Автор: Владислав Демьянишин

 

 

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

 

 

Однозначную формулировку найти просто необходимо. Определение этого понятия не раз было предметом многочисленных дискуссий, но конечный результат не достигнут и до сих пор.

Само понятие «суперкомпьютер» возникло в середине 1960-х лет, когда компьютеров стало достаточно много и они начали различаться мощностью и предназначением. Отсюда и возникла необходимость их классификации.

На разных этапах развития компьютерной техники под определение «суперкомпьютер» подпадали разные виды компьютеров. Несомненно, некоторые варианты классификации уже устарели, другие же нуждаются в уточнении.

К примеру, существует определение суперкомпьютера как «компьютера с продуктивностью больше Х Y-флопсов». Сразу возникает проблема, как определить это Х? К тому же понятно, что с каждым годом нужно как-то корректировать Х и каждые 2-3 года изменять Y.

 

Другая проблема более сложна – что такое «производительность»? Ведь «производительность системы» (как характеристики процесса решения конкретных задач) и «быстродействие процессора» (количество операций, выполняемых процессором) – далеко не одно и то же.

 

В данный момент компьютеры и суперкомпьютеры конструируют на основе процессоров архитектур RISC и CISC.

Как можно сравнить производительность процессора архитектуры CISC с производительностью процессора архитектуры RISC? Особенности этих архитектур таковы, что если взять по одному процессору этих двух архитектур с одинаковым количеством выполняемых команд в секунду, то на самом деле производительность этих процессоров будет не равна, даже более того, будет отличаться в разы.

 

Все дело в том, что архитектура RISC использует упрощенный набор команд. Например, среди команд такого процессора нет команд арифметического умножения, деления и более сложных, поскольку для выполнения такие команды требуют большое количество тактов процессора. Поэтому в RISC-процессорах сложные команды реализуются путем составления подпрограмм из более простых команд.

 

Архитектура CISC, наоборот, использует весьма обширный список команд, в том числе и для сложных вычислений, что позволяет создавать более короткие программы и использовать для хранения исполняемого кода меньший объем кеша.

Исходя из архитектур RISC и CISC может получаться, что одна команда RISC выполняется за 1-2 такта, а команда CISC может занять 1-20 тактов. Значит польза от 1 000 000 команд RISC меньше, чем польза от 1 000 000 команд CISC.

Не говоря уже о том, что производительность многопроцессорной системы, увы, не всегда равна сумме продуктивностей отдельных ее процессоров.

 

В 1989 году Гордон Бел и Дон Нельсон шутя предложили считать суперкомпьютером любой компьютер, который весит больше тоны ;). Несмотря на шутливость этого определения, оно выглядит достаточно реальным и понятным для четкого выделения суперкомпьютеров (конкретные весовые показатели можно уточнять).

 

По аналогии с привычными определениями персонального компьютера как такого, которого можно разместить на письменном столе, и ноутбука, как такого, который влезает в портфель, можно классифицировать компьютеры не по техническим характеристикам, а по их назначению.

1. Рабочие станции (ПК) – поддержка индивидуальной работы.

2. Серверы и мейнфреймы – многопользовательские системы коллективного доступа.

3. Суперкомпьютеры – решение уникальных сложных расчетных задач.

 

 

Простой ретроспективный анализ – где и зачем использовались такие машины – однозначно свидетельствует, что речь идет о решении сложных математических вычислительных задач в пределах фундаментальных исследований и о реализации проектов национального или международного масштаба.

 

Расшифровка секретных кодов и баллистические расчеты – вот основное применение вычислителей во время Второй мировой войны. Первые прообразы современных компьютеров создавались в пределах ядерных проектов. Например, наиболее известные советские суперкомпьютеры «Эльбрус» были разработаны для реализации противоракетной обороны страны в 1970-80-ые годы.

 

Можно вспомнить о геофизических исследованиях, прогнозировании погоды, расшифровке генома человека, создании новых лекарств, и тому подобное.

Например, «использование суперкомпьютера позволило сократить расходы на разведку нового месторождения нефти на 20%». Но кроме увеличения суперкомпьютерных мощностей существует проблема недостаточной загруженности уже существующих суперкомпьютеров задачами производства и экономики.

 

Еще одна сложность заключается в том, что задействовать возможности суперкомпьютеров вовсе не так просто. Ведь основной эффект при их приложении достигается за счет распараллеливания вычислительных процессов, а возможности решения такой задачи автоматически, с помощью только программных средств, достаточно ограниченные, в том числе при работе с моделями, которые описываются уравнениями математической физики.

