Суперкомпьютер
![](https://cdn.xn--h1ajim.xn--p1ai/thumb.php?f=Cray_2_Arts_et_Metiers_dsc03940.jpg&width=300)
Суперкомпьютер (англ. Supercomputer, СверхЭВМ, СуперЭВМ, сверхвычислитель) — специализированная вычислительная машина, значительно превосходящая по своим техническим параметрам и скорости вычислений большинство существующих в мире компьютеров.
Как правило, современные суперкомпьютеры представляют собой большое число высокопроизводительных серверных компьютеров, соединённых друг с другом локальной высокоскоростной магистралью для достижения максимальной производительности в рамках реализации распараллеливания вычислительной задачи.
Определение понятия суперкомпьютер
Определение понятия «суперкомпьютер» не раз было предметом многочисленных споров и обсуждений.
Чаще всего авторство термина приписывается Джорджу Майклу (George Anthony Michael) и Сиднею Фернбачу (Sidney Fernbach), в конце 60-х годов XX века работавшим в Ливерморской национальной лаборатории, и компании CDC. Тем не менее, известен тот факт, что ещё в 1920 году газета New York World рассказывала о «супервычислениях», выполнявшихся при помощи табулятора IBM, собранного по заказу Колумбийского университета.
В общеупотребительный лексикон термин «суперкомпьютер» вошёл благодаря распространённости компьютерных систем Сеймура Крэя, таких как, CDC 6600, CDC 7600, Cray-1, Cray-2, Cray-3 и Cray-4 . Сеймур Крэй разрабатывал вычислительные машины, которые по сути становились основными вычислительными средствами правительственных, промышленных и академических научно-технических проектов США с середины 60-х годов до 1996 года. Не случайно в то время одним из популярных определений суперкомпьютера было следующее: — «любой компьютер, который создал Сеймур Крэй». Сам Крэй никогда не называл свои детища суперкомпьютерами, предпочитая использовать вместо этого обычное название «компьютер».
Компьютерные системы Крэя удерживались на вершине рынка в течение 5 лет с 1985 по 1990 годы. 80-е годы XX века охарактеризовались появлением множества небольших конкурирующих компаний, занимающихся созданием высокопроизводительных компьютеров, однако к середине 90-х большинство из них оставили эту сферу деятельности, что даже заставило обозревателей заговорить о «крахе рынка суперкомпьютеров».
Ныне каждый суперкомпьютер представляет собой уникальную систему, создаваемую одним из «традиционных» игроков компьютерной индустрии (например: IBM, Hewlett-Packard, NEC и другими), которые приобрели множество ранних компаний, вместе с их опытом и технологиями. Компания Cray по-прежнему занимает достойное место в ряду производителей суперкомпьютеров.
Из-за большой гибкости самого термина до сих пор распространены довольно нечёткие представления о понятии «суперкомпьютер». Шутливая классификация Гордона Белла и Дона Нельсона, разработанная приблизительно в 1989 году, предлагала считать суперкомпьютером любой компьютер, весящий более тонны. Современные суперкомпьютеры действительно весят более 1 тонны, однако далеко не каждый тяжеловесный компьютер достоин чести считаться суперкомпьютером. В общем случае, суперкомпьютер — это компьютер намного более мощный, чем доступные для большинства пользователей машины. При этом скорость технического прогресса сегодня такова, что сегодняшний суперкомпьютер-лидер завтра легко может сдать лидерскую позицию.
Архитектура также не может считаться признаком принадлежности к классу суперкомпьютеров. Ранние компьютеры CDC были обычными машинами, всего лишь оснащёнными быстрыми для своего времени скалярными процессорами, скорость работы которых была в несколько десятков раз выше, чем у компьютеров, предлагаемых другими компаниями.
Большинство суперкомпьютеров 70-х оснащались векторными процессорами, а к началу и середине 80-х небольшое число (от 4 до 16) параллельно работающих векторных процессоров практически стало стандартной основой конфигурацией суперкомпьютеров. Конец 80-х и начало 90-х годов охарактеризовались сменой магистрального направления развития суперкомпьютеров от векторно-конвейерной обработки к большому и сверхбольшому числу параллельно соединённых скалярных процессоров.
