10 самых мощных суперкомпьютеров мира (11 фото). Что такое суперкомпьютеры
10 самых мощных суперкомпьютеров мира (11 фото)
Суперкомпьютер Titan
На Марс люди так и не летают, рак еще не вылечили, от нефтяной зависимости не избавились. И все же существуют области, где человечество достигло невероятного прогресса за последние десятилетия. Вычислительная мощь компьютеров – как раз одна из них.
Два раза в год специалисты из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Университета Теннесси публикуют Top-500, в котором предлагают список самых производительных суперкомпьютеров мира.
В качестве ключевого критерия в этом рейтинге используется характеристика, которая уже давно считается одной из наиболее объективных в оценке мощности суперкомпьютеров – флопс, или число операций с плавающей точкой в секунду.
Немного забегая вперед, предлагаем вам заранее попробовать на вкус эти цифры: производительность представителей первого десятка топа измеряется десятками квадриллионов флопс. Для сравнения: ЭНИАК, первый компьютер в истории, обладал мощностью в 500 флопс; сейчас средний персональный компьютер имеет мощность в сотни гигафлопс (миллиардов флопс), iPhone 6 обладает производительностью приблизительно в 172 гигафлопса, а игровая приставка PS4 – в 1,84 терафлопса (триллиона флопс).
Вооружившись последним «Топ-500» от ноября 2014 года, редакция Naked Science решила разобраться, что из себя представляют 10 самых мощных суперкомпьютеров мира, и для решения каких задач требуется столь грандиозная вычислительная мощь.
10. Cray CS-Storm
- Местоположение: США
- Производительность: 3,57 петафлопс
- Теоретический максимум производительности: 6,13 петафлопс
- Мощность: 1,4 МВт
Как и практически все современные суперкомпьютеры, включая каждый из представленных в данной статье, CS-Storm состоит из множества процессоров, объединенных в единую вычислительную сеть по принципу массово-параллельной архитектуры. В реальности эта система представляет собой множество стоек («шкафов») с электроникой (узлами, состоящими из многоядерных процессоров), которые образуют целые коридоры.
Cray CS-Storm – это целая серия суперкомпьютерных кластеров, однако один из них все же выделяется на фоне остальных. В частности, это загадочный CS-Storm, который использует правительство США для неизвестных целей и в неизвестном месте.
Известно лишь то, что американские чиновники купили крайне эффективный с точки зрения потребления энергии (2386 мегафлопс на 1 Ватт) CS-Storm с общим количеством ядер почти в 79 тысяч у американской компании Cray.
На сайте производителя, впрочем, сказано, что кластеры CS-Storm подходят для высокопроизводительных вычислений в области кибербезопасности, геопространственной разведки, распознавания образов, обработки сейсмических данных, рендеринга и машинного обучения. Где-то в этом ряду, вероятно, и обосновалось применение правительственного CS-Storm.
CRAY CS-STORM
9. Vulcan – Blue Gene/Q
- Местоположение: США
- Производительность: 4,29 петафлопс
- Теоретический максимум производительности: 5,03 петафлопс
- Мощность: 1,9 МВт
«Вулкан» разработан американской компанией IBM, относится к семейству Blue Gene и находится в Ливерморской национальной лаборатории имени Э. Лоуренса. Принадлежащий Министерству энергетики США суперкомпьютер состоит из 24 стоек. Функционировать кластер начал в 2013 году.
В отличие уже упомянутого CS-Storm, сфера применения «Вулкана» хорошо известна – это различные научные исследования, в том числе в области энергетики, вроде моделирования природных явлений и анализа большого количества данных.
Различные научные группы и компании могут получить доступ к суперкомпьютеру по заявке, которую нужно отправить в Центр инноваций в области высокопроизводительных вычислений (HPC Innovation Centre), базирующийся в той же Ливерморской национальной лаборатории.
Суперкомпьютер Vulcan
8. Juqueen – Blue Gene/Q
- Местоположение: Германия
- Производительность: 5 петафлопс
- Теоретический максимум производительности: 5,87 петафлопс
- Мощность: 2,3 МВт
С момента запуска в 2012 году Juqueen является вторым по мощности суперкомпьютером в Европе и первым – в Германии. Как и «Вулкан», этот суперкомпьютерный кластер разработан компанией IBM в рамках проекта Blue Gene, причем относится к тому же поколению Q.
Находится суперкомпьютер в одном из крупнейших исследовательских центров Европы в Юлихе. Используется соответственно – для высокопроизводительных вычислений в различных научных исследованиях.
Суперкомпьютер Juqueen
7. Stampede – PowerEdge C8220
- Местоположение: США
- Производительность: 5,16 петафлопс
- Теоретический максимум производительности: 8,52 петафлопс
- Мощность: 4,5 МВт
Находящийся в Техасе Stampede является единственным в первой десятке Top-500 кластером, который был разработан американской компанией Dell. Суперкомпьютер состоит из 160 стоек.
Этот суперкомпьютер является мощнейшим в мире среди тех, которые применяются исключительно в исследовательских целях. Доступ к мощностям Stampede открыт научным группам. Используется кластер в самом широком спектре научных областей – от точнейшей томографии человеческого мозга и предсказания землетрясений до выявления паттернов в музыке и языковых конструкциях.
