Суперкомпьютеры: искусственный интеллект на службе человечества

Сегодня компьютерная отрасль - это передовой рубеж науки и техники. Для решения сложных задач в области физики, астрономии, биологии, медицины требуются большие вычислительные мощности. Именно суперкомпьютеры могут в этом помочь, ведь они для того и создаются.

В последнее время довольно часто появляется информация, что где-то создан очередной суперкомпьютер. Но что же представляет собой это чудо техники? В современном понимании суперкомпьютер - это мощнейшая электронная вычислительная машина с производительностью свыше одного триллиона операций с плавающей точкой в секунду или терафлопса. Флопс (от англ. Floating point Operations Per Second) - это величина для измерения производительности компьютеров, показывающая, сколько операций с плавающей запятой в секунду выполняет та или иная вычислительная система. Как правило, современный суперкомпьютер представляет собой многопроцессорный или многомашинный комплекс (а в ряде случаев и совмещенный вариант), работающий на общую память и общее поле внешних устройств.

Традиционно основной областью применения суперкомпьютеров являются научные изыскания. Физика плазмы и статистическая механика, физика конденсированных сред, молекулярная и атомная физика, теория элементарных частиц, газовая динамика и теория турбулентности, астрофизика - это лишь часть направлений, где задействованы огромные компьютерные мощности.

Сегодня сверхмощные компьютерные вычислительные системы применяются и для решения технических проблем. Это, в первую очередь, задачи аэрокосмической и автомобильной промышленности, ядерной энергетики, предсказания и разработки месторождений полезных ископаемых, нефтедобывающей и газовой промышленности, а также конструирование непосредственно суперЭВМ.

Суперкомпьютеры также традиционно применяются для военных целей. Помимо разработки разнообразного оружия, они моделируют его использование. Например, в США вычислительные мощности суперЭВМ Министерства энергетики потребуются для моделирования применения ядерного оружия, что позволит в будущем полностью отказаться от реальных ядерных испытаний.

В настоящее время большинство суперкомпьютеров из рейтинга TOP-500 занимаются научными разработками. В этой сфере задействовано 72 мощнейших информационно-вычислительных машин. Финансовую отрасль обслуживают 46 суперкомпьютеров, 43 машины работают на благо геофизики, 33 трудятся в сфере информационного сервиса, 31 управляют логистикой, 29 занимаются разработкой полупроводников, 20 производят программное обеспечение, 18 используются в службах обработки информации, а 12 систем управляют интернетом.

Работа с огромными массивами вычислений отличает суперкомпьютеры от серверов и мэйнфреймов (англ. mainframe) - компьютерных систем с высокой общей производительностью, призванных решать типовые задачи, например, обслуживание больших баз данных или одновременная работа с множеством пользователей.

Рост производительности вычислительных систем происходит, прежде всего, за счет повышения быстродействия физико-технологической базы (электронных компонентов, устройств памяти, средств коммуникаций, ввода-вывода и отображения информации) и развития параллельности в процессе обработки информации на всех системно-структурных уровнях, что связано с увеличением количества задействованных компонентов (обрабатывающих элементов, объемов памяти, внешних устройств).

Самой популярной архитектурой суперкомпьютеров (72% в списке TOP-500) сегодня являются так называемые кластеры. Для построения кластерной архитектуры суперЭВМ используются вычислительные узлы, которые представляют собой порой самые обычные компьютеры. В таком узле обычно несколько процессоров - от 2 до 8. Для этого используются вполне обыкновенные комплектующие, широко доступные на рынке - материнские (SMP-мультипроцессорные) платы, процессоры Intel, AMD или IBM, а также обычные модули оперативной памяти и винчестеры.
За свою сравнительно небольшую историю суперкомпьютеры эволюционировали от маломощных по современным меркам систем до машин с фантастической производительностью.

Первое же упоминание суперкомпьютера относится к концу 20-х годов прошлого столетия, когда данный термин появился на страницах газеты New York World в виде словосочетания "super computing" (в переводе с английского - супервычисления). Данное понятие относилось к табуляторам - электромеханическим вычислительным машинам, изготовленным компанией IBM по заказу и для нужд Колумбийского университета и производящим сложнейшие для того времени вычисления. Естественно, тогда никаких суперкомпьютеров в современном понимании просто не было, этот далекий предок современных ЭВМ скорее являлся неким подобием калькулятора.

