piz Daint – Cray XC30

Miesto: Švajčiarsko
Výkon: 6,27 petaflopov
Teoretický maximálny výkon: 7,78 petaflops
Výkon: 2,3 MW

Švajčiarske národné superpočítačové centrum (CSCS) sa môže pochváliť najvýkonnejším superpočítačom v Európe. Piz Daint, pomenovaný podľa alpskej hory, bol vyvinutý spoločnosťou Cray a patrí do rodiny XC30, v rámci ktorej je najproduktívnejší.

Piz Daint sa používa na rôzne výskumné účely, ako sú počítačové simulácie v oblasti fyziky vysokých energií.

Superpočítač Piz Daint

5. Mira – Modrý gén/Q

Miesto: USA
Výkon: 8,56 petaflopov
Teoretický maximálny výkon: 10,06 petaflops
Výkon: 3,9 MW

Superpočítač Mira bol vyvinutý spoločnosťou IBM v rámci projektu Blue Gene v roku 2012. Divízia vysokovýkonných výpočtov v Argonne National Laboratory, v ktorej sa nachádza klaster, bola vytvorená s vládnym financovaním. Predpokladá sa, že nárast záujmu o superpočítačové technológie z Washingtonu koncom 21. storočia a začiatkom 2010 je spôsobený rivalitou s Čínou v tejto oblasti.

Mira sa nachádza na 48 stojanoch a slúži na vedecké účely. Superpočítač sa používa napríklad na klimatické a seizmické modelovanie, čo umožňuje získať presnejšie údaje o predpovedaní zemetrasení a klimatických zmien.

Superpočítač Mira

4. K Počítač

Miesto: Japonsko
Výkon: 10,51 petaflops
Teoretický maximálny výkon: 11,28 petaflops
Výkon: 12,6 MW

K Computer, vyvinutý spoločnosťou Fujitsu a umiestnený na Inštitúte fyzikálno-chemického výskumu v Kobe, je jediným japonským superpočítačom, ktorý sa objavil v prvej desiatke Top 500.

Tento klaster sa svojho času (jún 2011) dostal na prvé miesto v rebríčku a stal sa na jeden rok najproduktívnejším počítačom na svete. A v novembri 2011 sa K Computer stal prvým v histórii, ktorý dosiahol výkon nad 10 petaflopov.

Superpočítač sa používa v množstve výskumných úloh. Napríklad na predpovedanie prírodných katastrof (čo je pre Japonsko dôležité vzhľadom na zvýšenú seizmickú aktivitu regiónu a vysokú zraniteľnosť krajiny v prípade cunami) a počítačové modelovanie v oblasti medicíny.

Superpočítač K

3. Sequoia – Blue Gene/Q

Miesto: USA
Výkon: 17,17 petaflops
Teoretický maximálny výkon: 20,13 petaflops
Výkon: 7,8 MW

Najvýkonnejší zo štyroch superpočítačov rodiny Blue Gene/Q, ktoré sú v prvej desiatke hodnotenia, sa nachádza v Spojených štátoch v Livermore National Laboratory. IBM vyvinula Sequoia pre Národnú správu jadrovej bezpečnosti (NNSA), ktorá potrebovala vysokovýkonný počítač na veľmi špecifický účel: simuláciu jadrových výbuchov.

Stojí za zmienku, že skutočné jadrové testy sú od roku 1963 zakázané a počítačová simulácia je jednou z najprijateľnejších možností pokračovania výskumu v tejto oblasti.

Výkon superpočítača však slúžil na riešenie iných, oveľa ušľachtilejších problémov. Klastre sa napríklad podarilo nastaviť výkonové rekordy v kozmologickom modelovaní, ako aj pri vytváraní elektrofyziologického modelu ľudského srdca.

Superpočítač Sequoia

2. Titan – Cray XK7

Miesto: USA
Výkon: 17,59 petaflops
Teoretický maximálny výkon: 27,11 petaflopov
Výkon: 8,2 MW

Najproduktívnejší superpočítač, aký bol kedy vytvorený na Západe, ako aj najvýkonnejší počítačový klaster pod značkou Cray, sa nachádza v Spojených štátoch v Oak Ridge National Laboratory. Napriek tomu, že superpočítač, ktorý má americké ministerstvo energetiky k dispozícii, je oficiálne dostupný pre akýkoľvek vedecký výskum, v októbri 2012, keď bol Titan spustený, počet aplikácií prekročil všetky limity.

Z tohto dôvodu bola v Oak Ridge Laboratory zvolaná špeciálna komisia, ktorá z 50 žiadostí vybrala len 6 „najpokročilejších“ projektov. Medzi nimi napríklad modelovanie správania sa neutrónov v samom srdci jadrového reaktora, ako aj predpovedanie globálnych klimatických zmien na najbližších 1-5 rokov.

Napriek svojmu výpočtovému výkonu a impozantným rozmerom (404 metrov štvorcových) Titan na podstavci dlho nevydržal. Len šesť mesiacov po triumfe v novembri 2012 americkú hrdosť v oblasti vysokovýkonných počítačov nečakane vytlačil rodák z východu, pričom doterajších lídrov rebríčka prekonal bezprecedentným spôsobom.

Superpočítač Titan

1. Tianhe-2 / Mliečna dráha-2

Miesto: Čína
Výkon: 33,86 petaflops
Teoretický maximálny výkon: 54,9 petaflopov
Výkon: 17,6 MW

Od svojho prvého štartu je Tianhe-2 alebo Mliečna dráha-2 asi dva roky lídrom Top-500. Toto monštrum je takmer dvakrát výkonnejšie ako dvojka v rebríčku – superpočítač TITAN.

Tianhe-2, ktorý vyvinula Univerzita vedy a techniky obrany Ľudovej oslobodzovacej armády a Inspur, pozostáva zo 16 tisíc uzlov s celkovým počtom jadier 3,12 milióna. RAM tejto kolosálnej štruktúry, ktorá zaberá 720 metrov štvorcových, je 1,4 petabajtov a úložné zariadenie je 12,4 petabajtov.

Mliečna dráha 2 bola navrhnutá z iniciatívy čínskej vlády, takže nie je prekvapujúce, že jej bezprecedentná sila podľa všetkého slúži potrebám štátu. Oficiálne bolo uvedené, že superpočítač sa zaoberá rôznymi simuláciami, analyzuje obrovské množstvo údajov, ako aj zabezpečuje národnú bezpečnosť Číny.

Vzhľadom na utajenie, ktoré je súčasťou čínskych vojenských projektov, možno len hádať, aké využitie Mliečna dráha-2 z času na čas dostane v rukách čínskej armády.