Суперкомпьютер Stampede
6. Piz Daint – Cray XC30
- Местоположение: Швейцария
- Производительность: 6,27 петафлопс
- Теоретический максимум производительности: 7,78 петафлопс
- Мощность: 2,3 МВт
Piz Daint применяется для различных исследовательских целей, вроде компьютерного моделирования в области физики высоких энергий.
Суперкомпьютер Piz Daint
5. Mira – Blue Gene/Q
- Местоположение: США
- Производительность: 8,56 петафлопс
- Теоретический максимум производительности: 10,06 петафлопс
- Мощность: 3,9 МВт
Суперкомпьютер «Мира» был разработан компанией IBM в рамках проекта Blue Gene в 2012 году. Отделение высокопроизводительных вычислений Аргонской национальной лаборатории, в котором располагается кластер, было создано при помощи государственного финансирования. Считается, что рост интереса к суперкомпьютерным технологиям со стороны Вашингтона в конце 2000-х и начале 2010-х годов объясняется соперничеством в этой области с Китаем.
Расположенный на 48 стойках Mira используется в научных целях. К примеру, суперкомпьютер применяется для климатического и сейсмического моделирования, что позволяет получать более точные данные по предсказанию землетрясений и изменений климата.
Суперкомпьютер Mira
4. K Computer
- Местоположение: Япония
- Производительность: 10,51 петафлопс
- Теоретический максимум производительности: 11,28 петафлопс
- Мощность: 12,6 МВт
Разработанный компанией Fujitsu и расположенный в Институте физико-химических исследований в городе Кобе, K Сomputer является единственным японским суперкомпьютером, присутствующим в первой десятке Top-500.
В свое время (июнь 2011) этот кластер занял в рейтинге первую позицию, на один год став самым производительным компьютером в мире. А в ноябре 2011 года K Computer стал первым в истории, которому удалось достичь мощности выше 10 петафлопс.
Суперкомпьютер используется в ряде исследовательских задач. К примеру, для прогнозирования природных бедствий (что актуально для Японии из-за повышенной сейсмической активности региона и высокой уязвимости страны в случае цунами) и компьютерного моделирования в области медицины.
Суперкомпьютер K
3. Sequoia – Blue Gene/Q
- Местоположение: США
- Производительность: 17,17 петафлопс
- Теоретический максимум производительности: 20,13 петафлопс
- Мощность: 7,8 МВт
Мощнейший из четверки суперкомпьютеров семейства Blue Gene/Q, попавших в первую десятку рейтинга, расположен в США в Ливерморской национальной лаборатории. IBM разработали Sequoia для Национальной администрации ядерной безопасности (NNSA), которой требовался высокопроизводительный компьютер для вполне конкретной цели – моделирования ядерных взрывов.
Стоит упомянуть, что реальные ядерные испытания запрещены еще с 1963 года, и компьютерная симуляция является одним из наиболее приемлемых вариантов для продолжения исследований в этой области.
Однако мощности суперкомпьютера использовались для решения и других, куда более благородных задач. К примеру, кластеру удалось поставить рекорды производительности в космологическом моделировании, а также при создании электрофизиологической модели человеческого сердца.
Суперкомпьютер Sequoia
2. Titan – Cray XK7
- Местоположение: США
- Производительность: 17,59 петафлопс
- Теоретический максимум производительности: 27,11 петафлопс
- Мощность: 8,2 МВт
Наиболее производительный из когда-либо созданных на Западе суперкомпьютеров, а также самый мощный компьютерный кластер под маркой компании Cray, находится в США в Национальной лаборатории Оук-Ридж. Несмотря на то, что находящийся в распоряжении американского Министерства энергетики суперкомпьютер официально доступен для любых научных исследований, в октябре 2012 года, когда Titan был запущен, количество заявок превысило всякие пределы.
Из-за этого в Оукриджской лаборатории была созвана специальная комиссия, которая из 50 заявок отобрала лишь 6 наиболее «передовых» проектов. Среди них, к примеру, моделирование поведения нейтронов в самом сердце ядерного реактора, а также прогнозирование глобальных климатических изменений на ближайшие 1-5 лет.
Несмотря на свою вычислительную мощь и впечатляющие габариты (404 квадратных метра), Titan недолго продержался на пьедестале. Уже через полгода после триумфа в ноябре 2012 года гордость американцев в области высокопроизводительных вычислений неожиданно потеснил выходец с Востока, беспрецедентно обогнав предыдущих лидеров рейтинга.
Суперкомпьютер Titan
1. Tianhe-2 / Млечный путь-2
- Местоположение: Китай
- Производительность: 33,86 петафлопс
- Теоретический максимум производительности: 54,9 петафлопс
- Мощность: 17,6 МВт
С момента своего первого запуска «Тяньхэ-2», или «Млечный-путь-2», вот уже около двух лет является лидером Top-500. Этот монстр почти в два раза превосходит по производительности №2 в рейтинге – суперкомпьютер TITAN.
Разработанный Оборонным научно-техническим университетом Народно-освободительной армии КНР и компанией Inspur, «Тяньхэ-2» состоит из 16 тысяч узлов с общим количеством ядер в 3,12 миллиона. Оперативная память всей это колоссальной конструкции, занимающей 720 квадратных метров, составляет 1,4 петабайт, а запоминающего устройства – 12,4 петабайт.