Массово-параллельные системы стали объединять в себе сотни и даже тысячи отдельных процессорных элементов, причём ими могли служить не только специально разработанные, но и массово производимые и, следовательно, доступные в свободной продаже процессоры. Большинство массово-параллельных компьютеров создавалось на основе мощных процессоров с архитектурой RISC, наподобие PowerPC или PA-RISC.
В конце 90-х годов высокая стоимость специализированных суперкомпьютерных систем и нарастающая потребность разных слоёв общества в доступных вычислительных ресурсах привели к широкому распространению компьютерных кластеров. Для этого класса систем характерно использование отдельных узлов на основе дешёвых и широко доступных компьютерных комплектующих для серверов и персональных компьютеров и объединённых при помощи мощных коммуникационных систем и специализированных программно-аппаратных решений. Несмотря на кажущуюся простоту, кластеры довольно быстро заняли достаточно большой сегмент суперкомпьютерной индустрии, обеспечивая высочайшую производительность при минимальной стоимости системы.
В настоящее время суперкомпьютерами принято называть компьютеры с огромной вычислительной мощностью («числодробилки» или «числогрызы»). Такие машины используются для выполнения программ, реализующих наиболее интенсивные вычисления (например, прогнозирование погодно-климатических условий, моделирование ядерных взрывов и т. п.), что в том числе отличает их от серверов и мэйнфреймов (англ. mainframe) — компьютеров с высокой общей производительностью, призванных решать типовые задачи (например, обслуживание больших баз данных или одновременная работа с множеством пользователей).
Иногда суперкомпьютер выполняет одну-единственную программу, использующую всю доступную память и все процессоры системы. В иных случаях они обеспечивают выполнение большого числа разнообразных прикладных программ.
История суперкомпьютеров
Одним из первых суперкомпьютеров считается Cray-1, созданный в 1974 году. С помощью поддержки векторных операций эта суперЭВМ достигала производительности в 180 миллионов операций в секунду над числами с плавающей точкой (FLOPS).
По применению суперкомпьютеров Россия сильно отстаёт от США, Китая, Европы и Японии. Если в 2018 г. доля России в мировом ВВП составила 1,8 %, то в мировой производительности суперкомпьютеров лишь 0,32 %.[1]
Применение
Суперкомпьютеры используются во всех сферах:
- где для решения задачи применяется численное моделирование, сопряженное с очень большим объемом сложных вычислений;
- там, где требуется огромный объём сложных вычислений, обработка большого количества данных в реальном времени, или решение задачи может быть найдено простым перебором множества значений множества исходных параметров (см. Метод Монте-Карло).
Совершенствование методов численного моделирования происходило одновременно с совершенствованием вычислительных машин, — чем сложнее были задачи, тем выше были требования к создаваемым машинам. Чем быстрее были машины, тем сложнее были задачи, которые на них можно было решать. Поначалу суперкомпьютеры применялись почти исключительно для оборонных задач: расчёты по ядерному и термоядерному оружию, ядерным реакторам, проектированию подводных кораблей. Потом, по мере совершенствования математического аппарата численного моделирования, развития знаний в других сферах науки — суперкомпьютеры стали применяться и в мирных расчётах и расчётах двойного назначения, создавая новые научные дисциплины, как то:
- численный прогноз погоды,
- вычислительная биология и медицина,
- вычислительная химия,
- вычислительная гидродинамика,
- вычислительная лингвистика и проч., — где достижения информатики сливались с достижениями прикладной науки.
Ниже приведён далеко не полный список областей применения суперкомпьютеров:
- Физика высоких энергий:
- Ядерная физика, физика плазмы, анализ данных экспериментов, проведённых на ускорителях микрочастиц;
- разработка и совершенствование атомных и термоядерных взрывных устройств, управление ядерным арсеналом, моделирование ядерных взрывов;
- моделирование жизненного цикла ядерных топливных элементов, проекты ядерных и термоядерных реакторов.