Superpočítač Tianhe-2

Domov → História domácej výpočtovej techniky → Superpočítače

Superpočítače

Andrej Borzenko

Superpočítače sú najrýchlejšie počítače. Ich hlavný rozdiel od sálových počítačov je nasledujúci: všetky zdroje takéhoto počítača sú zvyčajne zamerané na čo najrýchlejšie vyriešenie jednej alebo aspoň niekoľkých úloh, zatiaľ čo sálové počítače spravidla vykonávajú pomerne veľké množstvo úloh, ktoré s každým konkurujú. iné. Rýchly rozvoj počítačového priemyslu určuje relativitu základného pojmu – to, čo sa pred desiatimi rokmi dalo nazvať superpočítačom, dnes už pod túto definíciu nespadá. Existuje aj vtipná definícia superpočítača – ide o zariadenie, ktoré redukuje výpočtový problém na vstupno-výstupný problém. Je v tom však kus pravdy: často jedinou prekážkou vo vysokorýchlostnom systéme sú I/O zariadenia. Ktoré superpočítače majú momentálne maximálny výkon, zistíte z oficiálneho zoznamu päťsto najvýkonnejších systémov sveta – Top500 (http://www.top500.org), ktorý vychádza dvakrát ročne.

V každom počítači sú všetky hlavné parametre úzko spojené. Je ťažké si predstaviť univerzálny počítač, ktorý má vysoký výkon a málo RAM, alebo obrovskú RAM a malý priestor na disku. Z tohto dôvodu sa superpočítače v súčasnosti vyznačujú nielen maximálnym výkonom, ale aj maximálnym množstvom pamäte RAM a diskovej pamäte. Poskytovanie takýchto technických charakteristík je dosť drahé - náklady na superpočítače sú extrémne vysoké. Aké úlohy sú také dôležité, že vyžadujú systémy, ktoré stoja desiatky alebo stovky miliónov dolárov? Spravidla ide o zásadné vedecké alebo inžinierske výpočtové problémy so širokým spektrom aplikácií, ktorých efektívne riešenie je možné len s dostupnosťou výkonných výpočtových zdrojov. Tu je len niekoľko oblastí, kde tento typ problému vzniká:

predpovede počasia, klímy a globálnych zmien v atmosfére;
veda o materiáloch;
konštrukcia polovodičových zariadení;
supravodivosť;
štrukturálna biológia;
vývoj liečiv;
ľudská genetika;
kvantová chromodynamika;
astronómia;
automobilový priemysel;
dopravné úlohy;
hydro- a plynová dynamika;
riadená termonukleárna fúzia;
účinnosť systémov spaľovania paliva;
prieskum ropy a zemného plynu;
výpočtové problémy v oceánskych vedách;
rozpoznávanie a syntéza reči;
rozpoznávanie obrazu.

Superpočítače kalkulujú veľmi rýchlo nielen vďaka použitiu najmodernejšej základne prvkov, ale aj novým riešeniam v architektúre systému. Hlavné miesto tu zaujíma princíp paralelného spracovania údajov, ktorý stelesňuje myšlienku súčasného (paralelného) vykonávania niekoľkých akcií. Paralelné spracovanie má dva typy: potrubie a skutočný paralelizmus. Podstatou spracovania potrubia je zvýrazniť jednotlivé fázy vykonávania všeobecnej operácie a každá fáza po dokončení svojej práce odovzdá výsledok ďalšej fáze, pričom súčasne prijíma novú časť vstupných údajov. Zrejmé zvýšenie rýchlosti spracovania sa dosiahne kombináciou predtým rozmiestnených operácií.

Ak určité zariadenie vykoná jednu operáciu za jednotku času, potom vykoná tisíc operácií za tisíc jednotiek. Ak existuje päť rovnakých nezávislých zariadení schopných pracovať súčasne, potom systém piatich zariadení môže vykonať rovnakých tisíc operácií nie za tisíc, ale za dvesto jednotiek času. Podobne systém N zariadení vykoná rovnakú prácu za 1000/N jednotiek času.

Samozrejme, dnes už len málokto prekvapí paralelizmus v počítačovej architektúre. Všetky moderné mikroprocesory používajú určitú formu paralelného spracovania, dokonca aj v rámci toho istého čipu. Zároveň sa tieto myšlienky objavili už veľmi dávno. Spočiatku boli implementované v najvyspelejších, a teda samostatných počítačoch svojej doby. Špeciálny kredit tu patrí spoločnostiam IBM a Control Data Corporation (CDC). Hovoríme o takých inováciách, ako sú bit-paralelná pamäť, bit-paralelná aritmetika, nezávislé vstupno/výstupné procesory, príkazový kanál, funkčné jednotky nezávislé na potrubí atď.

Slovo „superpočítač“ sa zvyčajne spája s počítačmi Cray, hoci dnes tomu tak nie je. Vývojárom a hlavným dizajnérom prvého superpočítača bol Seymour Cray, jedna z najlegendárnejších postáv počítačového priemyslu. V roku 1972 opustil CDC a založil vlastnú spoločnosť Cray Research. Prvý superpočítač, CRAY-1, bol vyvinutý o štyri roky neskôr (v roku 1976) a mal vektorovo-potrubnú architektúru s 12 zreťazenými funkčnými jednotkami. Špičkový výkon Cray-1 bol 160 MT/s (hodinový čas 12,5 ns) a 64-bitová RAM (ktorá sa dala rozšíriť na 8 MB) mala čas cyklu 50 ns. Hlavnou inováciou bolo, samozrejme, zavedenie vektorových príkazov, ktoré pracujú s celými poľami nezávislých dát a umožňujú efektívne využitie pipeline funkčných zariadení.

Počas 60-80-tych rokov sa pozornosť svetových lídrov vo výrobe superpočítačov sústreďovala na výrobu výpočtových systémov, ktoré boli dobré pri riešení veľkoobjemových problémov s pohyblivou rádovou čiarkou. O takéto úlohy nebola núdza – takmer všetky súviseli s jadrovým výskumom a modelovaním letectva a boli vykonávané v záujme armády. Snaha dosiahnuť maximálny výkon v čo najkratšom čase spôsobila, že kritériom hodnotenia kvality systému nebola jeho cena, ale výkon. Napríklad superpočítač Cray-1 vtedy stál od 4 do 11 miliónov dolárov v závislosti od konfigurácie.

Na prelome 80.-90. Skončila sa studená vojna a vojenské zákazky nahradili obchodné. V tom čase priemysel urobil veľký pokrok vo výrobe sériových procesorov. Mali približne rovnaký výpočtový výkon ako zákazkové, no boli výrazne lacnejšie. Použitie štandardných komponentov a variabilný počet procesorov umožnilo vyriešiť problém škálovateľnosti. Teraz, keď sa zvýšila výpočtová záťaž, bolo možné zvýšiť výkon superpočítača a jeho periférnych zariadení pridaním nových procesorov a I/O zariadení. V roku 1990 sa tak objavil superpočítač Intel iPSC/860 s počtom procesorov rovným 128, ktorý v teste LINPACK ukázal výkon 2,6 Gflops.