«Млечный путь-2» был сконструирован по инициативе китайского правительства, поэтому нет ничего удивительного в том, что его беспрецедентная мощь служит, судя по всему, нуждам государства. Официально было заявлено, что суперкомпьютер занимается различными моделированиями, анализом огромного количества данных, а также обеспечением государственной безопасности Китая.
Учитывая секретность, свойственную военным проектам КНР, остается лишь догадываться, какое именно применение время от времени получает «Млечный путь-2» в руках китайской армии.
Суперкомпьютер Tianhe-2
Другие статьи:
nlo-mir.ru
Суперкомпьютеры - Доклад
Введение
С момента появления первых компьютеров одной из основных проблем, стоящих перед разработчиками, была производительность вычислительной системы. За время развития компьютерной индустрии производительность процессора стремительно возрастала, однако появление все более изощренного программного обеспечения, рост числа пользователей и расширение сферы приложения вычислительных систем предъявляют новые требования к мощности используемой техники, что и привело к появлению суперкомпьютеров. Что же такое суперкомпьютеры, и зачем они нужны?
В принципе, суперкомпьютер это обычная вычислительная система, позволяющая производить сложные расчеты за более короткие промежутки времени. О чем собственно и говорит приставка Супер (Super в переводе с английского означает: сверх, над). Любая компьютерная система состоит из трех основных компонентов - центрального процессора, то есть счетного устройства, блока памяти и вторичной системы хранения информации (к примеру, в виде дисков или лент). Ключевое значение имеют не только технические параметры каждого из этих элементов, но и пропускная способность каналов, связывающих их друг с другом и с терминалами потребителей. Одна из заповедей Крей рисерч гласит: Быстродействие всей системы не превышает скорости самой медленнодействующей ее части. Важным показателем производительности компьютера является степень его быстродействия. Она измеряется так называемыми флопсами - от английского сокращения, обозначающего количество операций с числами, представленными в форме с плавающей запятой, в секунду. То есть за основу берется подсчет - сколько наиболее сложных расчетов машина может выполнить за один миг.
А зачем вообще нужны суперкомпьютеры? Раздвижение границ человеческого знания всегда опиралось на два краеугольных камня, которые не могут, существовать друг без друга, - теорию и опыт. Однако теперь ученые сталкиваются с тем, что многие испытания стали практически невозможными - в некоторых случаях из-за своих масштабов, в других - дороговизны или опасности для здоровья и жизни людей. Тут-то и приходят на помощь мощные компьютеры. Позволяя экспериментировать с электронными моделями реальной действительности, они становятся третьей опорой современной науки и производства.
Прошло время, когда создатели суперкомпьютеров стремились обеспечить максимальную производительность любой ценой. Специальные процессоры, дорогостоящая сверхбыстрая память, нестандартное периферийное оборудование - все это обходилось заказчикам в круглую сумму. Приобретали суперкомпьютеры либо предприятия ВПК, либо крупные университеты. И те, и другие делали это, как правило, за государственный счет. Окончание "холодной войны" и последовавшее за ним сокращение ассигнований на военные и околовоенные нужды нанесли серьезный удар по производителям суперкомпьютеров. Большинство из них были поглощены изготовителями менее производительной, но более доступной и ходовой вычислительной техники. Впрочем, у этих слияний были и технологические предпосылки - быстродействие серийно выпускаемых микропроцессоров постоянно росло, и производители суперкомпьютеров быстро переориентировались на них, что позволило существенно сократить общую стоимость разработки. Основной упор стал делаться на увеличение числа процессоров и повышение степени параллелизма программ.
Первые суперкомпьютеры
Началом эры суперкомпьютеров можно, пожалуй, назвать 1976 год, когда появилась первая векторная система Cray 1. Работая с ограниченным в то время набором приложений, Cray 1 показала настолько впечатляющие по сравнению с обычными системами результаты, что заслуженно получила название “суперкомпьютер” и определяла развитие всей индустрии высокопроизводительных вычислений еще долгие годы. Но более чем за два десятилетия совместной эволюции архитектур и программного обеспечения на рынке появлялись системы с кардинально различающимися характеристиками, поэтому само понятие “суперкомпьютер” стало многозначным и пересматривать его пришлось неоднократно.
Попытки дать определение суперкомпьютеру опираясь только на производительность привели к необходимости постоянно поднимать планку, отделяющую его от рабочей станции или даже обычного настольного компьютера. Только за последние 15 лет нормы менялись несколько раз. По определению Оксфордского словаря вычислительной техники 1986 года, для того, чтобы получить это гордое название, нужно было иметь производительность в 10 мегафлоп (миллионов операций с плавающей запятой в секунду). В начале 90-х была преодолена отметка 200 мегафлоп, затем 1 гигафлоп.
Применение суперкомпьютеров
Для каких применений нужна столь дорогостоящая техника? Может показаться, что с ростом производительности настольных ПК и рабочих станций, а также серверов, сама потребность в суперЭВМ будет снижаться. Это не так. С одной стороны, целый ряд приложений может теперь успешно выполняться на рабочих станциях, но с другой стороны, время показало, что устойчивой тенденцией является появление все новых приложений, для которых необходимо использовать суперЭВМ.