- Наука о Земле:
- прогноз погоды, состояния морей и океанов;
- прогноз эволюции климата и её последствий;
- исследование процессов, происходящих в земной коре, для предсказания землетрясений и извержений вулканов;
- анализ данных геологической разведки для поиска и оценки нефтяных и газовых месторождений, моделирование процесса выработки месторождений;
- моделирование растекания рек во время паводка, растекания нефти во время аварий;
- Вычислительная биология: фолдинг белка, расшифровка ДНК;
- Вычислительная химия и медицина: изучение строения вещества и природы химической связи как в изолированных молекулах, так и в конденсированном состоянии, поиск и создание новых катализаторов и лекарств.
- Физика:
- газодинамика: газотурбинные двигатели, горение топлива, аэродинамические процессы для создания совершенных форм крыла и лопаток, фюзеляжей самолетов, ракет, кузовов автомобилей;
- гидродинамика: течение жидкостей по трубам, по руслам рек, обтекание корабельных корпусов;
- материаловедение: создание новых материалов с заданными свойствами, анализ распределения динамических нагрузок в конструкциях, моделирование крэш-тестов при конструировании автомобилей;
- в качестве сервера для искусственных нейронных сетей[2][3]
- создание принципиально новых способов вычисления и обработки информации (Квантовый компьютер[4][5], Искусственный интеллект[6][7])
Производительность
Производительность суперкомпьютеров чаще всего оценивается и выражается в количестве операций над числами с плавающей точкой в секунду (FLOPS). Это связано с тем, что задачи численного моделирования, под которые и создаются суперкомпьютеры, чаще всего требуют вычислений, оперирующих вещественными числами (зачастую с высокой степенью точности) а не целыми числами. Поэтому для суперкомпьютеров неприменима мера быстродействия обычных компьютерных систем — количество миллионов операций в секунду (MIPS). При всей своей неоднозначности и приблизительности, оценка во флопсах позволяет легко сравнивать суперкомпьютерные системы друг с другом, опираясь на объективный критерий.
Первые суперкомпьютеры имели производительность порядка 1 кфлопс, то есть 1000 операций с плавающей точкой в секунду. В США компьютер, имевший производительность в 1 МФлопс (1 миллион флопсов) (CDC 6600), был создан в 1964 году. Известно, что в 1963 году в московском НИИ-37 (позже НИИ ДАР) был разработан компьютер на основе модулярной арифметики с производительностью 2,4 млн оп/с. Это был экспериментальный компьютер второго поколения (на дискретных транзисторах) Т340-А[8] (гл. конструктор Д. И. Юдицкий). Однако следует отметить, что прямое сравнение производительности модулярных и классических («фон-немановских») ЭВМ некорректно. Модулярная арифметика оперирует только с целыми числами. Представление вещественных чисел в модулярных ЭВМ возможно только в формате с фиксированной запятой, недостатком коего является существенное ограничение диапазона представимых чисел.
- Планка в 1 миллиард флопс (1 Гигафлопс) была преодолена суперкомпьютерами NEC SX-2 в 1983 году с результатом 1.3 Гфлопс.
- В 1996 году суперкомпьютером ASCI Red взят барьер в 1 триллион флопс (1 Тфлопс).
- Рубеж 1 квадриллион флопс (1 Петафлопс) перейден в 2008 году суперкомпьютером IBM Roadrunner.
- Рубеж 1 квинтиллион флопс (1 Эксафлопс) перейден в 2022 году суперкомпьютером Frontier .
Программное обеспечение суперкомпьютеров
Наиболее распространёнными программными средствами суперкомпьютеров, так же, как и параллельных или распределённых компьютерных систем, являются интерфейсы программирования приложений (API) на основе MPI и PVM, и решения на базе открытого программного обеспечения, наподобие Beowulf и openMosix, позволяющего создавать виртуальные суперкомпьютеры даже на базе обыкновенных рабочих станций и персональных компьютеров. Для быстрого подключения новых вычислительных узлов в состав узкоспециализированных кластеров применяются технологии наподобие ZeroConf. Примером может служить реализация рендеринга в программном обеспечении Shake, распространяемом компанией Apple. Для объединения ресурсов компьютеров, выполняющих программу Shake, достаточно разместить их в общем сегменте локальной вычислительной сети.