Упоминание термина "суперкомпьютер" по отношению к мощной электронной вычислительной системе приписывается Джорджу Мишелю (George A. Michael) и Сиднею Фернбачу (Sidney Fernbach) - сотрудникам Ливерморской национальной лаборатории (США, Калифорния) и компании Control Data Corporation. Они в конце 60-х годов занимались созданием мощных ЭВМ для нужд министерства обороны и энергетической отрасли США. Именно в Ливерморской лаборатории было разработано большинство суперкомпьютеров, включая самый быстрый c 2004 по 2008 год суперкомпьютер в мире - Blue Gene/L.

Однако в широкое употребление термин "суперкомпьютер" вошел благодаря американскому разработчику вычислительной техники Сеймуру Крею (Seymour Cray), еще в 1957 году создавшему компанию Control Data Corporation, которая занялась проектированием и постройкой электронных вычислительных комплексов, ставших родоначальниками современных суперкомпьютеров. В 1958 году под его руководством был разработан первый в мире мощный компьютер на транзисторах CDC 1604. Стоит отметить, что компания Сеймура Крея стала первой серийно выпускать суперкомпьютеры - в 1965 году на рынок выходит машина CDC-6600 производительностью 3 млн. операций в секунду. Этот компьютер стал основой для целого направления, которое Крей основал в 1972 году и назвал Cray Research. Данная фирма занималась исключительно разработкой и производством суперкомпьютеров. В 1976 году Cray Research выпустила вычислительную систему CRAY-1 с быстродействием около 100 мегафлопс. А через девять лет, в1985 году, суперкомпьютер CRAY-2 преодолевает скорость вычисления в 2 гигафлопса.

В 1989 году Сеймур Крей открывает Cray Computer Corporation с явным ориентированием на рыночные перспективы суперЭВМ. Здесь он создает суперкомпьютер CRAY-3, быстродействие которого доходило уже до пяти гигафлопс. С этим компьютером связан интересный факт. Дело в том, что после появления CRAY-3 в английский язык вошло выражение "Время Крея" (Cray time), которое означало стоимость часа работы суперкомпьютера (в то время она составляла 1 тыс. долларов в час). Есть и еще одно выражение, которое ходило в кругах компьютерных специалистов - "Суперкомпьютер - это любой компьютер, который создал Сеймур Крей".

Стоит отметить, что в 80-е годы XX века появилось множество небольших конкурирующих компаний, которые создавали высокопроизводительные компьютеры. Но уже к середине 90-х, не выдержав конкуренции с крупными корпорациями, большинство мелких и средних фирм оставили эту сферу деятельности.

Сегодня суперкомпьютеры являются уникальными системами, создаваемыми "традиционными" игроками компьютерного рынка, такими как IBM, Hewlett-Packard, Intel, NEC и другими. Именно эти компьютерные гиганты теперь диктуют правила игры в сфере высокопроизводительных электронных вычислительных систем.

В 1997 году американская компания Intel выпустила свой суперкомпьютер ASCI Red, который стал первой в мире системой с быстродействием более одного триллиона операций в секунду - 1,334 терафлопс. Суперкомпьютеры Intel сохраняли первенство еще два года, но в 2000 году первым стал компьютер ASCI White корпорации IBM, установленный в Ливерморской лаборатории (Lawrence Livermore National Laboratory), который ежесекундно производил 4 трлн. 938 млрд. вычислений (4,938 терафлопс). Эта суперЭВМ занимала лидирующую позицию еще год, получив после апгрейда скорость равную 7,226 терафлопс. Но уже в апреле 2002 года японская компания NEC объявила о запуске суперкомпьютера Earth Simulator, который смог достичь максимальной скорости 35,86 терафлопс.