Vlani v novembri vyšlo 18. vydanie zoznamu 500 najvýkonnejších počítačov sveta – Top500. Lídrom zoznamu je stále spoločnosť IBM Corporation (http://www.ibm.com), ktorá vlastní 32 % nainštalovaných systémov a 37 % celkovej produktivity. Zaujímavou správou bol nástup spoločnosti Hewlett-Packard na druhé miesto v počte systémov (30 %). Navyše, keďže všetky tieto systémy sú relatívne malé, ich celkový výkon je len 15 % z celého zoznamu. Po zlúčení so spoločnosťou Compaq sa očakáva, že nová spoločnosť bude dominovať zoznamu. Ďalšími z hľadiska počtu počítačov na zozname sú SGI, Cray a Sun Microsystems.

Najvýkonnejším superpočítačom na svete bol stále systém ASCI White (k nemu sa ešte vrátime), inštalovaný v Livermore Laboratory (USA) a vykazujúci výkon 7,2 Tflops v teste LINPACK (58 % špičkového výkonu). Na druhom mieste sa umiestnil systém Compaq AlphaServer SC inštalovaný v Pittsburgh Supercomputing Center s výkonom 4 Tflops. Systém Cray T3E uzatvára zoznam s výkonom LINPACK 94 Gflops.

Za zmienku stojí, že zoznam už obsahoval 16 systémov s výkonom nad 1 teraflop, z ktorých polovicu nainštalovala IBM. Počet systémov, ktoré sú zhlukmi malých blokov SMP, sa neustále zvyšuje – v súčasnosti je na zozname 43 takýchto systémov. Väčšinu zoznamu však stále tvoria masívne paralelné systémy (50 %), po ktorých nasledujú klastre pozostávajúce z veľkých systémov SMP (29 %).

Typy architektúr

Hlavným parametrom pre klasifikáciu paralelných počítačov je prítomnosť zdieľanej alebo distribuovanej pamäte. Niečo medzi tým sú architektúry, kde je pamäť fyzicky distribuovaná, ale logicky zdieľaná. Z hardvérového hľadiska sa na implementáciu paralelných systémov navrhujú dve hlavné schémy. Prvým je niekoľko samostatných systémov s lokálnou pamäťou a procesormi, ktoré v určitom prostredí interagujú posielaním správ. Druhým sú systémy, ktoré interagujú prostredníctvom zdieľanej pamäte. Bez toho, aby sme teraz zachádzali do technických detailov, povedzme si pár slov o typoch architektúr moderných superpočítačov.

Myšlienka masívne paralelných systémov s distribuovanou pamäťou (Massively Parallel Processing, MPP) je pomerne jednoduchá. Na tento účel sa berú bežné mikroprocesory, z ktorých každý je vybavený vlastnou lokálnou pamäťou a je pripojený cez nejaké spínacie médium. Takáto architektúra má veľa výhod. Ak potrebujete vysoký výkon, môžete pridať ďalšie procesory a ak sú financie obmedzené alebo je vopred známy požadovaný výpočtový výkon, potom je ľahké zvoliť optimálnu konfiguráciu. MPP má však aj nevýhody. Faktom je, že interakcia medzi procesormi je oveľa pomalšia ako spracovanie údajov samotnými procesormi.

V paralelných počítačoch so zdieľanou pamäťou je všetka pamäť RAM zdieľaná medzi niekoľkými rovnakými procesormi. To odstraňuje problémy predchádzajúcej triedy, ale pridáva nové. Faktom je, že počet procesorov s prístupom k zdieľanej pamäti nemôže byť z čisto technických dôvodov veľký.

Hlavnými znakmi vektorovo-pipeline počítačov sú samozrejme pipeline funkčné jednotky a súbor vektorových inštrukcií. Na rozdiel od tradičného prístupu vektorové príkazy fungujú na celých poliach nezávislých údajov, čo umožňuje efektívne načítanie dostupných potrubí.

Posledný smer, prísne vzaté, nie je nezávislý, ale skôr kombináciou predchádzajúcich troch. Výpočtový uzol sa skladá z niekoľkých procesorov (tradičných alebo vektorových) a ich spoločnej pamäte. Ak získaný výpočtový výkon nestačí, niekoľko uzlov sa kombinuje s vysokorýchlostnými kanálmi. Ako viete, takáto architektúra sa nazýva klaster.

MPP systémy

Masívne paralelné škálovateľné systémy sú navrhnuté tak, aby riešili aplikačné problémy, ktoré si vyžadujú veľké množstvo výpočtov a spracovania dát. Poďme sa na ne pozrieť bližšie. Spravidla pozostávajú z homogénnych výpočtových uzlov vrátane:

jedna alebo viac centrálnych procesorových jednotiek;
lokálna pamäť (priamy prístup do pamäte iných uzlov nie je možný);
komunikačný procesor alebo sieťový adaptér;
niekedy pevné disky a/alebo iné vstupné/výstupné zariadenia.

Okrem toho je možné do systému pridať špeciálne I/O uzly a riadiace uzly. Všetky sú prepojené cez nejaké komunikačné médium (vysokorýchlostná sieť, prepínač atď.). Pokiaľ ide o OS, existujú dve možnosti. V prvom prípade beží plnohodnotný OS iba na riadiacom stroji, pričom každý uzol beží značne zredukovanú verziu OS, ktorá zabezpečuje iba prevádzku vetvy paralelnej aplikácie, ktorá sa v ňom nachádza. V inom prípade na každom uzle beží plnohodnotný OS podobný UNIX.

Počet procesorov v distribuovaných pamäťových systémoch je teoreticky neobmedzený. Pomocou takýchto architektúr je možné vybudovať škálovateľné systémy, ktorých výkon lineárne rastie s počtom procesorov. Mimochodom, samotný výraz „masívne paralelné systémy“ sa zvyčajne používa na označenie takýchto škálovateľných počítačov s veľkým počtom (desiatkami a stovkami) uzlov. Škálovateľnosť výpočtového systému je potrebná na úmerné zrýchlenie výpočtov, ale, bohužiaľ, nestačí. Na získanie adekvátneho zisku pri riešení problému je potrebný aj škálovateľný algoritmus, ktorý dokáže zaťažiť všetky procesory superpočítača užitočnými výpočtami.

