Что такое суперкомпьютеры зачем они используются

Как устроены суперкомпьютеры и что они умеют

Какой компьютер является мощнейшим на сегодняшний день?

В конце июня 2020 года был опубликован ежегодный рейтинг из 500 самых мощных суперкомпьютеров в мире. Первую строчку в нем занял японский Fugaku. Он в 2,8 раз мощнее, чем прошлогодний лидер — Summit от IBM (он теперь на втором месте). Впервые рейтинг возглавил компьютер на базе процессоров ARM.

Fugaku разработала компания Fujitsu — та самая, что выпускала популярную фото- и видеотехнику Fuji. Разработки велись на базе Института Кобе в составе Института физико-химических исследований (RIKEN). Концепцию придумали еще в 2010 году, а на создание и сборку ушло более шести лет.

Пишут, что Fugaku сможет помочь в борьбе с коронавирусом. Но на самом деле суперкомпьютеры способны решать самые амбициозные задачи, которые приходят нам в голову.

Чем суперкомпьютер отличается от обычного?

Суперкомпьютеры называют «числодробилками» или «числогрызами»: они нужны для супербыстрых вычислений. Главное отличие в том, что обычный компьютер выполняет задачи последовательно, хотя и на высокой скорости — вплоть до доли секунды, поэтому мы этого не замечаем. Суперкомпьютер делает это одновременно и обрабатывает огромный массив данных.

Для этого им нужны тысячи супермощных процессоров. В результате вычисления, на которые у мощного игрового компьютера уйдет неделя, суперкомпьютер выполняет за день. Однако важно, чтобы программы работали корректно, с учетом технических особенностей машины. Иначе то, что корректно работает на 100 процессорах, сильно замедлится на 200.

Современные смартфоны работают так же быстро, как самый мощный суперкомпьютер 1994 года.

Суперкомпьютеры работают на специальном ПО. Например, у Fugaku операционная система Red Hat Enterprise Linux 8 c гибридным ядром, состоящим из одновременно работающих ядер Linux и McKernel. В качестве программных средств используют API — то есть интерфейсы или платформы для программирования — и открытое ПО, которое позволяет создавать виртуальные суперкомпьютеры на базе обычных. Часто суперкомпьютер — это несколько высокомощных компьютеров, которые объединены высокоскоростной локальной сетью.

Обычно производительность компьютеров оценивается во флопсах (FLOPS — FLoating-point Operations Per Second) — то есть количестве операций над числами с плавающей точкой в секунду. Для суперкомпьютеров сначала использовали мегафлопсы — MIPS, количество миллионов операций в секунду, а с 2008 года петафлопсы — то есть количество миллионов миллиардов вычислений в секунду. К примеру, у суперкомпьютера Fugaku производительность составляет 415 петафлопс, а у Summit — 148.

Кто придумал суперкомпьютер?

Сам термин появился в конце 1960-х годов в Ливерморской национальной лаборатории США и компании-производителе компьютеров CDC. Но впервые о «супервычислениях» заговорили еще в 1920-х годах, когда IBM собрала для Колумбийского университета свой табулятор — первую ЭВМ, работавшую на перфокартах.

Первой супер-ЭВМ считают Cray-1, созданную в 1974 году. Ее разработал Сеймур Крей — американский инженер в области вычислительной техники и основатель компании Cray Research. Cray-1 выполняла до 180 млн операций в секунду.

За основу Крэй уже имеющиеся разработки — компьютеры CDC 8600 и CDC STAR-100. Он построил процессор, который быстро выполнял и скалярные и векторные вычисления: предшественники хорошо справлялись либо с первыми, либо со вторыми.

Скалярные вычисления — те, где используется одна характеристика, величина и знак. В векторных используют вектора, то есть величину и направление (угол).

Для этого инженер использовал небольшие модули памяти, расположенные близко к процессору, чтобы увеличить скорость. Так был создан новый принцип работы с памятью — «регистр-регистр». Центральный процессор берет и записывает данные в регистры, а не в память, как у предыдущих моделей — это тоже увеличило скорость обработки. Сам процессор состоял из 144 тыс. микросхем, которые охлаждались фреоном.

