fbpx

Суперкомпьютеры: история создания, применение и перспективы

Если у вас есть статья, заметка или обзор, которыми вы хотите поделиться с аудиторией нашего сайта, присылайте информацию на: aleksandr.belozerov@gmail.com. За статьи платим деньги!
Суперкомпьютер Summit
Так выглядят суперкомпьютеры. На фото самая мощная в мире ЭВМ Summit, созданная компанией IBM

Стремительное развитие информационных технологий – настоящий тренд современного мира. Год от года растет мощность и быстродействие наших смартфонов и ноутбуков. Однако они только часть огромного компьютерного мира, в котором существуют куда более сложные и совершенные вычислительные машины, естественно, недоступные рядовому юзеру. Речь идет о суперкомпьютерах.

Сегодня такие устройства работают в самых разных сферах: решают сложнейшие математические задачи, помогают исследовать строение атома, предсказывают погоду, расшифровывают геномы живых организмов и делают многое другое. Суперкомпьютеры разрабатывают ядерное оружие нового поколения и моделируют его испытания. Поэтому неудивительно, что между ведущими государствами мира идет настоящая «суперкомпьютерная» гонка. Сейчас в США и Китае ведутся работы по созданию ЭВМ, способных производить один квадрильон операций в секунду. Машину с такими характеристиками планируют построить к 2020 году.

Сейчас лидерами в создании суперкомпьютеров являются США, Китай, Европа и Япония. Россия, к сожалению, в данном вопросе существенно отстает. В Соединенных Штатах находятся 5 из 10 наиболее мощных ЭВМ подобного типа. Но прежде чем говорить о суперкомпьютерах и их применении, следует разобраться в конструкции данных устройств и сказать несколько слов об эволюции этих машин.

Общее определение и описание

Суперкомпьютер – это высокопроизводительная вычислительная машина, по своим параметрам существенно превосходящая большинство образцов компьютерной техники. Обычно они представляют собой значительное количество параллельно работающих серверных ЭВМ, соединенных локальной сетью. За счет концентрации процессорной мощности, подобные устройства могут обрабатывать огромные массивы данных.

Большинство современных суперкомпьютеров построены по кластерной схеме, с использованием самых обычных модулей памяти, плат и процессоров. Из этих компонентов составлены вычислительные узлы, соединенные между собой системной сетью. Есть и вспомогательные сети управления, электропитания.

Современный суперкомпьютер
Современные супер-ЭВМ состоят из тысяч процессоров, соединенных километрами проводов и кабелей

Одним из главных элементов суперкомпьютера является планировщик задач. В его функции входит распределение мощностей системы для различных задач, отслеживание их исполнения, контроль загруженности отдельных узлов. Фактически он играет роль главного распорядителя проведения вычисления.

Не менее важным компонентом является специальная система хранения информации. Как правило, она состоит из двух частей: одна предназначена для расчетов, другая используется для хранения данных.

Быстродействие суперкомпьютеров измеряется в флопсах – внесистемных единицах, показывающих, сколько операций в секунду может произвести данная машина. Следующее поколение супер-ЭВМ будет иметь быстродействие в один квадрильон флопсов.

Современный суперкомпьютер – огромное устройство, сравнимое по размерам с небольшим заводом. Он имеет десятки тысяч вычислительных узлов и процессорных ядер. Кроме процессоров и электронных плат, суперкомпьютер обязательно оснащается системами бесперебойного питания и охлаждения. Все это соединяется километрами кабелей и нуждается в безумном количестве электричества. Например, российский суперкомпьютер «Ломоносов» занимает площадь в 252 кв. метров и потребляет 2,8 МВт энергии. Он обошелся государственной казне в сумму 1,9 млрд рублей.

Откуда пошло название

Нужно понимать, что данное обозначение условно. Не существует четких критериев определения, к каким именно компьютерам следует добавлять приставку «супер». Широкое распространение название получило в 60-е годы, хотя возникло оно гораздо раньше: в 1920 году New York World писала об электромеханическом суперкомпьютере IBM, изготовленном для Колумбийского университета.

Есть и другой важный момент, связанный со стремительным развитием электроники: самый мощный суперкомпьютер сегодня, через два-три года может превратиться в весьма заурядное вычислительное устройство. По производительности и быстродействию супер-ЭВМ 70-х годов уступает обычному современному смартфону.