Pripomeňme si, že existujú dva modely vykonávania programu na viacprocesorových systémoch: SIMD (single inštrukcie stream - multiple data streams) a MIMD (multiple instruction streams - multiple data streams). Prvý predpokladá, že všetky procesory vykonávajú rovnaký príkaz, ale každý na vlastných údajoch. V druhom prípade každý procesor spracováva svoj vlastný tok príkazov.

V systémoch s distribuovanou pamäťou je na prenos informácií z procesora do procesora potrebný mechanizmus na odovzdávanie správ cez sieť spájajúcu výpočtové uzly. Na abstrahovanie od detailov fungovania komunikačného zariadenia a programu na vysokej úrovni sa zvyčajne používajú knižnice odovzdávania správ.

Superpočítače Intel

Spoločnosť Intel Corporation (http://www.intel.com) je vo svete superpočítačov dobre známa. Jeho multiprocesorové počítače Paragon s distribuovanou pamäťou sa stali takými klasickými ako počítače Cray Research s vektorovým potrubím.

Intel Paragon využíva päť procesorov i860 XP s taktovacou frekvenciou 50 MHz v jednom uzle. Niekedy sú v jednom uzle umiestnené procesory rôznych typov: skalárny, vektorový a komunikačný. Ten slúži na odbremenenie hlavného procesora od vykonávania operácií súvisiacich s prenosom správ.

Najvýznamnejšou charakteristikou novej paralelnej architektúry je typ komunikačného zariadenia. Závisia od toho dva najdôležitejšie ukazovatele fungovania superpočítača: rýchlosť prenosu dát medzi procesormi a réžia prenosu jednej správy.

Prepojenie je navrhnuté tak, aby poskytovalo vysokú rýchlosť odosielania správ s minimálnou latenciou. Poskytuje spojenie viac ako tisícky heterogénnych uzlov pozdĺž dvojrozmernej obdĺžnikovej mriežkovej topológie. Pre väčšinu vývoja aplikácií však môže byť akýkoľvek uzol považovaný za priamo spojený so všetkými ostatnými uzlami. Prepojenie je škálovateľné: jeho priepustnosť sa zvyšuje s počtom uzlov. Pri navrhovaní sa vývojári snažili minimalizovať účasť na prenose správ tých procesorov, ktoré vykonávajú používateľské procesy. Na tento účel boli zavedené špeciálne procesory na spracovanie správ, ktoré sú umiestnené na doske uzla a sú zodpovedné za spracovanie protokolu správ. Výsledkom je, že hlavné procesory uzlov nie sú odvádzané od riešenia problému. Najmä nedochádza k drahému prepínaniu z úlohy na úlohu a riešenie aplikovaných problémov prebieha súbežne s výmenou správ.

Samotný prenos správ je realizovaný smerovacím systémom založeným na komponentoch smerovača sieťových uzlov (Mesh Router Components, MRC). Pre prístup MRC daného uzla do jeho pamäte má uzol aj špeciálny sieťový radič rozhrania, čo je vlastný VLSI, ktorý zabezpečuje simultánny prenos do a z pamäte uzla, ako aj monitorovanie chýb počas prenosu správ.

Modulárny dizajn Intel Paragon umožňuje viac než len podporu škálovateľnosti. Umožňuje nám to počítať s tým, že táto architektúra bude slúžiť ako základ pre nové počítače založené na iných mikroprocesoroch alebo využívajúce nové technológie zasielania správ. Škálovateľnosť sa tiež spolieha na vyváženie rôznych blokov superpočítača na rôznych úrovniach; v opačnom prípade sa pri zvyšovaní počtu uzlov môže niekde v systéme objaviť úzke miesto. Rýchlosť a kapacita pamäte uzlov sú teda v rovnováhe so šírkou pásma a latenciou prepojenia a výkon procesorov vo vnútri uzlov je vyvážený so šírkou pásma vyrovnávacej pamäte a RAM atď.

Až donedávna bol jedným z najrýchlejších počítačov Intel ASCI Red – nápadom Accelerated Strategic Computing Initiative ASCI (Accelerated Strategic Computing Initiative). Na tomto programe sa podieľajú tri najväčšie národné laboratóriá USA (Livermore, Los Alamos a Sandia). ASCI Red, postavený pre Ministerstvo energetiky USA v roku 1997, kombinuje 9152 procesorov Pentium Pro, má 600 GB celkovej pamäte RAM a celkový výkon 1800 miliárd operácií za sekundu.

Superpočítače IBM

Keď sa na trhu počítačov objavili univerzálne systémy so škálovateľnou paralelnou architektúrou SP (Scalable POWER parallel) od IBM Corporation (http://www.ibm.com), rýchlo si získali obľubu. Dnes takéto systémy fungujú v rôznych oblastiach použitia, ako je výpočtová chémia, analýza nehôd, návrh elektronických obvodov, seizmická analýza, modelovanie nádrží, podpora rozhodovania, analýza údajov a online spracovanie transakcií. Úspech systémov SP je určený predovšetkým ich všestrannosťou, ako aj flexibilitou architektúry, založenej na modeli distribuovanej pamäte s odovzdávaním správ.

Všeobecne povedané, superpočítač SP je škálovateľný, masívne paralelný univerzálny výpočtový systém pozostávajúci zo sady základňových staníc RS/6000 prepojených vysokovýkonným prepínačom. Naozaj, kto by nepoznal napríklad superpočítač Deep Blue, ktorý dokázal poraziť Garryho Kasparova v šachu? Jedna z jeho modifikácií však pozostáva z 32 uzlov (IBM RS/6000 SP), založených na 256 procesoroch P2SC (Power Two Super Chip).

Rodina RS/6000 je druhá generácia počítačov IBM, založená na architektúre obmedzeného inštrukčného súboru (RISC) vyvinutej spoločnosťou koncom sedemdesiatych rokov. S týmto konceptom sa na vykonanie všetkej práce v počítačovom systéme používa veľmi jednoduchá sada príkazov. Pretože sú príkazy jednoduché, môžu byť vykonávané veľmi vysokou rýchlosťou a tiež poskytujú efektívnejšiu implementáciu spustiteľného programu. Rodina RS/6000 je založená na architektúre POWER (Performance Optimized by Advanced RISC architecture) a jej derivátoch - PowerPC, P2SC, POWER3 atď. Pretože architektúra POWER kombinuje koncepcie architektúry RISC s niektorými tradičnejšími koncepciami, výsledkom je systém s optimálny celkový výkon.