Традиционной сферой применения суперкомпьютеров всегда были научные исследования: физика плазмы и статистическая механика, физика конденсированных сред, молекулярная и атомная физика, теория элементарных частиц, газовая динамика и теория турбулентности, астрофи
www.studsell.com
Суперкомпьютеры Что же вообще такое суперкомпьютеры
Суперкомпьютеры
Что же вообще такое – суперкомпьютеры? l Считается, что супер ЭВМ это компьютеры с максимальной производительностью. Однако быстрое развитие компьютерной индустрии делает это понятие весьма и весьма относительным: то, что десять лет назад можно было назвать суперкомпьютером, сегодня под это определение уже не подпадает. Производительность первых супер ЭВМ начала 70 х годов была сравнима с производительностью современных ПК на базе традиционных процессоров Pentium. По сегодняшним меркам ни те, ни другие к суперкомпьютерам, конечно же, не относятся
Для чего же необходимы суперкомпьютеры? l Проблема первая: чтобы заметить появление смерча, надо проводить расчет на характерных для его образования размерах, то есть на расстояниях порядка двух километров. Вторая трудность связана с правильным заданием начальных и граничных условий. Дело в том, что температура на границах интересующего вас региона зависит от того, что делается в соседних регионах. Рассуждая дальше, легко убедиться, что мы не можем решить задачу о смерче, не имея данных о климате на всей Земле. Климат на планете рассчитать можно, что и делается каждый день во всех странах для составления среднесрочных прогнозов погоды.
Принципы обработки данных l l Конвейерная обработка Параллельная обработка
Параллельная обработка l Предположим для простоты, что некое устройство выполняет одну операцию за один такт. В этом случае тысячу операций такое устройство выполнит за тысячу тактов. Если имеется пять таких же независимых устройств, способных работать одновременно, то ту же тысячу операций система из пяти устройств может выполнить уже не за тысячу, а за двести тактов.
Конвейерная обработка l Идея конвейерной обработки заключается в расчленении операции на отдельные этапы, или, как это принято называть, ступени кон вейера. Каждая ступень, выполнив свою ра боту, передает результат следующей ступени, одновременно принимая новую порцию вход ных данных. Получается очевидные выигрыш вскорости обработки.
Современные суперкомпьютеры А что же сейчас используют в мире? По каким направлениям идет развитие высокопроизводительной вычислительной техники? Таких направлений четыре.
Векторно-конвейерные компьютеры l Две главные особенности таких машин: наличие функциональных конвейерных устройств и набора векторных команд. В отличие от обычных команд векторные оперируют целыми массивами независимых данных, то есть команда вида А =В + С может означать сложение двух массивов, а не двух чисел. Характерный представитель данного направления — семейство векторно – конвейерных компьютеров CRAY, куда входят, например, CRAY EL, CRAY J 90, CRAY T 90 (в марте этого года американская компания TERA перекупила подразделение CRAY у компании Silicon Graphics, Inc. ).
Параллельные компьютеры с общей памятью. l Вся оперативная память в таких компьютерах разделяется несколькими одинаковыми процессорами, обращающимися к общей дисковой памяти. Проблем с обменом данными между процессорами и синхронизацией их работы практически не возникает. Вместе с тем главный недостаток такой архитектуры состоит в том, что по чисто техническим причинам число процессоров, имеющих доступ к общей памяти, нельзя сделать большим. В данное направление суперкомпьютеров входят многие современные SMP компьютеры (Symmetric)
Кластерные компьютеры l Этот класс суперкомпьютеров, строго говоря, нельзя назвать самостоятельным, скорее, он представляет собой комбинации предыдущих трех. Из нескольких процессоров, традиционных или векторно конвейерных, и общей для них памяти формируется вычислительный узел.
l Сравнение ПК на базе процессора Pentium® 4 с поддержкой технологии Hyper Threading и обычной двухпроцессорной системы Сравнение производительности обычного однопроцессорного ПК, обычной двухпроцессорной системы и ПК на базе процессора Pentium 4 с поддержкой технологии Hyper Threading (Примечание: этот рисунок демонстрирует лишь концепцию, заключенную в технологии Hyper Threading, и не свидетельствует об использовании ресурсов любого существующего процессора или прикладной программы).
Зарубежные суперкомпьютеры l Организация TOP 500 Super computer sites с 1993 года публикует статистику по 500 наиболее мощным суперкомпьютерам. По данным на июнь 2003 года 3 лучших компьютеров: 1. Система Earth Simulator (ES), созданная японскими агентствами NASDA, JAERI and JAMSTEC с производительностью 40 TFLOPS, предназначена для точного прогнозирования погодных условий
l 2. Компьютер ASCI Q. Национальная лаборатория США, г. Лос Аламос. Производитель Hewlett Packard. 3072 серверов Alpha Server ES 45 s, 12288 процессоров EV 68 1. 25 ГГц. Быстродействие 13, 88 TFLOPS. Суперкомпьютерная система Q в Национальной лаборатории Лос Аламоса (LANL) компонент Программы Углубленных Моделирований и вычислений (ASCI) сотрудничества между департаментом Ядерной Безопасности Министерства Энергетики США и национальных лабораторий Лос Аламоса. Задачей ASCI является создание и использование возможностей для обеспечения безопасности хранения ядерного запаса.
l 3. Кластер G 5 в Блэксбурге, США, содержит 1100 компонентов Apple G 5, каждый из которых содержит 970 процессоров IBM Power PC, частотой в 2 GHz. Каждый узел имеет 4 GBКЭШ памяти и 160 GB SATA накопителей. 176 TB общих накопителей. 4 главных узла для запуска компиляций/работы. 1 узел управления. Быстродействие 10, 28 TFLOPS. Производитель – Apple G 5/Mellanox.
