Автор: Владислав Демьянишин

 

 

Совершенно недостаточно для научных целей производительности офисных компьютеров и даже промышленных серверов, особенно если речь идет о критически важных для человечества направлениях исследований, таких как сейсмическая активность, изменения климата, атомная энергетика и биохимический синтез.

 

Именно поэтому огромные средства инвестируются в строение передовых вычислительных систем – суперкомпьютеров. На заре эпохи информационных технологий термины «компьютер» и «суперкомпьютер» были фактически синонимами, но разрыв в мощности с каждым годом увеличивался.

 

Наиглавнейшей отличительной чертой суперкомпьютера является разделение начальной задачи на множество подзадач, а затем сложение полученных частных результатов в одно целое.

 

 

Первое по-настоящему сложное вычислительное устройство (своеобразный суперкомпьютер своего времени) было создано в Древней Греции. Оно называлось антикитерским механизмом и датируется 100-150 годами до н.э.

 

 

Состоит из корпуса (рис. 1), двух циферблатов, стрелок и множества бронзовых шестерен, хотя прежде историки считали, что дифференциальная передача была придумана лишь в XVI столетии.

Антикитерский механизм способен не только выполнять математические расчеты (сложение, вычитание и деление), но и прогнозировать даты солнечных и лунных затмений. В 2010 году Эндрю Кэрол – инженер из Apple воссоздал знаменитый антикитерский механизм при помощи конструктора LEGO (рис. 2).

 

 

От достижений эллинской культуры перейдем сразу к событиям XX века. Термин «супервычисления» был впервые замечен в 1920 году в газете New York World. Тогдашняя статья повествовала о табуляторе IBM, созданном по заказу Колумбийского университета.

 

Устройство позволяло частично автоматизировать процесс обработки информации: суммировать записанные на перфокартах данные или разделять их на категории. Результаты выдавались на бумажном носителе – тех же перфокартах или ленте.

 

 

Суперкомпьютеры в годы Второй мировой войны тоже боролись за мир в глубоком тылу. В 1943 году в Великобритании для расшифровки сообщений немецкой разведки был создан первый программируемый электронный компьютер Mark I Colossus (рис. 3). Британский суперкомпьютер внес свою лепту в победу во Второй мировой войне.

 

Созданная Максом Ньюменом из 1500 вакуумных ламп вычислительная машина оказалась настолько эффективной, что еще до падения третьего рейха вошел в строй десяток ее аналогов.

 

 

«Суперкомпьютер», как термин в современном понимании появился в 1964 году, когда Сеймур Крей из компании Control Data Corporation создал вычислительную машину CDC 6600 (рис. 4). Ее официально окрестили именем «суперкомпьютер». Устройство стало первым в мире компьютером на основе архитектуры VLIW (very long instruction word), благодаря которой процессор способен осуществлять несколько операций параллельно.

 

Производительность CDC 6600 составляла примерно 1 Мфлопс, что втрое превосходило показатели главного конкурента IBM 7030 Stretch и позволяло лидеру до 1969 года оставаться мощнейшим в мире компьютером.

 

 

В 1972 году Сеймур Крэй покинул свою должность в Control Data Corporation, чтобы основать собственное предприятие. Спустя четыре года мир увидел суперкомпьютер Cray 1 (рис. 5) с процессором, работавшим на невиданной по тем временам частоте – 80 МГц.

Уважение внушал и вес компьютера 5,5 т, учитывая фреоновую систему охлаждения. Производительность 136 Мфлопс при сравнительно разумной цене позволила Cray 1 стать первым в истории серийным суперкомпьютером.

 

 

В 1985 году по заказу Министерства обороны США был разработан его прямой наследник – Cray 2. За десятилетие вычислительная мощность выросла в разы и составила 1,9 Гфлопс, что не странно, учитывая применение восьми процессоров сразу, Cray 2 не имел себе равных до 1990 года (рис. 6).

 

К счастью, прогресс не стоит на месте и поэтому технологии, используемые при строительстве суперкомпьютеров, из научных лабораторий и военных командных бункеров спустя некоторое время попадают на полки магазинов в виде потребительской электроники.

 

 

Например, любимый многими планшетник Apple iPad 2 (рис. 7), который без особых проблем умещается в дамской сумочке, по своей вычислительной мощности сопоставим с вычислительным монстром 1980-х Cray 2.

В конце прошлого столетия началась настоящая суперкомпьютерная гонка: США и Япония поочередно отбирали друг у друга лавры первенства. Число процессоров измерялось уже не десятками, а сотнями и тысячами.

Сначала в 1990 году Control Data Corporation заставила вновь вспомнить о себе, выпустив суперкомпьютер ЕТА10 с производительностью 52 Гфлопс, но уже через три года лидером стал Intel Paragon на основе процессоров Intel i860. В 1994 году японский суперкомпьютер Fujitsu Numerical Wind Tunnel с 166 векторными процессорами показал результат 282 Гфлопс.

 

В 1996 году число процессоров суперкомпьютера Hitachi SR2201 достигло 2048, а уровень производительности – 600 Гфлопс. В том же году американскому ASCI Option Red удалось превзойти заветный показатель 1 Тфлопс.

 

 

Этот суперкомпьютер оставался рекордсменом до 2000 года, а в 2006-м был демонтирован. Рубеж в 1 Пфлопс (примерно 100 000 настольных компьютеров) покорился суперкомпьютеру IBM Roadrunner (рис. 8) из Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико относительно недавно – в 2008 году. Он активно используется и ныне, но в рейтинге ТОР500 опустился уже на 10-е место.