Таким образом, использование суперкомпьютеров нуждается, прежде всего, в достаточно серьезных инвестициях в развитие математического и программного обеспечения.

Среди задач, которые решаются в настоящий момент, например, в Украинском СОЦ НАНУ, - предупреждение экологических катастроф, обработка и интерпретация геофизических данных для разведки нефти и газа, моделирования и прогнозирования погоды, а также последствий вредных выбросов в атмосферу.

 

СОЦ успешно разрабатывает много других, более специфических технологий, начиная с поиска оптимального расположения аварийных служб и станций скорой помощи, выявления прорывов нефтепроводов и прогнозирования повреждения посевов зерновых, до сложных технологий противоракетной обороны, предупреждения террористических акций, оценки инвестиционных проектов, рыночных исследований, и тому подобное.

Наши отечественные суперкомпьютерные вычислительные центры решают важнейшие для экономики Украины задания, многие из которых раньше считались почти невыполнимыми. Для большинства разработанных технологий скорость получения результатов вычислений является фактором, который полностью определяет их практическую ценность.

 

В этих условиях наращивания вычислительной мощности украинских суперкомпьютеров – задача первоочередной важности, ее решение обеспечит конкурентоспособность новой экономики Украины в ключевых отраслях.

Что касается больших мировых бизнес-корпораций, то они уже давно поняли преимущества и необходимость суперкомпьютеров и создали собственные мощности.

В рейтинге TOP500 наимощнейших компьютерных систем мира уже более 60% инсталляций принадлежит корпорациям, а не исследовательским центрам.

В действительности эта пропорция еще больше сдвинута в сторону бизнеса, поскольку не каждая компания стремится афишировать свои IT-ресурсы. Ведь лучше, когда конкуренты тебя недооценивают. Наиболее яркий пример бизнеса, который использует суперкомпьютерные масштабы IT, – поисковая система Google.

 

В Google не раз хвастались, что их компания, в сущности, огромный суперкомпьютер. Ее серверные кластеры в разных странах состоят из сотен тысяч узлов, всего около миллиона машин. Если бы Google захотел доказать свою производительность тестами Linpack, то потеснил бы в рейтинге немало достаточно известных компьютерных систем.

 

Суперкомпьютерные технологии нашли применение и в современном спорте. Американская команда бобслеистов стартовала на Олимпиаде в Ванкувере-2010 на бобах, обсчитанных на суперкомпьютерах.

Болиды Formula 1 уже не могут обойтись без суперкомпьютерных вычислений аэродинамики. У Renault есть большая серверная ферма в Енстоуне, у BMW – наибольший компьютер в автомобильной индустрии.

Разумеется, область применений суперкомпьютеров не ограничивается этими отраслями, но на данном этапе развития промышленности и экономики все еще нечасто для вычислений и моделирования используют просто компьютеры, не говоря уже о суперкомпьютерах. Следовательно, проблема не только в недостаточном использовании супертехнологий, но и в низком уровне применения существующих средств автоматизации и моделирования процессов и объектов.

 

 

В июне 2011 года в рейтинге ТОР500 сменился лидер. Пальмовая ветвь первенства теперь принадлежит японскому вычислительному монстру K Computer (рис. 1), построенному компанией Fujitsu по заказу Института физико-химических исследований в японском городе Кобе, и установленному в RIKEN Advanced Institute for Computational Science (AICS).

 

 

Его производительность оценивают в 8,16 Пфлопс (квадрильонов операций в секунду), что втрое превосходит показатели предыдущего рекордсмена. Невиданного доселе результата удалось достичь благодаря 68 544 восьмиядерным процессорам Fujitsu SPARC64 VHIfx – в сумме это больше полумиллиона вычислительных ядер. К computer занимает 672 монтажных шкафа и потребляет 10 МВт электроэнергии, что сопоставимо с 10 тысячами жилых домов.

 

До последнего времени рейтинг ТОР500 возглавлял китайский суперкомпьютер Tianhe-1A из находящегося в Тяньцзине Национального университета оборонных технологий. Однако теперь переместился на второе место.

При его строении использовалась гибридная архитектура: 14 336 центральных процессоров Intel Хеоп дополняют 7168 графических ускорителей NVIDIA Tesla M2050. Это позволило достичь производительности 2,57 Пфлопс и, главное, снизить энергопотребление с 10 до 4 МВт.