Сеймур Крей
Американский инженер и изобретатель Сеймур Крей. Он первым стал делать мощные ЭВМ, получившие название «суперкомпьютер»

В широкое употребление понятие «суперкомпьютер» вошло благодаря распространению вычислительных машин Сеймура Крея. Этот блестящий инженер-электронщик с середины 60-х по начало 90-х годов создал серию мощных ЭВМ для ряда научных, военных и промышленных проектов в Соединенных Штатах. Крей никогда не называл свои детища «супекомпьютерами», это название придумали журналисты.

В 80-е годы прошлого столетия на американском рынке появилось несколько компаний, разрабатывавших мощные вычислительные системы. И здесь приставка «супер» стала уже выполнять маркетинговые функции.

Американские инженеры Белл и Нельсон в шутку предложили считать суперкомпьютером любую ЭВМ, имеющую массу более одной тонны. Однако и этот критерий не слишком корректен, ибо далеко не все тяжелые вычислительные машины попадают под данное определение.

Существует и другая формулировка: считать суперкомпьютером устройство, сводящее любое вычисление к проблеме введения информации и получения ответа. Смысл заключается в том, что, благодаря быстродействию, супер-ЭВМ выдают решение практически мгновенно, время тратится только на процедуры ввода данных и получение ответа.

Немного истории

Мощные вычислительные устройства появились далеко не вчера. Еще во время Второй мировой войны британцам с помощью компьютера Colossus удалось взломать немецкие военные шифры. Его быстродействие составляло 25 тыс. символов в секунду – неслыханная скорость для своего времени.

В 1946 году в США появился электронный вычислитель ENIAC, использовавшийся для расчетов таблиц стрельбы. Аппарат содержал 17 тыс. ламп и весил более 27 тонн. Эта ЭВМ использовалась для моделирования термоядерных взрывов, решения аэродинамических задач, метеорологических прогнозов. Однако данные устройства еще не были полноценными ЭВМ.

Только к середине 60-х годов развитие электронной промышленности и информатики позволило создавать по-настоящему мощные компьютеры. Считается, что сам термин был придуман сотрудниками фирмы CDC Джорджем Мишелем и Сиднеем Фернбачем. Однако появлению мощных вычислительных машин мы обязаны американскому инженеру и изобретателю Сеймуру Крею. Первым суперкомпьютером считается Cray-1, появившийся в 1974 году. Он мог производить 180 млн операций в секунду. Современный персональный компьютер превосходит этот «суперкомпьютер» почти в 50 раз.

Китайский суперкомпьютер
Буквально за десятилетия Китай стал одним из мировых лидеров в области создания мощных ЭВМ

Созданием мощных ЭВМ занимались и в СССР. Причем достижения советских инженеров зачастую превосходили успехи их заокеанских коллег. Нашими учеными было создано целое семейство мощнейших вычислительных машин «Эльбрус», которые по характеристикам превосходили западные аналоги.

В 1985 году компания Крея представила сразу два новых устройства: «Крей-2» и «Крей Y-MP» с быстродействием 1200 и 2670 млн вычислений в секунду соответственно. В 1988 году новая ЭВМ достигла мощности в 1 гигафлопс и стала стандартом своего времени, на который равнялись другие производители. В короткий период в разных странах мира появились десятки суперкомпьютеров.

В 90-е годы и в начале нового тысячелетия основное соперничество в области создания супер-ЭВМ происходило между США и Японией. Но уже в конце прошлого десятилетия в «процессорную» гонку активно включился Китай, потеснив японцев со второго места.

Ранние суперкомпьютеры оснащались обычными скалярными процессорами со скоростью работы выше, чем у обычных ЭВМ. Позже их заменили векторные процессоры, а сегодня стандартом считаются кластерные системы, состоящие из тысяч дешевых процессоров и модулей памяти. Подобная схема отличается прекрасным сочетанием производительности и минимальной стоимости.

С 1993 года существует рейтинг суперкомпьютеров, составленный с помощью теста LINPACK. В него входит 500 самых быстрых и мощных ЭВМ мира. Список обновляется два раза в год.