Systém RS/6000 SP poskytuje výkon viacerých procesorov na riešenie najzložitejších výpočtových problémov. Prepínací systém SP je najnovšou inováciou IBM v oblasti medziprocesorovej komunikácie s vysokou šírkou pásma a bez latencie pre efektívne paralelné výpočty. Niekoľko typov uzlov procesora, variabilné veľkosti rámca (rack) a množstvo ďalších I/O schopností zaisťuje výber najvhodnejšej konfigurácie systému. SP je podporovaný poprednými dodávateľmi softvéru v oblastiach, ako sú paralelné databázy a spracovanie transakcií v reálnom čase, ako aj hlavní predajcovia technického softvéru v oblastiach, ako je seizmické spracovanie a inžiniersky dizajn.

IBM RS/6000 SP vylepšuje aplikačné možnosti pomocou paralelného spracovania. Systém odstraňuje obmedzenia výkonu a pomáha predchádzať problémom spojeným so škálovaním a prítomnosťou nedeliteľných, samostatne vykonávaných fragmentov. S viac ako tisíckou zákazníkov nainštalovaných po celom svete poskytujú poskytovatelia služieb riešenia pre zložité a veľkoobjemové technické a komerčné aplikácie.

Hlavná jednotka SP je procesorový uzol, ktorý má architektúru pracovnej stanice RS/6000. Existuje niekoľko typov uzlov SP: Thin, Wide, High, líšia sa množstvom technických parametrov. Napríklad vysoké uzly založené na POWER3-II zahŕňajú až 16 procesorov a až 64 GB pamäte, ale tenké uzly nepovoľujú viac ako 4 procesory a 16 GB pamäte.

Systém je škálovateľný až na 512 uzlov a je možné kombinovať rôzne typy uzlov. Uzly sú inštalované v stojanoch (až 16 uzlov v každom). SP dokáže takmer lineárne škálovať disky spolu s procesormi a pamäťou, čo umožňuje skutočný prístup k terabajtom pamäte. Toto zvýšenie výkonu uľahčuje budovanie a rozširovanie systému.

Uzly sú vzájomne prepojené vysokovýkonným prepínačom (IBM high-performance switch), ktorý má viacstupňovú štruktúru a pracuje s prepínaním paketov.

Na každom uzle SP beží úplný operačný systém AIX, ktorý vám umožňuje využívať tisíce už existujúcich aplikácií AIX. Okrem toho je možné uzly systému kombinovať do skupín. Napríklad niekoľko uzlov môže fungovať ako servery Lotus Notes, zatiaľ čo všetky ostatné spracovávajú paralelnú databázu.

Správa veľkých systémov je vždy náročná úloha. SP na tento účel používa jedinú grafickú konzolu, ktorá zobrazuje stavy hardvéru a softvéru, spustené úlohy a informácie o používateľovi. Správca systému pomocou takejto konzoly (riadiacej pracovnej stanice) a softvérového produktu PSSP (Parallel Systems Support Programs) pripojeného k SP rieši úlohy správy vrátane správy ochrany heslom a používateľských oprávnení, účtovania vykonaných úloh, správy tlače, monitorovania systému. , spustenie a vypnutie systému.

Najlepší

Ako už bolo uvedené, podľa Top500 (tabuľka) je najvýkonnejším superpočítačom súčasnosti ASCI White, ktorý zaberá plochu o veľkosti dvoch basketbalových ihrísk a je inštalovaný v Livermore National Laboratory. Zahŕňa 512 SMP uzlov založených na 64-bitových procesoroch POWER3-II (celkovo 8192 procesorov) a využíva novú komunikačnú technológiu Colony s priepustnosťou približne 500 MB/s, čo je takmer štyrikrát rýchlejšie ako vysokovýkonný SP. prepínač.

Desať najlepších 500 (18. vydanie)

pozícia	Výrobca	Počítač	Kde je nainštalovaný	Krajina	rok	Počet procesorov
1	IBM	ASCI biela		USA	2000	8192
2	Compaq	AlphaServer SC	Pittsburghské superpočítačové centrum	USA	2001	3024
3	IBM	SP Power3	Výskumný ústav energie NERSC	USA	2001	3328
4	Intel	ASCI červená	Národné laboratórium Sandia	USA	1999	9632
5	IBM	ASCI Blue Pacific	Národné laboratórium v Livermore	USA	1999	5808
6	Compaq	AlphaServer SC		USA	2001	1536
7	Hitachi	SR8000/MPP	Tokijská univerzita	Japonsko	2001	1152
8	SGI	ASCI Modrá hora	Národné laboratórium Los Alamos	USA	1998	6144
9	IBM	SP Power3	Oceánografické centrum NAVOCEANO	USA	2000	1336
10	IBM	SP Power3	Nemecká meteorologická služba	Nemecko	2001	1280

Architektúra nového superpočítača je založená na osvedčenej masívne paralelnej architektúre RS/6000 a poskytuje výkon 12,3 teraflopov (bilión operácií za sekundu). Systém obsahuje celkovo 8 TB pamäte RAM rozloženej medzi 16-procesorové uzly SMP a 160 TB diskovej pamäte. Dodanie systému z laboratórií IBM v štáte New York do Livermore v Kalifornii si vyžiadalo 28 návesov.

Všetky systémové uzly bežia na OS AIX. Tento superpočítač používajú vedci z amerického ministerstva energetiky na spustenie zložitých 3D modelov, aby boli jadrové zbrane v bezpečí. ASCI White je vlastne tretím krokom v päťstupňovom programe ASCI, ktorý plánuje vytvoriť nový superpočítač v roku 2004. Vo všeobecnosti ASCI White pozostáva z troch samostatných systémov, z ktorých White je najväčší (512 uzlov, 8192 procesorov), a je tu aj Ice (28 uzlov, 448 procesorov) a Frost (68 uzlov, 1088 procesorov).

Predchodcom ASCI White bol superpočítač Blue Pacific (iný názov pre ASCI Blue), ktorý obsahoval 1464 štvorprocesorových uzlov založených na kryštáloch PowerPC 604e/332 MHz. Uzly sú spojené do jedného systému pomocou káblov v celkovej dĺžke takmer päť míľ a plocha počítačovej miestnosti je 8 tisíc štvorcových stôp. Systém ASCI Blue pozostáva celkovo z 5856 procesorov a poskytuje špičkový výkon 3,88 teraflopov. Celková veľkosť pamäte RAM je 2,6 TB.

Superpočítač pozostáva z kilometrov káblov.

Americké Národné centrum pre výskum atmosféry (NCAR) vybralo IBM za dodávateľa najvýkonnejšieho superpočítača na svete určeného na predpovedanie klimatických zmien. Systém známy ako Blue Sky, keď bude tento rok plne funkčný, zvýši možnosti modelovania klímy NCAR rádovo. Jadrom Blue Sky bude superpočítač IBM SP a systémy IBM eServer p690, ktorých použitím sa dosiahne špičkový výkon takmer 7 Tflops pri objeme diskového subsystému IBM SSA 31,5 TB.