Заключение l К сожалению, чудеса в нашей жизни совершаются редко. Гигантская производительность параллельных компьютеров и супер. ЭВМ с лихвой компенсируется стоимостью и сложностью их использования. Но даже вопросы, возникающие вокруг суперкомпьютеров, ставят в тупик.
present5.com
Суперкомпьютеры
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
(Новочеркасский политехнический институт)
Факультет: Информационных Технологий и Управления
Кафедра: Автоматики и Телемеханики
Специальность: Управление и информатика в технических системах
по информатике
На тему: Суперкомпьютеры
Выполнил студент I - 1а Каширин В. В.
Ф.И.О.
Руководитель ассистент Малашенко Л.И.
Должность, звание Ф.И.О.
Консультант ассистент Малашенко Л.И.
Должность, звание Ф.И.О.
К защите Защита принята с оценкой
«______» ______________2000г. ____________________________
___________________________ «_____»________________2000г.
Подпись ____________________________
Подпись
Новочеркасск 2000
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 3
1 ОСНОВНЫЕ ВИДЫ АРХИТЕКТУРЫ 4
1.1 Архитектура SMP 4
1.2 Архитектура MPP 4
2 СУПЕРКОМПЬЮТЕРЫ КОМПАНИИ nCube 4
2.1 Основные принципы архитектуры 5
a) Распределенная память 5
б) Межпроцессорная сеть 5
в) Высокий уровень интеграции 6
2.2 Суперкомпьютер nCube 2 7
2.3 Архитектура процессора nCube 8
а) Система ввода/вывода nCube 2 9
2.4 Программное обеспечение 10
2.5 Надежность системы nCube 2 10
3 СЕТЬ КАК СУПЕРКОМПЬЮТЕР 11
3.1 Параллельные программы - главный тормоз 11
3.2 MPI 11
3.3 Реализации MPI 12
3.4 Средства программирования высокого уровня 13
3.5 Попытка прогноза 14
4 ПИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СУПЕРКОМПЬЮЮТЕРОВ 14
4.1 Моделирование построение белка 14
4.2 Виртуальная башня 14
ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 16
ВВЕДЕНИЕ
С момента появления первых компьютеров одной из основных проблем, стоящих перед разработчиками, была производительность вычислительной системы. За время развития компьютерной индустрии производительность процессора стремительно возрастала, однако появление все более изощренного программного обеспечения, рост числа пользователей и расширение сферы приложения вычислительных систем предъявляют новые требования к мощности используемой техники, что и привело к появлению суперкомпьютеров. Что же такое суперкомпьютеры, и зачем они нужны?
В принципе, суперкомпьютер это обычная вычислительная система, позволяющая производить сложные расчеты за более короткие промежутки времени. О чем собственно и говорит приставка «Супер» (Super в переводе с английского означает: сверх, над). Любая компьютерная система состоит из трех основных компонентов - центрального процессора, то есть счетного устройства, блока памяти и вторичной системы хранения информации (к примеру, в виде дисков или лент). Ключевое значение имеют не только технические параметры каждого из этих элементов, но и пропускная способность каналов, связывающих их друг с другом и с терминалами потребителей. Одна из заповедей «Крей рисерч» гласит: «Быстродействие всей системы не превышает скорости самой медленнодействующей ее части». Важным показателем производительности компьютера является степень его быстродействия. Она измеряется так называемыми флопсами - от английского сокращения, обозначающего количество операций с числами, представленными в форме с плавающей запятой, в секунду. То есть за основу берется подсчет - сколько наиболее сложных расчетов машина может выполнить за один миг.
А зачем вообще нужны суперкомпьютеры? На этот вопрос дает ответ представитель компании «Крей рисерч» Вито Бонджорно: Раздвижение границ человеческого знания всегда опиралось на два краеугольных камня, которые не могут, существовать друг без друга, - теорию и опыт. Однако теперь ученые сталкиваются с тем, что многие испытания стали практически невозможными - в некоторых случаях из-за своих масштабов, в других - дороговизны или опасности для здоровья и жизни людей. Тут-то и приходят на помощь мощные компьютеры. Позволяя экспериментировать с электронными моделями реальной действительности, они становятся «третьей опорой» современной науки и производства.
Прошло время, когда создатели суперкомпьютеров стремились обеспечить максимальную производительность любой ценой. Специальные процессоры, дорогостоящая сверхбыстрая память, нестандартное периферийное оборудование - все это обходилось заказчикам в круглую сумму. Приобретали суперкомпьютеры либо предприятия ВПК, либо крупные университеты. И те, и другие делали это, как правило, за государственный счет. Окончание "холодной войны" и последовавшее за ним сокращение ассигнований на военные и околовоенные нужды нанесли серьезный удар по производителям суперкомпьютеров. Большинство из них были поглощены изготовителями менее производительной, но более доступной и ходовой вычислительной техники. Впрочем, у этих слияний были и технологические предпосылки - быстродействие серийно выпускаемых микропроцессоров постоянно росло, и производители суперкомпьютеров быстро переориентировались на них, что позволило существенно сократить общую стоимость разработки. Основной упор стал делаться на увеличение числа процессоров и повышение степени параллелизма программ.