В настоящее время границы между суперкомпьютерным и общеупотребимым программным обеспечением сильно размыты и продолжают размываться ещё более вместе с проникновением технологий параллелизации и многоядерности в процессорные устройства персональных компьютеров и рабочих станций. Исключительно суперкомпьютерным программным обеспечением сегодня можно назвать лишь специализированные программные средства для управления и мониторинга конкретных типов компьютеров, а также уникальные программные среды, создаваемые в вычислительных центрах под «собственные», уникальные конфигурации суперкомпьютерных систем.
Место | Rmax / Rpeak (PFLOPS) | Принадлежность | Название | Год создания |
---|---|---|---|---|
25 | 21.530 / 29.415 | Яндекс | Червоненкис * | 2021 |
44 | 16.020 / 20.636 | Яндекс | Галушкин * | 2021 |
47 | 12.810 / 20.029 | Яндекс | Ляпунов * | 2020 |
50 | 11.950 / 14.909 | Сбербанк | Кристофари Нео | 2021 |
86 | 6.669 / 8.790 | Сбербанк | Кристофари ** | 2019 |
290 | 2.478 / 4.947 | МГУ | Ломоносов-2 | 2018 |
352 | 2.258 / 3.012 | МТС | МТС GROM | 2021 |
* Червоненкис, Галушкин, Ляпунов — фамилии выдающихся советских и российских учёных.
** Кристофари — владелец первой Сберегательной книжки в истории России.
Суперкомпьютер Национального центра управления обороной России, имеющий производительность на уровне 16 петафлопс и по утверждению компетентных лиц являющийся самым мощным военным суперкомпьютером в мире, не участвует в рейтинге Top500. Тем не менее по факту на ноябрь 2021 года является третьим по производительности суперкомпьютером в России.
См. также
- Параллельные вычислительные системы
- Топ-50 (рейтинг суперкомпьютеров СНГ)
- СКИФ МГУ
- Ломоносов (суперкомпьютер)
- Graph500
Примечания
- ↑ Сергей Абрамов. Суперкомпьютеры: обратные рекорды // Наука и жизнь. — 2019. — № 1. — С. 42—45.
- ↑ Обучающиеся системы
- ↑ NVIDIA удваивает скорость обучения глубоких нейронных сетей
- ↑ В Финляндии разработали новый квантовый суперкомпьютер
- ↑ IBM создаст универсальный квантовый компьютер
- ↑ Искусственный интеллект суперкомпьютера IBM Watson самостоятельно создал свой первый трейлер к художественному фильму
- ↑ Сознание машин
- ↑ Борис Малашевич. Неизвестные модулярные суперЭВМ .
Литература
- Arthur Trew (Editor), Greg Wilson (Editor). Past, Present, Parallel: A Survey of Available Parallel Computer Systems. — Springer, 1991. — 392 p. — ISBN 9783540196648.
- Суперкомпьютерные технологии в науке, образовании и промышленности / Под редакцией: академика В. А. Садовничего, академика Г. И. Савина, чл.-корр. РАН Вл. В. Воеводина.-М.: Издательство Московского университета, 2009.-232 с., ил. ISBN 978-5-211-05719-7
Ссылки
- Список 500 мощнейших суперкомпьютеров мира (англ.)
- Тор50 самых мощных компьютеров СНГ (рус.)
- Журнал «Суперкомпьютеры» (рус.)
- Персональный Суперкомпьютер на GPU (рус.)
- Суперкомпьютеры в России — основные проблемы, тенденции, вопросы
- В. Воеводин. «Суперкомпьютеры: огромные и незаменимые» (проект ACADEMIA, лекция первая)
- В. Воеводин. «Суперкомпьютеры: огромные и незаменимые» (проект ACADEMIA, лекция вторая)
- Ежегодный с 1993 года обзор суперкомпьютерных систем европейского фонда EuroBen