Superpočítač s názvom Blue Storm vzniká na objednávku Európskeho centra pre strednodobé predpovede počasia (ECMWF). Blue Storm bude dvakrát výkonnejší ako ASCI White. Na jeho vytvorenie potrebujete 100 serverov IBM eServer p690, známych aj ako Regatta. Každá systémová jednotka s veľkosťou chladničky obsahuje viac ako tisíc procesorov. V roku 2004 bude Blue Storm vybavený servermi novej generácie p960, vďaka ktorým bude dvakrát výkonnejší. Na superpočítači bude fungovať operačný systém AIX. Na začiatku bude celková kapacita diskov Blue Storm 1,5 petabajtu a výpočtový výkon bude približne 23 teraflopov. Systém bude vážiť 130 ton a bude 1700-krát výkonnejší ako šachový superpočítač Deep Blue.

Výskumníci IBM spolupracujú s Livermore National Laboratory na počítačoch Blue Gene/L a Blue Gene/C. Tieto počítače sú súčasťou 5-ročného projektu Blue Gene, ktorý sa začal v roku 1999 skúmať proteíny, do ktorého sa investovalo 100 miliónov dolárov. Vytvorenie nového superpočítača Blue Gene/L (200 teraflopov) bude dokončené v roku 2004 – pre. šesť mesiacov - o rok skôr ako sa očakávalo ukončenie prác na výkonnejšom počítači Blue Gene/C (1000 teraflopov). Dizajnový výkon Blue Gene/L tak prekoná kombinovaný výkon 500 najvýkonnejších počítačov sveta. Nový superpočítač zároveň zaberá plochu rovnajúcu sa len polovici tenisového kurtu. Inžinieri IBM pracovali aj na znížení spotreby energie – podarilo sa im ju znížiť 15-krát.

Poznámky

Testy LINPACK.
Benchmarky LINPACK sú založené na riešení systému lineárnych rovníc s hustou maticou koeficientov v poli reálnych čísel pomocou Gaussovej eliminácie. Reálne čísla sú zvyčajne reprezentované s plnou presnosťou. Vzhľadom na veľký počet operácií na reálnych číslach sú výsledky LINPACK považované za benchmark pre výkon hardvérových a softvérových konfigurácií v oblastiach, ktoré intenzívne využívajú zložité matematické výpočty.

Simulátor Zeme.
Podľa magazínu New Scientist sa v novej, 19. verzii rebríčka Top500 superpočítačov umiestni na prvom mieste superpočítačový systém pre projekt Earth Simulator spoločnosti NEC Corporation. Je inštalovaný v Japonskom inštitúte vied o Zemi (Yokohamský inštitút pre vedy o Zemi) v Kanagawa, prefektúra Jokohama. Vývojári tvrdia, že jeho maximálny výkon môže dosiahnuť 40 Tflops.

Superpočítač Earth Simulator je navrhnutý tak, aby simuloval zmenu klímy na základe údajov získaných zo satelitov. Podľa predstaviteľov NEC je vysoký výkon počítača dosiahnutý použitím špeciálne navrhnutých vektorových procesorov. Systém je založený na 5120 takýchto procesoroch kombinovaných do 640 uzlov SX-6 (každý 8 procesorov). Na superpočítači beží SUPER-UX OS. Vývojové nástroje zahŕňajú kompilátory pre jazyky C/C++, Fortran 90 a HPF, ako aj nástroje na automatickú vektorizáciu, implementáciu rozhrania MPI-2 a matematickú knižnicu ASL/ES. Celý stroj zaberá plochu troch tenisových kurtov (50 x 65 m) a využíva niekoľko kilometrov kábla.

Na tretie miesto sa posunul superpočítač K Computer, ktorý predtým obsadil prvé miesto. Jeho výkon je 11,28 Pflops (pozri obrázok 1). Pripomeňme si, že FLOPS (Floating-point Operations Per Second, FLOPS) je jednotka merania výkonu počítača, ktorá ukazuje, koľko operácií s pohyblivou rádovou čiarkou za sekundu je daný výpočtový systém schopný vykonať.

K Computer je spoločným vývojom Inštitútu fyzikálneho a chemického výskumu Rikagaku Kenkiyo (RIKEN) a Fujitsu. Vznikla ako súčasť iniciatívy High-Performance Computing Infrastructure pod vedením japonského ministerstva školstva, kultúry, športu, vedy a technológie (MEXT). Superpočítač je inštalovaný na území Inštitútu pokročilých počítačových vied v japonskom meste Kobe.

Superpočítač je založený na architektúre distribuovanej pamäte. Systém pozostáva z viac ako 80 000 výpočtových uzlov a je umiestnený v 864 stojanoch, z ktorých každý obsahuje 96 výpočtových uzlov a 6 I/O uzlov. Uzly, z ktorých každý obsahuje jeden procesor a 16 GB RAM, sú vzájomne prepojené v súlade s topológiou „šesťrozmernej slučky / torusu“. Systém využíva celkovo 88 128 osemjadrových procesorov SPARC64 VIIIfx (705 024 jadier) vyrobených spoločnosťou Fujitsu pomocou 45 nm technológie.

Tento univerzálny superpočítač poskytuje vysokú úroveň výkonu a podporu pre širokú škálu aplikácií. Systém sa používa na vykonávanie výskumu v oblasti klimatických zmien, prevencie katastrof a medicíny.

Jedinečný systém vodného chladenia znižuje pravdepodobnosť zlyhania zariadenia a znižuje celkovú spotrebu energie. Úspory energie sa dosahujú použitím vysoko účinných zariadení, systému kogenerácie tepla a elektriny a radu solárnych panelov. Mechanizmus opätovného využitia odpadovej vody z chladiča navyše znižuje negatívny dopad na životné prostredie.

Budova, v ktorej sa K Computer nachádza, je odolná voči zemetraseniu a dokáže vydržať zemetrasenia s magnitúdou 6 a viac v japonskej mierke (0-7). Pre efektívnejšie umiestnenie stojanov a káblov zariadení je tretie podlažie s rozmermi 50 × 60 m úplne bez nosných stĺpov. Moderné stavebné technológie umožnili zabezpečiť prijateľnú úroveň zaťaženia (do 1 t/m2) pre inštaláciu regálov, ktorých hmotnosť môže dosiahnuť 1,5 tony.

SUPERPOČÍTAČ SEQUOIA

Superpočítač Sequoia nainštalovaný v Národnom laboratóriu Lawrence Livermore. Lawrence, má výkon 16,32 Pflops a je na druhom mieste v rebríčku (pozri obrázok 2).

Tento petaflop superpočítač, vyvinutý spoločnosťou IBM na základe Blue Gene/Q, bol vytvorený pre americký Národný úrad pre jadrovú bezpečnosť (NNSA) ako súčasť programu Advanced Simulation and Computing.