 

 

Несмотря на уникальность каждого современного суперкомпьютера, все же можно выделить основные тенденции. Существует два кардинально противоположных подхода к строению вычислительных систем: кластер и многопроцессорный компьютер.

Кластером называют группу обычных компьютеров, объединенных высокоскоростными каналами связи в единый аппаратный ресурс. Каждый из компьютеров имеет собственный процессор, оперативную память и операционную систему.

 

Многопроцессорный компьютер, в отличие от кластера, имеет общую оперативную память и работает под управлением единой ОС. Обычно такие компьютеры проектируются в виде соединенных в сеть монтажных шкафов с множеством слотов для стоечных серверов.

 

В каждый стоечный сервер устанавливается один или несколько процессоров, модулей оперативной памяти и жестких дисков, а электропитание и система теплоотвода подключаются сразу ко всему монтажному шкафу.

Для суперкомпьютеров комплектующие производят те же компании, что и для домашних компьютеров. Однако, как правило, применяются серверные модификации с большей производительностью и временем наработки на износ, но при этом меньшим энергопотреблением.

 

 

Производители центральных процессоров архитектуры х8б – Intel и AMD присутствуют и на рынке суперкомпьютеров, но здесь они далеко не монополисты. Серьезную конкуренцию составляют IBM Power7 и Fujitsu SPARC64. В сравнении с ними даже восьмиядерный Intel Xeon X7560 2,26 ГГц и шести-ядерный AMD Opteron 4184 2,8 ГГц не выглядят неоспоримыми победителями.

 

 

Совсем недавно компания IBM выпустила процессор z196 с тактовой частотой 5,2 ГГц, a Fujitsu – пусть не рекордный, но все равно мощный восьмиядерный чип SPARC64 VIIIfx 2 ГГц (рис. 9).

Молодым, зато крайне перспективным игроком является компания NVIDIA. Как показывает практика, графические ускорители, состоящие из сотен упрощенных вычислительных ядер (шейдеров), эффективнее справляются с распараллеленными задачами, чем универсальные центральные процессоры.

 

 

 

Компания NVIDIA разработала «домашний» суперкомпьютер, такой себе тысячеядерник на дому в виде системного блока, состоящего из двух графических адаптеров Tesla. Устройство получило название D870 (рис. 10). У него 960 ядер с поддержкой технологии параллельных вычислений CUDA. Цена NVIDIA Tesla D870 - $10 тыс. (рис. 11), но это в разы меньше суммарной стоимости сотни компьютеров, объединенных в кластер.

 

 

В суперкомпьютерах применяются серверные модули оперативной памяти стандарта Long-DIMM. Как правило, такая ОЗУ работает на слегка пониженной частоте, чтобы обеспечить высочайшую надежность работы и разумное энергопотребление.

Объем оперативной памяти большинства современных суперкомпьютеров измеряется в десятках и даже сотнях терабайт, в то время как флагманы перевалили за отметку в петабайт. Это необходимо для того, чтобы хранить временные файлы в быстрой оперативной памяти и пореже обращаться к жесткому диску – «узкому горлышку» современных суперкомпьютеров.

 

Производительность процессоров и оперативной памяти растет с каждым годом, чего не скажешь о HDD. Даже высокоскоростным моделям вроде Western Digital VelociRaptor со скоростью вращения 10 000 об./мин. не удается исправить ситуацию.

Емкость современных жестких дисков не превышает 3 Тб, поэтому их объединяют в RAID-массивы, чтобы получить логические разделы большего объема и возможность резервного копирования информации.

 

Твердотельные накопители обладают более высокими скоростями чтения и записи, а главное – малым временем доступа к данным. Но их емкости пока слишком малы, чтобы использоваться в суперкомпьютерах, которым нужны петабайты дискового пространства.

А еще одно преимущество SSD – бесшумная работа, в данном случае и вовсе бесполезна.

 

 

Обеспечение электричества и отвод тепла являются самыми сложными задачами, с которыми приходится сталкиваться инженерам при проектировании суперкомпьютеров. Подобные вычислительные системы потребляют столько электроэнергии, что хватило бы для освещения целого микрорайона.

 

Выделяемым же теплом можно было бы обогревать этот микрорайон зимой. Кстати, именно так и делают: отработанная вода из системы охлаждения идет в радиаторы рабочих и жилых помещений научных учреждений. Фреон и жидкий азот теперь остались в прошлом: большинство суперкомпьютеров сейчас охлаждаются водой, а некоторые энергоэффективные системы – воздухом.

 

В 2012 году в Германии планируется запустить суперкомпьютер под названием SuperMUC, охлаждаемый не холодной, а горячей водой. В проекте Лейбницкого суперкомпьютерного центра задействованы компании IBM и Intel, которым поручено создать систему охлаждения с циркулирующей жидкостью, нагретой до 40°С. Согласно замыслу инженеров, такой подход более эффективен, а значит, для круглосуточной прокачки воды потребуется меньше электричества.

 

 

Реализовать распараллеливание начальной задачи на десятки и сотни тысяч подзадач совсем не просто. Всего шесть из пятисот мощнейших суперкомпьютеров мира работают под управлением операционной системы MS Windows, совместимой только с процессорной архитектурой х8б. На остальных вычислительных системах установлены UNIX-подобные ОС: Linux, AIX и OpenSolaris (разработанной компанией Sun Microsystems, которая куплена компанией Oracle).

Ключевую роль играет, конечно, прикладное программное обеспечение, которое разрабатывается под конкретные задачи, будь то физические, химические или биологические исследования.

 

 

 

 

 

Журнал > Познавательно > Суперкомпьютеры (история). Часть 1