1 ОСНОВНЫЕ ВИДЫ АРХИТЕКТУРЫ
Известно, что сегодня существуют две основные архитектуры параллельных компьютеров: симметричные мультипроцессорные системы с общей памятью (SMP) и мультипроцессорные системы с распределенной памятью (MPP).
1.1 Архитектура SMP
Основное преимущество SMP - относительная простота программирования. В ситуации, когда все процессоры имеют одинаково быстрый доступ к общей памяти, вопрос о том, какой из процессоров какие вычисления будет выполнять, не столь принципиален, и значительная часть вычислительных алгоритмов, разработанных для последовательных компьютеров, может быть ускорена с помощью распараллеливающих и векторизирующих трансляторов. SMP-компьютеры - это наиболее распространенные сейчас параллельные вычислители, а 2-, 4-х процессорные ПК на основе Pentium и Pentium Pro стали уже массовым товаром. Однако общее число процессоров в SMP-системах, как правило, не превышает 16, а их дальнейшее увеличение не дает выигрыша из-за конфликтов при обращении к памяти. Применение технологий типа UPA, основанной на коммутации пакетов вместо общей шины и локальной кэш-памяти большого объема, способно частично решить проблему, подняв число процессоров до 32.
1.2 Архитектура MPP
Альтернатива SMP - архитектура MPP. Каждый процессор имеет доступ лишь к своей локальной памяти, а если программе нужно узнать значение переменной, расположенной в памяти другого процессора, то задействуется механизм передачи сообщений. Процессор, в памяти которого находятся нужные данные, посылает сообщение тому процессору, которому они требуются, а последний принимает его. Этот подход позволяет создавать компьютеры, включающие в себя тысячи процессоров. На нем основаны все машины, имеющие производительность в сотни миллиардов операций в секунду.
Познакомимся поближе с этой архитектурой и одним из представителей этой архитектуры, суперкомпьютером nCube.
2 СУПЕРКОМПЬЮТЕРЫ КОМПАНИИ nCube
Одним из пионеров в создании MPP-систем стала основанная в 1983 году компания nCube. В 1985 году появился первый ее MPP-компьютер, nCube 1. Система nCube 1, в основе которой, как и в основе всех последующих поколений компьютеров nCube, лежит гиперкубическая топология межпроцессорных соединений и высокий уровень интеграции на базе технологии VLSI, показала рекордные результаты по абсолютной производительности и в соотношении цена/производительность для научных вычислений.
В 1989 году компания nCube выпустила семейство суперкомпьютеров nCube 2. Большие вычислительные возможности, гибкая архитектура и мощное специализированное программное обеспечение позволяют применять системы nCube 2 в широком диапазоне областей - от сложнейших научных задач до управления информацией в бизнесе.
Семейство nCube 2 представляет собой масштабируемую серию систем, производительность которых может достигать 34 GigaFlops. Каждый суперкомпьютер этой серии содержит набор процессоров nCube, соединенных в гиперкубическую сеть. Наибольшую систему составляют 8192 процессора, и ее мощность более чем в 1000 раз превышает мощность наименьшей - с 8 процессорами. Возможности памяти и системы ввода/вывода возрастают вместе с ростом процессорной мощности.
Следующая цель компании nCube - разработка нового семейства Mpp-систем, суперкомпьютеров nCube 3. Новое поколение суперкомпьютеров nCube, следуя принципам высокой интегрируемости и масштабируемости, станет первой промышленно реализованной платформой с производительностью до нескольких TFlops, стопроцентно совместимой с предыдущими поколениями систем nCube.
2.1 Основные принципы архитектуры
a) Распределенная память
В суперкомпьютерах nCube используется архитектура распределенной памяти, позволяющая оптимизировать доступ к оперативной памяти, вероятно, наиболее критичному ресурсу вычислительной системы.
Традиционные архитектуры с разделенной памятью удобны для систем с небольшим числом процессоров, однако, они плохо масштабируются по мере добавления процессоров и памяти. Когда в системе с разделением памяти увеличивается число процессоров, возрастает конкуренция в использовании ограниченной пропускной способности системной шины, что снижает производительность соединения процессор-память. Кроме того, добавление процессоров в такую систему требует увеличения количества логики для управления памятью, снижая тем самым производительность системы и увеличивая ее цену.
Эти недостатки отсутствуют в системах с распределенной памятью. В такой системе каждый процессор имеет свою собственную локальную память. Потенциальные узкие места, связанные с шиной процессор-память и необходимостью разрабатывать системы управления кэшем, полностью исключаются. С добавлением процессоров добавляется память, пропускная способность соединения процессор-память масштабируется вместе с вычислительной мощностью.