Очередную смену лидеров мир суперкомпьютеров пережил осенью 2004 года - 29 сентября на первое место в мире вышел суперкомпьютер компании IBM Blue Gene/L. Эта мощная вычислительная система достигала скорости 36,01 терафлопс. Однако и этот рекорд продержался недолго - уже 26 октября национальное управление США по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) заявило, что его новый суперкомпьютер Columbia, построенный фирмой Silicon Graphics и названный в честь погибшего в феврале 2003 года шатла, произвел серию вычислений со скоростью 42,7 терафлопс. Через несколько дней этот же компьютер смог увеличить быстродействие до 51,87 терафлопс.
В начале ноября 2004 звание абсолютного рекордсмена вновь завоевал Blue Gene/L, очередной образец которого компания IBM выпустила для Министерства обороны США. В настоящее время максимальная скорость его работы превышает 70,72 терафлопс. Этот компьютер был лидером вплоть до июня 2008 года, когда IBM для ядерной лаборатории в Лос-Аламосе (США, Нью Мехико) построил свой очередной суперкомпьютерный шедевр - мощнейшую из когда-либо созданных электронных вычислительных систем Roadrunner.

Специально для учета суперкомпьютеров был учрежден проект TOP-500, основной задачей которого является составление рейтинга и описаний самых мощных ЭВМ мира. Данный проект был открыт в 1993 году и публикует дважды в год (в июне и ноябре) обновленный список суперкомпьютеров.

Итак, как уже говорилось, самым мощным на сегодняшний день суперкомпьютером, по данным последней редакции рейтинга TOP-500, является вычислительная система IBM Roadrunner. Этот компьютер построен по гибридной схеме из 6500 двухъядерных процессоров AMD Opteron и почти 13 000 процессоров IBM Cell 8i, размещенных в специальных стойках TriBlades, соединенных с помощью Infiniband - высокоскоростной коммутируемой последовательной шины. Его пиковая производительность составляет 1,105 петафлопа.

Roadrunner работает под управлением Linux. Суперкомпьютер от IBM занимает около 1100 квадратных метров пространства и весит 226 тонн, а его энергопотребление - 3,9 Мегаватт. Стоимость IBM Roadrunner составила 133 млн. долларов.

Министерство энергетики США будет применять RoadRunner для расчетов старения ядерных материалов и анализа безопасности и надежности ядерного арсенала. Кроме того, эта суперЭВМ будет использоваться для научных, финансовых, транспортных и аэрокосмических вычислений.
Второе место в рейтинге занимает суперкомпьютер Cray XT5 Jaguar, который установлен в лаборатории министерства энергетики США в Ок-Ридже, штат Теннесси. Его производительность равна 1,059 петафлопа.

Поставить новый рекорд производительности Jaguar смог после того, как к его 84 блокам Cray XT4 были добавлены две сотни блоков Cray XT5. Последние построены на базе четырехъядерных процессоров AMD Opteron. Каждый блок Cray XT5 содержит до 192 процессоров. Общее количество процессоров Jaguar составляет 45 тысяч.

Из других технических характеристик суперкомпьютера известны объем его оперативной памяти и емкость дисковых накопителей, они равны 362 терабайтам и 10 петабайтам соответственно.

В отличие от IBM Roadrunner, суперкомпьютеру Jaguar предстоит решать мирные задачи. Например, он будет использован для моделирования климатических изменений и в таких областях, как возобновляемые источники энергии и материаловедение. Кроме того, в министерства энергетики США заявляют, что Jaguar позволит исследовать процессы, об изучении которых раньше не было и речи. Что это за процессы, к сожалению, не сообщается.

Третьим по мощности суперкомпьютером в мире, а также самым быстрым в Европе является модель суперкомпьютерной линейки IBM Blue Gene/P, которая установлена в исследовательском центре города Юлих в Германии. Вычислительный комплекс JUGENE, который был запущен летом этого года, насчитывает 72 стойки, в которых размещается 294912 процессора PowerPC 450 core 850 МГц, а его мощность составляет 825,5 терафлопс. Объем памяти немецкого суперЭВМ составляет 144 ТБ. Кроме того, данный суперкомпьютер является одним из самых экономичных устройств среди аналогичных решений - его энергопотребление составляет порядка 2,2 МВт.