Где и как работают суперкомпьютеры

Мощные вычислительные машины, подпадающие под определение «суперкомпьютер», используются в областях, требующих обработки большого количества данных. Изначально подобные устройства обслуживали исключительно военных: с их помощью создавалось ядерное оружие, производились расчеты реакторов. В 1996 году появился мораторий на любые ядерные испытания, и с тех пор проверка новых боеголовок проводится только виртуально. Поддержание боеготовности стратегического арсенала – одна из причин потребности в мощных ЭВМ.

По мере совершенствования математического аппарата и снижения стоимости самих устройств, их все чаще стали привлекать для решения «мирных» задач. Причем благодаря суперкомпьютерам появились даже новые научные дисциплины: вычислительная медицина и биология, численная метеорология, вычислительная химия. Сегодня «традиционными» областями для суперкомпьютеров являются:

  • Статистика;
  • Криптография;
  • Физика. Изучение атомного ядра, плазмы, обработка результатов, полученных на ускорителях;
  • Метеорология. Предсказание погоды и создание долговременных климатических моделей;
  • Анализ данных геологоразведки для поиска полезных ископаемых, в первую очередь нефти и газа;
  • Изучение процессов, происходящих в земной коре, предсказание извержений вулканов и землетрясений;
  • Молекулярная биология. Синтез белков, расшифровка генома;
  • Химия и медицина. Моделирование реакций, поиск новых лекарств и изучение их возможных побочных эффектов;
  • Газо- и гидродинамика. Улучшение аэродинамической формы летательных аппаратов, автомобилей, лопастей турбин;
  • Материаловедение. Поиск материалов с определенными свойствами, моделирование воздействия нагрузок на них.

Данный список не полон. Наука издавна опиралась на два столпа — опыт и теорию. Вероятно, уже в ближайшие годы компьютерное моделирование станет третьей опорой прогресса. Многие научные испытания провести невозможно: они либо опасны, либо очень дороги и масштабны. И здесь ученым на помощь все чаще приходят мощные компьютеры. А так как объекты исследований с каждым годом усложняются, растут и требования к характеристикам ЭВМ.

Суперсофт для суперкомпьютера

В последние годы границы между программным обеспечением, которое используется на суперкомпьютерах и обычных вычислительных устройствах, все больше стираются. Дальнейшее распространение многоядерности и параллельных процессов в рядовых ПК, вероятно, только усилят данную тенденцию.

Сейчас на суперкомпьютерах чаще всего используются интерфейсы на основе MPI и PVM, а также решения на базе программного обеспечения открытого типа, вроде openMosix или Beowulf.

Кто лидирует в суперкомпьютерной гонке

В ноябре 2018 года был опубликован новый рейтинг самых мощных суперкомпьютеров мира. Он стал очередным свидетельством жесткого баттла, который разворачивается между США и Китаем – бесспорными лидерами в данной области. Из 500 мощнейших ЭВМ на долю Поднебесной приходится 227 устройств (45%), Соединенные Штаты могут похвастать 109 системами (22%). Правда, американские суперкомпьютеры значительно продвинутее китайских – они занимают 38% от общей вычислительной мощности рейтинга. На третьем месте по количеству супер-ЭВМ находится Япония (31 устройство).

Если говорить о конкретных производителях, с большим отрывом лидирует Lenovo (140), за ней следуют Inspur (84), Sugon (57) и Cray (49). Более 95% всех супер-ЭВМ созданы на базе процессоров Intel.

Суперкомпьютер Frontier
Американские компании AMD и Cray Inc. обещают к 2021 году выпустить самый мощный в мире компьютер Frontier с производительностью 1,5 эксафлопса

Самым мощным суперкомпьютером 2018 года является американская ЭВМ Summit (до 143,5 петафлокс). На втором месте находится система Sierra (до 94,6 петафлопс), потеснившая китайский суперкомпьютер Sunway TaihuLight (93 петафлопс). На четвертом месте находится Tianhe-2A (61,4) из КНР, а на пятом – швейцарское устройство Piz Daint (21,23).

К 2021 году американские компании AMD и Cray обещают построить самый мощный компьютер не только в США, но и во всем мире. Он получит название Frontier. ЭВМ будет обладать быстродействием в 1,5 эксафлопса и превосходить первые 160 суперкомпьютеров из текущего списка топ-500. Вычислительную машину планируют оснастить искусственным интеллектом следующего поколения.

Если у вас возникли вопросы - оставляйте их в комментариях под статьей. Мы или наши посетители с радостью ответим на них