Systém pozostáva z 96 stojanov a 98 304 výpočtových uzlov (1024 uzlov na stojan). Každý uzol obsahuje 16-jadrový procesor PowerPC A2 a 16 GB DDR3 RAM. Celkovo je použitých 1 572 864 procesorových jadier a 1,6 PB pamäte. Uzly sú navzájom spojené v súlade s topológiou „päťrozmerného torusu“. Plocha, ktorú systém zaberá, je 280 m2. Celková spotreba energie je 7,9 MW.

Superpočítač Sequoia bol prvým na svete, ktorý vykonal vedecké výpočty, ktoré si vyžadovali viac ako 10 Pflops výpočtového výkonu. Simulačný systém kozmológie HACC si teda vyžiadal asi 14 Pflops, keď bežal v režime 3,6 bilióna častíc a pri spustení kódu projektu Cardiod na simuláciu elektrofyziológie ľudského srdca dosiahol výkon takmer 12 Pflops.

SUPERPOČÍTAČ TITAN

Superpočítač Titan inštalovaný v Oak Ridge National Laboratory (ORNL) v USA bol uznaný ako najrýchlejší superpočítač na svete. V benchmarkových testoch Linpack bol jeho výkon 17,59 Pflops.

Titan implementuje hybridnú architektúru CPU-GPU (pozri obrázok 3). Systém pozostáva z 18 688 uzlov, pričom každý je vybavený 16-jadrovým procesorom AMD Opteron a grafickým akcelerátorom Nvidia Tesla K20X. Celkovo je použitých 560 640 procesorov. Titan je aktualizáciou predtým používaného superpočítača ORNL Jaguar a zaberá rovnaké serverové skrine (celková plocha 404 m2).

Možnosť využívať existujúce napájacie a chladiace systémy ušetrila počas výstavby približne 20 miliónov dolárov. Spotreba energie superpočítača je 8,2 MW, čo je o 1,2 MW viac ako Jaguar, pričom jeho výkon pri operáciách s pohyblivou rádovou čiarkou je takmer 10-krát vyšší.

Titan bude primárne slúžiť na výskum v oblasti materiálovej vedy a jadrovej energie, ako aj na výskum súvisiaci so zlepšovaním účinnosti spaľovacích motorov. Okrem toho sa bude používať na modelovanie zmeny klímy a analýzu potenciálnych stratégií na riešenie jej negatívnych vplyvov.

„NAJZELEnejší“ SUPERPOČÍTAČ

Okrem hodnotenia Top500, zameraného na identifikáciu najvýkonnejšieho systému, existuje hodnotenie Green500, ktoré uznáva „najzelenšie“ superpočítače. Tu sa za základ berie ukazovateľ energetickej účinnosti (Mflops/W). Momentálne (najnovšie zverejnenie hodnotenia je november 2012) je lídrom Green500 superpočítač Beacon (253. miesto v Top500). Jeho indikátor energetickej účinnosti je 2499 Mflops/W.

Beacon poháňajú koprocesory Intel Xeon Phi 5110P a procesory Intel Xeon E5-2670, takže špičkový výkon môže dosiahnuť 112 200 Gflops pri celkovej spotrebe energie 44,9 kW. Koprocesory Xeon Phi 5110P poskytujú vysoký výkon s nízkou spotrebou energie. Každý koprocesor má výkon 1 teraflop (dvojitá presnosť) a podporuje až 8 GB pamäte GDDR5 so šírkou pásma 320 Gbps.

Pasívny chladiaci systém Xeon Phi 5110P má hodnotu TDP 225 W, čo je ideálne pre servery s vysokou hustotou.

SUPERPOČÍTAČ EURORA

Vo februári 2013 sa však objavili správy, že superpočítač Eurora, ktorý sa nachádza v Bologni (Taliansko), prekonal Beacon v energetickej účinnosti (3150 Mflops/watt oproti 2499 Mflops/W).

Eurora je postavená spoločnosťou Eurotech a pozostáva zo 64 uzlov, z ktorých každý obsahuje dva procesory Intel Xeon E5-2687W, dva GPU akcelerátory Nvidia Tesla K20 a ďalší hardvér. Rozmery takéhoto uzla nepresahujú rozmery notebooku, no ich výkon je 30-krát vyšší a spotreba energie je 15-krát nižšia.

Vysoká energetická účinnosť v Eurore je dosiahnutá použitím niekoľkých technológií. Najväčším prínosom je vodné chladenie. Každý uzol superpočítača je teda akýmsi sendvičom: centrálne zariadenie v spodnej časti, vodný výmenník tepla v strede a ďalšia elektronická jednotka v hornej časti (pozri obrázok 4).

Takéto vysoké výsledky sa dosahujú vďaka použitiu materiálov s dobrou tepelnou vodivosťou, ako aj rozsiahlej sieti chladiacich kanálov. Pri inštalácii nového výpočtového modulu sú jeho kanály kombinované s kanálmi chladiaceho systému, čo vám umožňuje meniť konfiguráciu superpočítača v závislosti od konkrétnych potrieb. Riziko úniku je podľa výrobcov eliminované.

Prvky superpočítača Eurora sú napájané 48-voltovými jednosmernými zdrojmi, ktorých zavedením sa znížil počet premien energie. Nakoniec sa teplá voda odstránená z výpočtového zariadenia môže použiť na iné účely.

ZÁVER

Superpočítačový priemysel sa aktívne rozvíja a vytvára stále nové a nové rekordy v oblasti výkonu a energetickej účinnosti. Treba poznamenať, že práve v tomto odvetví, ako nikde inde, sa dnes vo veľkej miere využívajú technológie chladenia kvapalinou a 3D modelovania, keďže špecialisti stoja pred úlohou zostaviť supervýkonný výpočtový systém, ktorý by bol schopný fungovať v obmedzený objem s minimálnymi energetickými stratami.

Jurij Chomutskij- Hlavný projektový inžinier v I-Teco. Možno ho kontaktovať na: [chránený e-mailom]. Článok používa materiály z internetového portálu o dátových centrách „www.AboutDC.ru - Riešenia pre dátové centrá“.

Čas čítania: 2 minúty.

Ľudstvo sa doteraz nedostalo na odpadové haldy Marsu, nevynašlo elixír mladosti, autá sa ešte nemôžu vznášať nad zemou, no je niekoľko oblastí, v ktorých sme stále uspeli. Práve takouto oblasťou je vytváranie výkonných superpočítačov. Ak chcete vyhodnotiť výkon počítača, musíte určiť, ktorý kľúčový parameter je zodpovedný za túto charakteristiku. Tento parameter je flops - hodnota, ktorá ukazuje, koľko operácií môže počítač vykonať za jednu sekundu. Práve na základe tejto hodnoty náš magazín Big Rating zaradil najvýkonnejšie počítače na svete za rok 2017.