Вычислительные ресурсы этого суперкомпьютера используются в числе прочего при расчете проектов, связанных с термоядерными исследованиями, разработкой новых материалов, поиском лекарственных препаратов следующего поколения, а также при моделировании изменений климата, поведения элементарных частиц, сложных химических реакций и т. д. Распределением вычислительных мощностей между проектами занимается группа независимых экспертов.

Кстати, Россия по данным на ноябрь 2008 года занимает 11-14 место по числу установленных систем наряду с Австрией, Новой Зеландией и Испанией. Лидируют по этому показателю США, где находятся порядка 300 суперкомпьютеров из рейтинга. Однако по мощности самый производительный российский суперкомпьютер МВС-100K, который выполняет задачи в Межведомственном суперкомпьютерном центре Академии наук РФ, находится лишь на 54 месте. Несмотря на этот факт, МВС-100K с пиковой производительностью 95,04 терафлопс в настоящий момент является самым мощным суперкомпьютером, установленным в странах СНГ. В его состав входят 990 вычислительных модулей, каждый из которых оснащен двумя четырехъядерными процессорами Intel Xeon, работающими на частоте 3 ГГц. В ближайшем будущем планируется увеличение производительности МВС-100К до 150 TFlops. Этот суперкомпьютер предназначен для решения широкого круга сложных научно-технических задач.

Какие перспективы ожидают суперкомпьютеры в будущем? По мнению экспертов, самые радужные. Но уже сейчас ясно, что их производительность будет расти довольно быстро за счет увеличения числа процессорных ядер и средней частоты процессоров. Кроме того, для решения прикладных проблем в суперкомпьютерах будут использовать не только универсальные процессоры, но и специализированные (например, графические процессоры, разработанные Nvidia и ATI), предназначенные для конкретных задач. Также производители суперкомпьютеров, будут искать новые уникальные архитектурные решения, которые бы позволили не только увеличить мощность ЭВМ, но и дали бы преимущества в конкуренции на коммерческом рынке. Помимо этого, в будущем у суперкомпьютеров заметно повысится коэффициент полезного действия за счет развития программных средств. Возрастут и интеллектуальные способности суперЭВМ, а вместе с этим будут расти и профессиональные качества программистов и других ИТ-специалистов.

Стоит также отметить, что в будущем высокопроизводительные вычислительные системы будут постепенно увеличивать свое присутствие на мировом компьютерном рынке. По данным IDC, мировой рынок суперкомпьютеров ежегодно растет на 9,2%. Выручка производителей суперкомпьютеров во втором квартале 2008 года составила 2,5 млрд. долларов, что на 4% больше аналогичного периода прошлого года и на 10% больше, чем в первом квартале 2008 года.

Как отмечают аналитики IDC, первое место по объему выручки заняла компания HP с долей рынка в 37%, за ней следует IBM (27%) и замыкает "тройку" лидеров Dell (16%). По прогнозу аналитиков IDC, рынок суперкомпьютеров к 2012 году достигнет отметки в 15,6 млрд. долларов.

Из представленных в TOP-500 систем 209 (41,8%) изготовлены специалистами HP. Компания IBM находится на втором месте со 186 вычислительными машинами, а компания Cray занимает третье место - в ее активе 22 суперЭВМ.

Что касается России, то здесь, по мнению коммерческого директора компании "Т-Платформы" Михаила Кожевникова, ежегодный рост на рынке суперкомпьютеров составляет порядка 40%. Так, по данным "Т-Платформы" объем рынка суперЭВМ в России в 2007 году составил около 60 млн. долларов, а в 2008 году рынок вырос примерно до 80 млн. долларов. По словам Михаила Кожевникова, даже в условиях кризиса ожидается, что за 2009 год рынок вырастет примерно на 60%, а при благополучных условиях и до 100%.

Как видно, суперкомпьютеры только набирают "коммерческие" обороты. Это трудно представить, но, действительно, громоздкие вычислительные машины расходятся на компьютерном рынке как "горячие пирожки". Стоит ли ждать уменьшенного варианта суперЭВМ с такими же высокими характеристиками, которыми сейчас обладают большие вычислительные системы? На этот непростой вопрос могут ответить, наверное, только сами суперкомпьютеры, ведь это их работа.



Источник: DailyComm