В 1980-х годах Крэй выпустил еще две модели суперкомпьютеров нового поколения, включая многопроцессорный Cray X-MP. Начиная с 1990-х лидерство перехватили NEC, Hewlett-Packard и IBM, причем компьютеры последней регулярно занимают верхние строчки того самого ТОП-500.

Где и для чего используют суперкомпьютеры?

Главная задача суперкомпьютеров — выполнять максимум вычислений за минимум времени. Это полезно для многих областей: начиная от создания лекарств и заканчивая разработками новых продуктов и технологий,

Суперкомпьютер Fugaku изучает пути распространения вируса и его диагностику. Для этого он обрабатывает данные статистики, коэффициент заражения вируса, его состав и модель поведения. А еще ему поручат прогнозирование и симуляцию природных катастроф, разработку и совершенствование «зеленых» технологий.

Но суперкомпьютеры не просто вычисляют, а моделируют реальность. То есть просчитывают все возможные варианты развития событий и строят прогнозы. Поэтому с их помощью астрономы и астрофизики воспроизводят самые разные события и процессы во Вселенной.

В марте этого года астрономы из Технологического университета Суинберна (Австралия) и Калифорнийского технологического университета (США) смоделировали на суперкомпьютере эволюцию Млечного Пути. Для этого они использовали все данные о звездных скоплениях в нашей галактике.

Нанокомпьютер, квантовый компьютер и суперкомпьютер: в чем разница?

Все это — вычислительные устройства с выдающимися характеристиками.

Нанокомпьютер — это компьютер микроскопических размеров. Он запрограммирован на определенные химические свойства и поведение. Он может быть очень мощным и высокопроизводительным, но пока что не таким, как суперкомпьютер. В будущем они смогут заменить обычные устройства, так как потребляют намного меньше энергии.

Группа инженеров и ученых из Гарвардского университета и компании Mitre создала простейший нанокомпьютер, который состоит из множества крошечных проводников диаметром 15 нанометров (нанометр = 1 миллиардная метра). Их ядро из германия, а внешняя оболочка — из кремния.

Свой нанокомпьютер есть и у IBM, но уже покрупнее: 1х1 мм. Это полноценный ПК с процессором, памятью и блоком питания. По производительности его можно сравнить с x86-совместимыми процессорами из 1990-х годов. Его можно будет применять для работы с ИИ, сортировки данных, логистики, обнаружения краж.

Квантовый компьютер — это устройство, которое работает по принципам квантовой механики. Он обрабатывает данные не в битах, а в кубитах, которые одновременно равны 0 и 1. В теории, такой компьютер может обрабатывать все возможные состояния одновременно.

Пока что квантовые компьютеры существуют в виде концепций и моделей. Одна из таких принадлежит «Росатому»: проект рассчитан на срок до 2024 года и предполагает финансирование ₽24 млрд.

Какое будущее ждет суперкомпьютеры?

Очевидно, что производительность суперкомпьютеров будет разгоняться до космических цифр, их размеры — уменьшаться, а потребление энергии — сокращаться. Но самое интересное кроется в задачах, которые они смогут решать.

Эксперты считают, что через 15 лет симуляции отойдут на второй план, а машинное обучение позволит суперкомпьютерам выполнять глубокую аналитику данных. В итоге их будут применять везде: от разработки бесконечных аккумуляторов до лекарства от рака.

Источник

5 самых мощных суперкомпьютеров: для чего они нужны?

Модели с огромной производительностью, укомплектованные тысячами процессоров и десятками гигабайт ОЗУ, называются суперкомпьютерами. Самые мощные можно найти в списке TOP500, где первые 5 мест занимают американские модели Summit и Sierra, китайские ЭВМ Sunway TaihuLight и Тяньхэ-2, а также швейцарский Piz Daint.

Что такое суперкомпьютер

СуперЭВМ – название, которое получают специализированные вычислительные машины, превосходящие по характеристикам и скорости вычисления большинство обычных компьютеров.

Суперкомпьютер состоит из большого количества многоядерных систем, объединенных в общую систему для получения высокой производительности. Еще одно отличие от обычных ПК – большие размеры. Техника располагается в нескольких помещениях, занимая целые этажи и здания.