mirznanii.com
Суперкомпьютеры
Первые суперкомпьютеры Началом эры суперкомпьютеров можно, пожалуй, назвать 1976 год, когда появилась первая векторная система Cray 1. Работая с ограниченным в то время набором приложений, Cray 1 показала настолько впечатляющие по сравнению с обычными системами результаты, что заслуженно получила название “суперкомпьютер” и определяла развитие всей индустрии высокопроизводительных вычислений еще долгие годы. Но более чем за два десятилетия совместной эволюции архитектур и программного обеспечения на рынке появлялись системы с кардинально различающимися характеристиками, поэтому само понятие “суперкомпьютер” стало многозначным и пересматривать его пришлось неоднократно. Попытки дать определение суперкомпьютеру опираясь только на производительность привели к необходимости постоянно поднимать планку, отделяющую его от рабочей станции или даже обычного настольного компьютера. Только за последние 15 лет нормы менялись несколько раз. По определению Оксфордского словаря вычислительной техники 1986 года, для того, чтобы получить это гордое название, нужно было иметь производительность в 10 мегафлоп (миллионов операций с плавающей запятой в секунду). В начале 90-х была преодолена отметка 200 мегафлоп, затем 1 гигафлоп. Применение суперкомпьютеров Для каких применений нужна столь дорогостоящая техника? Может показаться, что с ростом производительности настольных ПК и рабочих станций, а также серверов, сама потребность в суперЭВМ будет снижаться. Это не так. С одной стороны, целый ряд приложений может теперь успешно выполняться на рабочих станциях, но с другой стороны, время показало, что устойчивой тенденцией является появление все новых приложений, для которых необходимо использовать суперЭВМ. Традиционной сферой применения суперкомпьютеров всегда были научные исследования: физика плазмы и статистическая механика, физика конденсированных сред, молекулярная и атомная физика, теория элементарных частиц, газовая динамика и теория турбулентности, астрофизика. В химии - различные области вычислительной химии: квантовая химия (включая расчеты электронной структуры для целей конструирования новых материалов, например, катализаторов и сверхпроводников), молекулярная динамика, химическая кинетика, теория поверхностных явлений и химия твердого тела,конструирование лекарств. Естественно, что ряд областей применения находится на стыках соответствующих наук, например, химии и биологии, и перекрывается с техническими приложениями. Так, задачи метеорологии, изучение атмосферных явлений и, в первую очередь, задача долгосрочного прогноза погоды, для решения которой постоянно не хватает мощностей современных суперЭВМ, тесно связаны с решением ряда перечисленных выше проблем физики. Среди технических проблем, для решения которых используются суперкомпьютеры, укажем на задачи аэрокосмической и автомобильной промышленности, ядерной энергетики, предсказания и разработки месторождений полезных ископаемых, нефтедобывающей и газовой промышленности (в том числе проблемы эффективной эксплуатации месторождений, особенно трехмерные задачи их исследования), и, наконец, конструирование новых микропроцессоров и компьютеров, в первую очередь самих суперЭВМ. Суперкомпьютеры традиционно применяются для военных целей. Кроме очевидных задач разработки оружия массового уничтожения и конструирования самолетов и ракет, можно упомянуть, например, конструирование бесшумных подводных лодок и др. Самый знаменитый пример - это американская программа СОИ. Уже упоминавшийся MPP-компьютер Министерства энергетики США будет применяться для моделирования ядерного оружия, что позволит вообще отменить ядерные испытания в этой стране. Суперкомпьютеры в России Во всемирный процесс активизации рынка высокопроизводительных вычислений (HPC) все активнее включается и Россия. В 2003 году компании Arbyte и Kraftway при поддержке корпорации Intel объявили о создании своих Центров компетенции на базе платформы Intel, деятельность которых, в том числе, будет направлена и на построение НРС-систем. Кроме того, компании Intel и IBM сообщили о том, что компания Paradigm, ведущий поставщик технологий для обработки геолого-геофизических данных и проектирования бурения для нефтегазовой отрасли, модернизировала свой расположенный в Москве центр обработки сейсмических данных, установив серверный кластер IBM из 34 двухпроцессорных серверов на базе процессоров Intel Xeon. Новая система ускорила работу ресурсоемких вычислительных приложений Paradigm за счет применения кластерных технологий на базе ОС Linux. Новые возможности проведения более точных расчетов, несомненно, увеличат конкурентоспособность российских нефтяных компаний на мировом рынке. В июне 2004 г. представители компании «Т-Платформы», Института программных систем (ИПС) РАН и корпорации Intel объявили о создании четырехузлового кластера T-Bridge8i на базе процессоров Intel Itanium 2 и технологии InfiniBand, а также рассказали о перспективах использования данного решения в рамках программы «СКИФ». Кластер T-Bridge8i стал первой в России системой на основе процессоров Intel Itanium 2, двухпроцессорные узлы которой выполнены в конструктиве высотой 1U. Объединив в T-Bridge8i передовые достижения в области 64-разрядной процессорной архитектуры и кластерных коммуникаций, инженеры «Т-Платформы» построили уникальное по концентрации вычислительной мощности решение, обладающее широкими возможностями для масштабирования. Этот кластер предназначен для решения задач, требующих максимальной производительности вычислений с плавающей точкой, и может эффективно использоваться в различных отраслях промышленности и для научных расчетов. В рамках программы «СКИФ» T-Bridge8i будет применяться с целью адаптации для архитектуры Intel Itanium программного обеспечения, разработанного в рамках программы, а также для исследований в области GRID-технологий. 