 

Строительство Tianhe-1A обошлось в $88 млн, а ежегодные расходы на обслуживание, включая оплату штата технических специалистов из двухсот человек, составляют $20 млн.

Мощнейший суперкомпьютер США, как ни странно, занимает лишь третью строчку в рейтинге. Cray XT5 Jaguar мощностью 1,76 Пфлопс находится в Оукриджской национальной лаборатории, штат Теннесси. Его основой стали четырех- и шестиядерные процессоры AMD Opteron, а суммарное число ядер превышает 200 тыс.

 

К слову, ученые из Оукриджской национальной лаборатории не ограничиваются всего одним суперкомпьютером. Вдобавок к Jaguar у них имеется вычислительная система Cray ХТ5 Kraken производительностью 1 Пфлопс.

В следующем году в этой лаборатории будет построен третий суперкомпьютер – Cray XE6 Titan. На сей раз, кроме центральных процессоров, планируется применение видеокарт NVIDIA Tesla, что должно обеспечить быстродействие до 20 Пфлопс.

Уже сейчас HP выпустила GPU Starter Kit, включающий вычислительный кластер на базе 16 центральных процессоров и 24 графических карт NVIDIA Tesla M2070 с пиковой производительностью 13.5 Тфлопс с предустановленным ПО NVIDIA CUDA 4.0.

 

 

Рейтинг самых мощных суперкомпьютеров мира (www.top500.org/lists) получил название ТОР500 (рис. 2). TOP500 – проект по составлению рейтинга и описаний 500 самых мощных общественно известных компьютерных систем мира. Проект был запущен в 1993 году и публикует актуальный список суперкомпьютеров дважды в год (в июне и ноябре).

 

Этот проект направлен на обеспечение надежной основы для выявления и отслеживания тенденций в области высокопроизводительных вычислений.

Россия по данным на июнь 2011 года занимает 7 место по количеству эксплуатируемых компьютерных систем (12 суперкомпьютеров в списке). Лидирует по этому показателю США – 255 систем, затем идут Китай (61) и Германия (30). В США установлены 5 из 10 самых мощных систем. На Европу приходится 126, Азию – 103, обе Америки – 265 суперкомпьютеров из списка.

 

В начале 1990-х годов возникла необходимость получения сравнительных характеристик и метрик суперкомпьютеров. После экспериментов 1992 года с метриками, основанными на количестве процессоров, в университете Мангейма возникла идея сравнивать все подсистемы суперкомпьютеров. В начале 1993 года Джек Донгарра был убежден принять участие в этом проекте со своим тестом Linpack.

 

 

В 1993 году рейтинг возглавила вычислительная система Thinking Machines CM-5 Frostburg с показателем 60 Гфлопс. С того времени рейтинг обновляется дважды в год – в июне и ноябре.

 

 

В России размещено 12 суперкомпьютеров. Гордость России – суперкомпьютер T-Blade 2 компании «Т-Платформы», именуемый “Ломоносов”, построенный на T-Платформе (рис. 3). Занимает 18-е место, а у себя на родине он остается бесспорным лидером. После модернизации его производительность поднялась с 397,1 до 674,1 Тфлопс.

 

D-Wave One – это экспериментальный квантовый компьютер на основе 128-кубитного процессора (рис. 4).

 

 

А если рассматривать рейтинг в плоскости производителей, то с большим отрывом лидируют IBM и Hewlett-Packard – 212 и 155 суперкомпьютеров соответственно. На почетном третьем месте закрепилась компания Cray с 29 вычислительными системами.

 

 

Данный рейтинг доступен по адресу http://top50.supercomputers.ru/?page=rating.

Лидирующее место в этом рейтинге занимает уже выше упомянутый российский суперкомпьютер «Ломоносов» (http://parallel.ru/cluster/lomonosov.html). Второе место по-прежнему удерживает суперкомпьютер Hewlett-Packard Cluster Platform 3000 BL2x220, установленный в РНЦ Курчатовский институт, производительность которого 101,2 Тфлопс.

 

Замыкает тройку система «СКИФ-Аврора», смонтированная в Южно-Уральском государственном университете. Ее производительность приближается к 100 Тфлопс.

За полгода нижний порог вхождения в список Топ-50 вырос с 3,75 до 5,67 Тфлопса. Из полусотни суперкомпьютеров 47 используют процессоры Intel, два – чипы AMD и один – IBM. Продолжается рост количества процессорных ядер в системе. В сентябрьской редакции списка оно составляет не менее 576, а 37 систем являются более чем 1024-ядерными.