Первым настоящим суперкомпьютером считается собранный в 1974 году в США ПК Cray-1. Благодаря поддержке векторных операций модель выполняла до 180 млн вычислений с плавающей точкой в секунду (флопс). Большая часть суперЭВМ по-прежнему собирается и используется в Соединенных Штатах, следующими по количеству такой техники идут Китай и Япония.

Назначение суперкомпьютеров

Суперкомпьютеры решают разнообразные задачи – от сложных математических расчетов и обработки огромных массивов данных до моделирования искусственного интеллекта. Есть модели, воспроизводящие «архитектуру» человеческого мозга. На СуперЭВМ проектируют промышленное оборудование и электронику, синтезируют новые материалы и делают научные открытия.

Автомобилестроительные компании используют суперкомпьютеры для имитации результатов краш-тестов, экономя средства на настоящих испытаниях. Подходит такая мощная техника и для разработки новых двигателей, позволяя моделировать специальный температурный режим и процессы деформации. С ее же помощью можно прогнозировать метеорологические явления и даже землетрясения.

1. Summit

Суперкомпьютер Summit, созданный американской компанией IBM для Национальной лаборатории в Окридже. Технику ввели в эксплуатацию летом 2018 года, заменив модель Titan, которая считалась самой производительной американской СуперЭВМ. Разработка лучшего современного суперкомпьютера обошлась американскому правительству в 200 млн долларов.

Устройство потребляет около 15 МВт электроэнергии – столько, сколько вырабатывает небольшая ГЭС. Для охлаждения вычислительной системы используется 15,1 кубометра циркулирующей по трубкам воды. Сервера IBM расположены на площади около 930 кв.м – территория, которую занимают 2 баскетбольные площадки. Для работы суперкомпьютера используется 220 км электрокабелей.

Производительность компьютера обеспечивается 9216 процессорами модели IBM POWER9 и 27648 графическими чипами Tesla V100 от Nvidia. Система получила целых 512 Гбайт оперативной и 250 Пбайт постоянной памяти (интерфейс 2,5 Тбайт/с). Максимальная скорость вычислений – 200 Пфлопс, а номинальная производительность – 143,5 Пфлопс.

По словам американских ученых, запуск в работу модели Summit позволил повысить вычислительные мощности в сфере энергетики, экономическую конкурентоспособность и национальную безопасность страны. Среди задач, которые будут решаться с помощью суперкомпьютера, отмечают поиск связи между раковыми заболеваниями и генами живого организма, исследование причин появления зависимости от наркотиков и климатическое моделирование для составления точных прогнозов погоды.

2. Sierra

Второй американский суперкомпьютер Sierra (ATS-2) тоже выпущен в 2018 году и обошелся Соединенным Штатам примерно в 125 миллионов долларов. По производительности он считается вторым, хотя по среднему и максимальному уровню скорости вычислений сравним с китайской моделью Sunway TaihuLight.

Расположена СуперЭВМ на территории Национальной лаборатории имени Э. Лоуренса в Ливерморе. Общая площадь, которую занимает оборудование, составляет около 600 кв.м. Энергопотребление вычислительной системы – 12 МВт. И уже по соотношению производительность к расходу электричества компьютер заметно обогнал конкурента из КНР.

В системе используется 2 вида процессоров – серверные ЦПУ IBM Power 9 и графические Nvidia Volta. Благодаря этим чипам удалось повысить и энергоэффективность, и производительность. 4320 узлов со 190 тысячами ядер обеспечивают вычисления на скорости 94,64 петафлопс. Максимальная производительность – 125,712 Пфлопс или 125 квадриллионов операций с плавающей точкой в секунду.

3. Sunway TaihuLight

Китайская СуперЭВМ удерживала лидирующую позицию в рейтинге TOP500 с 2016 до 2018 года. В соответствии с тестами LINPACK ее считали самым производительным суперкомпьютером, минимум в полтора раза превосходящим ближайшего конкурента и втрое опережающим самую производительную американскую модель Titan. Разработка и строительство вычислительной системы обошлось в 1,8 млрд. юаней или 270 млн долларов. Инвесторами проекта были правительство Китая, администрация китайской провинции Цзянсу и города Уси.