Výkon superpočítača - 8,1 Pflop/s

V tomto počítači sú uložené údaje, ktoré sú zodpovedné za bezpečnosť vojenskej štruktúry Spojených štátov amerických a v prípade potreby je tiež zodpovedný za stav pripravenosti na jadrový útok. Pred dvoma rokmi bol tento stroj jedným z najvýkonnejších a najdrahších na svete, no dnes už Trinity nahradili novšie zariadenia. Systém, na ktorom tento superpočítač beží, je Cray XC40, vďaka ktorému dokáže zariadenie „vykonať“ taký počet operácií za sekundu.

Mira

Výkon superpočítača – 8,6 Pflop/s

Cray vydal ďalší superpočítač, Mira. Americké ministerstvo energetiky nariadilo výrobu tohto stroja, aby koordinovalo jeho prácu. Oblasť, v ktorej Mira pôsobí, je priemysel a rozvoj výskumného potenciálu. Tento superpočítač dokáže vypočítať 8,6 petaflopov za sekundu.

Výkon superpočítača – 10,5 Pflop/s

Názov tohto zariadenia okamžite vystihuje výkon, japonské slovo „kei“ (K) znamená desať kvadriliónov. Tento údaj takmer presne vystihuje jeho výrobnú kapacitu – 10,5 petaflops. Vrcholom tohto superpočítača je jeho chladiaci systém. Používa sa vodné chladenie, ktoré znižuje spotrebu energetických zásob a znižuje rýchlosť montáže.

Výkon superpočítača – 13,6 Pflop/s

Fujitsu, spoločnosť z krajiny vychádzajúceho slnka, neprestala pracovať, keď vydala superpočítač K Computer, okamžite začala nový projekt. Týmto projektom bol superpočítač Oakforest-Pacs, ktorý je klasifikovaný ako nová generácia strojov (Knights landing generation). Jeho vývoj bol poverený Tokijskou univerzitou a univerzitou Tsukuba. Podľa pôvodného plánu mala byť pamäť zariadenia 900 TB a výkon Oakforest-Pacs by bol 25 kvadriliónov operácií za sekundu. Kvôli nedostatku financií však mnohé aspekty neboli dokončené, takže výkon superpočítača bol 13,6 petaflopov za sekundu.

Cori

Výkon superpočítača – 14 Pflop/s

Ešte minulý rok bola Cori na šiestom mieste v rebríčku najvýkonnejších superpočítačov na svete, no šialenou rýchlosťou vývoja technológií si jednu pozíciu pohoršila. Tento superpočítač sa nachádza v Spojených štátoch, v Národnom laboratóriu Lawrence Berkeley. Vedcom zo Švajčiarska sa s pomocou Coriho podarilo vyvinúť 45-qubitový kvantový počítač. Výrobná kapacita tohto superpočítača je 14 petaflopov za sekundu.

Výkon superpočítača – 17,2 Pflop/s

Vedci z celého sveta sa už dávno zhodli, že Sequoia je najrýchlejší superpočítač na planéte. A nie je to len tak, pretože je schopný vykonávať aritmetické výpočty, ktoré by 6,7 miliardám ľudí trvali 320 rokov, za jednu sekundu. Veľkosť stroja je skutočne úžasná - zaberá viac ako 390 metrov štvorcových a obsahuje 96 stojanov. Šestnásťtisíc biliónov operácií alebo inými slovami 17,2 petaflops je výrobná kapacita tohto superpočítača.

Titan

Výkon superpočítača – 17,6 Pflop/s

Okrem toho, že ide o jeden z najrýchlejších superpočítačov na planéte, je aj veľmi energeticky efektívny. Ukazovateľ energetickej účinnosti je 2142,77 megaflops na watt energie potrebnej na spotrebu. Dôvodom tejto nízkej spotreby je akcelerátor Nvidia, ktorý poskytuje až 90 % energie potrebnej na prácu s počítačom. Okrem toho akcelerátor Nvidia výrazne zmenšil plochu, ktorú tento superpočítač zaberá, teraz mu stačí 404 metrov štvorcových.

Výkon superpočítača – 19,6 Pflop/s

Prvé spustenie tohto zariadenia sa uskutočnilo v roku 2013 vo Švajčiarsku, v meste Lugano. Teraz je geolokáciou tohto superpočítača Švajčiarske národné superpočítačové centrum. Piz Daint je kombináciou všetkých najlepších vlastností vyššie uvedených strojov, má veľmi vysokú energetickú účinnosť a je veľmi rýchly vo výpočtoch. Len jedna charakteristika ponecháva veľa na želanie - rozmery tohto superpočítača zaberá 28 obrovských stojanov. Piz Daint je schopný 19,6 petaflopov výpočtového výkonu za sekundu.

Výkon superpočítača – 33,9 Pflop/s

Toto zariadenie má romantický názov Tianhe, čo v čínštine znamená „Mliečna dráha“. Tianhe-2 bol najrýchlejší počítač na zozname 500 najrýchlejších a najvýkonnejších superpočítačov. Dokáže vypočítať 2507 aritmetických operácií, čo v petaflopoch je 33,9 Pflops/s. Špecializácia, v ktorej sa tento počítač používa, je stavebníctvo, počíta operácie súvisiace s výstavbou a kladením ciest. Od svojho prvého uvedenia na trh v roku 2013 sa tento počítač nestratil v zoznamoch, čo dokazuje, že ide o jeden z najlepších strojov na svete.

Výkon superpočítača – 93 Pflop/s

Sunway TaihuLight je najrýchlejší superpočítač na svete, okrem obrovskej výpočtovej rýchlosti sa preslávil aj obrovskými rozmermi – zaberá plochu viac ako 1000 metrov štvorcových. Medzinárodná konferencia 2016, ktorá sa konala v Nemecku, uznala tento superpočítač za najrýchlejší na svete a v tomto smere stále nemá vážneho konkurenta. Jeho rýchlosť je trikrát vyššia ako Tianhe-2, ktorý je v tomto ohľade najbližším superpočítačom!

Technologický pokrok nestojí, vyvíja sa kozmickou rýchlosťou, ovplyvňuje mnohé aspekty ľudského života a má veľa pozitívnych aj negatívnych stránok. Pre ľudí sú teraz dostupné technológie rôznych typov: počítače, roboty a prístroje. Ale hlavným účelom akéhokoľvek zariadenia je zjednodušiť život človeka; technológia by sa nemala stať bezvýznamnou zábavou, ktorá bude len strácať čas.