 

Число компьютеров, использующих для взаимодействия узлов лишь коммуникационную сеть Gigabit Ethernet, увеличилось с 9 до 12. Количество суперкомпьютеров, в которых применяется шина InfiniBand, уменьшилось с 36 до 34.

27 из попавших в рейтинг систем задействованы в науке и образовании, семь суперкомпьютеров ориентированы на конкретные прикладные исследования, еще четыре комплекса используются в промышленности и три – в финансовой сфере.

 

 

Построенный в Национальном техническом университете Украины (Киевский политехнический институт) еще в 2006 году суперкомпьютер (рис. 5) имеет показатель пиковой продуктивности 2 ТФлопс/с.

 

 

На тот момент этот суперкомпьютер опережал примерно в 3 раза суперкомпьютер Института кибернетики НАН Украины, который имел соответствующий показатель 0,358 ТФлопс. Наш суперкомп содержит всего 168 процессоров 2 х Intel Xeon.

Однако уже в то время наш украинский суперкомпьютер вошел в 5-тихатку наилучших суперкомпьютеров мира.

 

По данным 22 января 2009 года в НТУУ «Киевский политехнический институт» на совместном заседании Комитета ВР Украины по вопросам науки и образования и Консультативного совета по вопросам информатизации состоялась презентация самого мощного в Украине суперкомпьютера, включенного в grid-систему.

 

Суперкомпьютер состоит из двух подсистем. Первая, работающая под управлением ОС Linux, содержит 44 узла на базе четырехъядерных CPU Intel Xeon E5440 и 8 Гб ОЗУ и 78 узлов на основе двухъядерных CPU Intel Xeon 5160 и 4 Гб ОЗУ. Все узлы двухпроцессорные.

 

Вторая подсистема под управлением ОС Windows Server 2008 HPC включает 16 двухпроцессорных узлов на базе четырехъядерных CPU Intel Xeon E5440 и 8 Гб ОЗУ. Пиковая производительность суперкомпьютера составляет 7 Тфлопс.

На сегодня суперкомпьютерный центр НТУУ КПИ является также основным звеном в проекте по созданию национальной grid-инфраструктуры, которая включает на данный момент также кластеры НАНУ, ИТФ и КНУ.

Суперкомпьютер был построен компанией «Юстар», исполнительный директор которой Владимир Савьяк продолжил презентацию. После краткого экскурса в историю этапов развития украинского grid-сообщества он представил структурные схемы системы xScale НТУУ КПИ и инфраструктуры ЦОД.

 

Выступающий также подчеркнул, что сегодня в Украине уже достигнут мировой уровень в построении суперкомпьютеров, и более высокие мощности западных вычислительных систем определяются лишь финансовой, а не технологической составляющей.

На каком же мы месте? В итоге на данный момент наше место 50-е в рейтинге TOP50. А ведь еще по данным 2004 года мы занимали 13-е и 49-е места (http://top50.supercomputers.ru/?page=archive&rating=1). Как бы ни было это все замечательно, но все же печально осознавать, что тот же казахский суперкомпьютер в Алматы занимает 41-е место. Конечно же большинство суперкомпов этого рейтинга находятся в России.

 

Если же обратиться к статистике рейтинга TOP500, то Украину сейчас (по данным на ноябрь 2011 года) там вообще не найти. Не совсем уж благополучная Бразилия и то не на последней странице в рейтинге.

Это еще раз доказывает, что наше правительство еще очень мало уделяет внимания нуждам национальной науки. Конечно, ведь куда проще чиновнику зайти на Яндекс и посмотреть хотя бы ту же погоду, чтобы поехать в Куршевель.

И для этого совсем ненужно тратить миллионы на создание какого-то там суперкомпьютера и уж тем более кормить высококлассных специалистов, обслуживающих суперкомпьютер. Вот «мозги» и утекают за бугор.

 

 

Стремительный скачок за полгода с 2,57 до 8,15 Пфлопс ярко демонстрирует, сколь быстро развиваются суперкомпьютеры. Это может означать, что не за горами показатели быстродействия, измеряемые эксафлопсами. Оптимистично настроенные ученые даже называют дату, когда будет покорен полуфантастический рубеж в 1 Эфлопс 2020 год, т.е. ждать осталось совсем недолго.

 

 

 

 

 

Журнал > Познавательно > Суперкомпьютеры (история). Часть 2