Суперкомпьютер потребляет 15,3 МВт электроэнергии и занимает площадь 605 кв.м. Расположен он на территории города Уси, в национальном суперкомпьютерном центре. Название модели дали в честь расположенного рядом озера Тайху, третьего по величине пресноводного водоема Китая.

Наличие в конструкции ЭВМ 41 тысячи процессоров SW26010 и 10,6 миллиона ядер позволяет ей проводить расчеты со скоростью 93 Пфлопс. Максимальная производительность – 125 Пфлопс. Переход на чипы китайского производства потребовал от разработчиков создания полностью новой системы. До этого предполагалось в 2 раза повысить производительность другой китайской СуперЭВМ Тяньхэ-2, но эти намерения пришлось изменить из-за проблем с поставками процессоров Intel из США.

Модель Sunway TaihuLight применяется для выполнения сложных вычислений в области медицины, горнодобывающей промышленности и производстве. С помощью вычислительной машины прогнозируют погоду, исследуют новые лекарства и анализируют «большие данные» – массивы информации, обработать которые не получится даже у самого мощного серийного компьютера.

4. Тяньхэ-2

Суперкомпьютер Tianhe-2 («Млечный путь»), а, точнее, уже дополненная и модернизированная версия 2А, была разработана сотрудниками компании Inspur и научно-технического университета Народно-освободительной армии Китая. В июле 2013 года модель считалась самой производительной в мире и уступила пальму первенства только другому китайскому компьютеру TaihuLight. На сборку ЭВМ потратили около 200 млн долларов.

Сначала вычислительная система находилась на территории университета, а затем была перемещена в суперкомпьютерный центр в Гуанчжоу. Общая площадь, которую она занимает – около 720 кв. м. Энергопотребление модели составляет 17,8 МВт, что делает ее использование менее выгодным по сравнению с более современными версиями.

Техника построена на базе 80 тысяч ЦПУ Intel Xeon и Xeon Phi. Объем оперативной памяти – 1400 Гбайт, количество вычислительных ядер – больше 3 миллионов. На суперкомпьютере установлена операционная система Kylin Linux. Первые показатели работы системы – 33,8 Пфлопс, современная модификация достигает скорости вычислений 61,4 Пфлопс, максимальная – 100,679 Пфлопс.

СуперЭВМ создали по требованию китайского правительства, его основными задачами являются расчеты для проектов национального масштаба. С помощью системы решаются вопросы безопасности Китая, выполняется моделирование и анализ большого количества научной информации.

5. Piz Daint

Суперкомпьютер Piz Daint достаточно долго (с 2013 до 2018 года) занимал третье место в рейтинге самых мощных вычислительных систем в мире. В то же время он остается самым производительным компьютером Европы. Стоимость проекта составила около 40 млн швейцарских франков.

Модель получила название в честь одноименной территории в Швейцарских Альпах и находится в национальном суперкомпьютерном центре. Оборудование, из которого состоит СуперЭВМ, располагается в 28 стойках. Для работы техники требуется 2,3 МВт электричества, и по этому показателю Piz Daint обеспечивает лучшую удельную производительность – 9,2 Пфлопс/МВт.

В составе ЭВМ есть другой суперкомпьютер Piz Dora, сначала работавший отдельно. После объединения мощностей швейцарские разработчики получили вычислительную систему с 362 тысячами ядер (процессоры Xeon E5-2690v3) номинальной производительностью 21,23 Пфлопс. Максимальная скорость работы – 27 Пфлопс.

Основные задачи суперкомпьютера – расчеты для исследований в области геофизики, метеорологии, физике и климатологии. Одно из приложений для ЭВМ, COSMO, представляет собой метеорологическую модель и используется метеослужбами Германии и Швейцарии для получения высокоточных прогнозов погоды.

Источник

Зачем нужны суперкомпьютеры и где их используют?

В 2021 году Аргоннская национальная лаборатория (исследовательский центр Министерства энергетики США) планирует представить суперкомпьютер нового поколения Aurora, который сможет выполнить операцию, на которую человеку понадобилось бы 31,7 трлн лет, за одну секунду. Aurora будет в пять-десять раз быстрее, чем Summit — самый мощный из существующих суперкомпьютеров.

Издание Built In разобралось, что такое суперкомпьютеры и зачем они нужны.