2005 год оказался довольно богатым на события в области суперкомпьютерных технологий. В России были завершены два крупных проекта, на очереди - еще один. Двумя важнейшими из них стала установка суперкомпьютера МВС-15000BM отечественной разработки в Межведомственном Суперкомпьютерном Центре РАН (МСЦ) и установка на НПО <Сатурн> кластера IBM eServer Cluster 1350, включающего 64 двухпроцессорных сервера IBM eServer xSeries 336. Последний является крупнейшей в России супер-ЭВМ используемой в промышленности и четвертым в совокупном рейтинге суперкомпьютеров на территории СНГ. НПО <Сатурн> собирается использовать его в проектировании авиационных газотурбинных двигателей для самолетов гражданской авиации. На очереди - еще один крупный проект суперкомпьютера для Росгидромета, тендер на строительство которого выиграл системный интегратор i-Teco. В частном секторе суперкомпьютеры используются для моделирования нефтяных скважин, краш-тестов, сложных аэродинамических и гидродинамических расчетов. Основными заказчиками выступают автомобильная, судостроительная, авиационная и нефтегазовая промышленность. По мнению экспертов, совокупный объем рынка больших вычислительных систем в России составляет $100-150 млн., причем видное место принадлежит отечественным разработчикам. В год устанавливается 3-4 суперкомпьютера с производительностью, близкой к 1 Терафлоп. На сегодняшний день крупнейшими отечественными проектами в области суперкомпьютеров являются российский проект МВС и российско-белорусский СКИФ. Разработка СуперЭВМ проекта МВС финансировалась за счет средств Минпромнауки России, РАН, Минобразования России, РФФИ, Российского фонда технологического развития. В настоящее время машины этой серии установлены в МСЦ РАН и ряде региональных научных центров РАН (Казань, Екатеринбург, Новосибирск) и используются преимущественно для научных расчетов. В настоящее время одним из разработчиков ПО для МВС является фирма InterProgma, работающая в Черноголовке в рамках уже существующего ИТ-парка. Компания в тесном сотрудничестве с ИПХФ РАН ведет разработку как базового программного обеспечения для крупномасштабного моделирования на суперкомпьютерных системах, т.е. программного обеспечения, позволяющего упростить и автоматизировать процесс распараллеливания, так и специального инженерного программного обеспечения для моделирования различных высокоэнергетических процессов в химической, атомной и аэрокосмической промышленности. Так, пакет IP-3D предназначен для численного моделирования газодинамических процессов в условиях экстремально высоких температур и давлений, невоспроизводимых в лабораторных условиях. Опыт работы на MBC1000M показали очень хорошую масштабируемость и высокую скорость вычисления данного пакета Проект СКИФ финансировался за счет бюджетов России и Белоруссии в рамках союзной программы на паритетных началах. В настоящее время российско-белорусская программа СКИФ, объемом $10 млн., уже завершена, и в ходе ее реализации были созданы суперкомпьютеры СКИФ К-500 и СКИФ К-1000. Cтоимость СКИФ К-1000 составила $1,7 млн., что на порядок ниже стоимости иностранного аналога ($4 млн.). На сегодняшний день, основным пользователем данной разработки является белорусская сторона. СКИФ К-1000, установлен в Объединенном институте проблем информатики НАН Белоруссии, и уже сейчас используется не только учеными, но и крупнейшими предприятиями-экспортерами: МАЗом, БелАЗом, Белорусским тракторным заводом, Заводом карданных валов. Столь успешное внедрение суперкомпьютерных технологий в реальный сектор во многом объясняется тем, что доступ белорусских предприятий к СКИФу координируется государством и оплачивается из бюджета, поскольку сами предприятия находятся в государсвенной собственности. В России же СКИФ и МВС пока воспринимаются лишь как академические проекты. Причина этого в том, что крупные российские машиностроительные корпорации, такие как НПО <Сатурн>, предпочитают зарубежные суперЭВМ, поскольку отработанные прикладные решения от мировых лидеров, таких как IBM и HP уже снабжены готовым целевым ПО и средствами разработки, имеют лучший сервис. Сделать МВС и СКИФ востребованными для российской промышленности поможет создание общего вычислительного центра ориентированного на промышленный сектор, с распределенным доступом к машинному времени. Создание Центра резко удешевит затраты на обслуживание суперкомпьютера, а также ускорит процесс создания и систематизации ПО (написание драйверов, библиотек, стандартных приложений). Продвижению отечественных суперкомпьютерных технологий в промышленной сектор России и за ее пределы будет способствовать рост отечественных компаний, способных конкурировать в данной сфере с транснациональными корпорациями. Такой компанией уже является <Т-Платформы>, которая выступала в роли главного исполнителя СКИФ. Наряду с государственными и академическими структурами, клиентами компании являются <Комстар Объединенные Телесистемы>, Rambler, рекрутинговая компания HeadHunter.ru, <Саровские Лаборатории>. <Т-Платформы> были призаны лучшей компанией VI Венчурной Ярмарки в октябре 2005 года в Санкт-Петербурге. Заключение Еще 10–15 лет назад суперкомпьютеры были чем-то вроде элитарного штучного инструмента, доступного в основном ученым из засекреченных ядерных центров и криптоаналитикам спецслужб. Однако развитие аппаратных и программных средств сверхвысокой производительности позволило освоить промышленный выпуск этих машин, а число их пользователей в настоящее время достигает десятков тысяч. Фактически, в наши дни весь мир переживает подлинный бум суперкомпьютерных проектов, результатами которых активно пользуются не только такие традиционные потребители высоких технологий, как аэрокосмическая, автомобильная, судостроительная и радиоэлектронная отрасли промышленности, но и важнейшие области современных научных знаний.
baza-referat.ru