Что такое суперкомпьютер?

Суперкомпьютеры выполняют массовую параллельную обработку данных, при которой задачи разбиваются на части и одновременно обрабатываются тысячами процессоров. Это их главное отличие от обычных компьютеров, которые последовательно решают задачу за задачей. Если воспользоваться аналогией, то это все равно что подойти к кассам в супермаркете с полной тележкой и разделить товары между несколькими друзьями. Каждый оплатит свою часть отдельно, после чего вы встретитесь у выхода и снова сложите продукты в одну тележку. Чем больше друзей, тем быстрее можно завершить параллельную обработку — по крайней мере, в теории.

«Если система настроена правильно, то какую бы задачу вы ни поставили суперкомпьютеру, он справится с ней гораздо быстрее, чем компьютер с меньшим количеством процессоров или одним процессором. Для некоторых вычислений домашнему ноутбуку понадобились бы недели или даже месяцы, но если вы сможете настроить эффективную параллельную обработку данных, то это займет не больше дня», — объясняет исследователь из Политехнического института Ренсселера Джоан Росс, которая недавно вернулась из Аргоннской национальной лаборатории, где она проработала шесть месяцев.

По словам Росс, обработке данных способны помешать некорректные параметры программы. Например, расчеты могут идти стремительно при работе четырех процессоров, но замедлиться при подключении пятого.

Для чего используются суперкомпьютеры?

Главной ценностью суперкомпьютеров является их постоянно улучшающаяся способность симулировать реальность. Они могут моделировать производственные условия и разрабатывать более совершенные продукты в областях от нефтегазовой промышленности до фармацевтики. Джек Донгарра, один из ведущих экспертов по суперкомпьютерам, сравнивает эту способность с магическим шаром для предсказаний.

Суперкомпьютеры также используются в области искусственного интеллекта. Как рассказал директор Аргоннской национальной лаборатории Пол Кернс, Aurora предназначена для ИИ следующего поколения, который ускорит научные открытия и сделает возможными улучшения в таких областях, как прогнозирование экстремальных погодных явлений, медицина, картирование головного мозга и разработка новых материалов. Aurora поможет человечеству лучше понять Вселенную, «и это только начало», убежден Кернс.

Однако работа с ИИ — лишь небольшой процент того, что делают суперкомпьютеры. 90% расчетов по-прежнему посвящены традиционным задачам: инженерным симуляциям, моделированию погоды и тому подобному. ИИ занимает во всем этом лишь 5-10%, указывает Эндрю Джонс, консультант по высокопроизводительным вычислениям.

Николь Хемсот, соучредитель The Next Platform, считает, что пройдет еще не менее пяти лет, прежде чем в суперкомпьютеры начнут массово внедрять ИИ и глубокое обучение. При этом будут требоваться куда более мощные вычислительные возможности, чем есть сейчас, отмечает она.

Что ждет суперкомпьютеры в будущем?

Не исключено, что в будущем симуляции на суперкомпьютерах отойдут на второй план. «В частности, в течение следующих полутора десятилетий машинное обучение может стать доминирующим в большинстве компьютерных наук, включая высокопроизводительные расчеты (и даже аналитику данных). Хотя сегодня оно в основном используется в качестве вспомогательного инструмента в традиционных вычислениях, в некоторых случаях, например при разработке лекарств, оно вполне может заменить симуляцию», — говорит исследователь Майкл Фельдман.

Какую бы форму ни приняли суперкомпьютеры, в Аргоннской национальной лаборатории уверены, что они будут становиться все более мощными и начнут влиять на все — от разработки более эффективных аккумуляторов для электромобилей до искоренения таких серьезных болезней, как рак.

Источник

Как появились суперкомпьютеры и зачем они нужны

Компьютерное моделирование, использующие параллельные вычислительные алгоритмы, возникло примерно в конце 40-х — начале 50-х годов XX века. Тогда компьютерная эра только начиналась: появился первый компьютер ENIAC в Америке, а также первая советская ЭВМ, которая была разработана группой академика Лебедева. Однако самые первые электронные устройства использовались очень ограниченно, в основном вычисления проводились с помощью большого количества девушек, которые с арифмометрами в руках сидели в большой комнате, напоминавшей спортзал.

Разумеется, осуществлять таким образом последовательные вычисления для решения сложных математических задач было очень тяжело. Поэтому математикам пришлось задуматься над тем, как наиболее эффективно «распараллеливать» вычислительный процесс. Все современные суперкомпьютерные системы используют распараллеленные алгоритмы. Но зародились они именно тогда, еще в начале 1950-х годов с помощью арифмометров, так как другого варианта просто не было. Вычислительная техника развивалась одновременно с вычислительными методами.

Сильным толчком к этому развитию стала в первую очередь работа над ядерными программами.

Первая советская электронно-вычислительная машина была создана в 1951 году школой академика Лебедева. Почти через год аналогичный — полностью электронный — компьютер знаменитого фон Неймана появился в Америке. Тут же возникла задача о последствиях распространения ядерного взрыва, которая решалась параллельно и у нас, и за океаном. Но, конечно, все исследования и разработки велись в рамках совершенно секретных программ.

Тогда же фактически начала развиваться так называемая теория разностных схем и решение дифференциальных уравнений в частных производных. А это основа уравнений математической физики, которые описывают основные физические процессы. Выдающимися исследователями в этой области стали Лакс, Вендрофф, Курант, Гельфанд, академики Белоцерковский, Годунов, Самарский, Дородницын, Яненко. Все эти люди параллельно развивали вычислительную технику и вычислительные методы. Именно тогда появились знаменитые схемы Лакса, Лакса — Вендроффа, метод Годунова, который до сих пор не потерял актуальность, хотя прошло уже более 60 лет. Белоцерковский стал первым ученым, который смог численно решить задачу об обтекании спускаемого в атмосфере Земли аппарата. Кроме того, был создан знаменитый метод Белоцерковского — Дородницына, который используется и сейчас. Тогда же были предложены схемы академика Самарского, по которым сейчас решаются многие математически сложные задачи.

Конечно, наличие всех этих и подобных им задач стимулировало развитие вычислительной техники. И в Советском Союзе она развивалась очень неплохо. Примерно до середины 1960-х годов мы шли параллельно с американцами. Но потом некоторые не совсем профессиональные решения на самых верхах государства привели к тому, что развитие нашей электронной техники и ее финансирование стали сокращаться, а был взят курс на закупку американской вычислительной техники.

Это стало очень большой ошибкой.

Современные суперкомпьютеры — это очень мощные вычислительные системы. Скорость их работы уже достигает десяти и более петафлопс. Хотя буквально 3-5 лет назад речь шла о терафлопсах (1 петафлопс = 10 15 операций в секунду, 1 терафлопс = 10 12 операций в секунду. – Forbes). Сейчас уже идет речь о создании первого экзафлопсного (10 18 операций в секунду) компьютера.

Мощность вычислительной техники в наши дни увеличивается с поразительной скоростью. Правда, физики тоже не отстают и ставят задачи соответствующей сложности. Последнее десятилетие дало удивительный скачок в решении сложнейших задач.

Основное применение вычислительных систем — это моделирование разнообразных физических явлений и процессов. Это нелинейные трехмерные динамические задачи, решать которые стало возможно буквально в последние десятилетия. Это задачи вычислительной аэродинамики (обтекания потоком воздуха самолетов и спускаемых в атмосфере планет аппаратов), гидродинамики (обтекание кораблей, подводных лодок, других плавающих объектов), магнитной гидродинамики, физики плазмы, звезд, сейсморазведки полезных ископаемых и др. С этими задачами связаны такие области информатики, как 3D-компьютерная графика, без которой невозможен анализ результатов расчетов, сетевые технологии, оптимизация программ, интегрирование больших программных комплексов, создание параллельных алгоритмов и распределенные системы.

Специалист в нашей области должен быть прекрасным программистом, знать практически всю информатику, также он должен быть отличным математиком, знать численные методы и предметную область, в которой он работает. Сейчас наши суперкомпьютеры также позволяют решать такие задачи, о которых раньше тяжело было говорить, например климатические, в частности, задачи о движении воздушных масс в атмосфере Земли, океанических течений, взаимодействия океана и атмосферы, образования цунами, действия землетрясений и других природных явлений.

Источник