Суперкомпьютером называют такую ЭВМ, которая по производительности и другим техническим характеристикам намного превосходит другие, существующие в данный момент. В состав такой ЭВМ входит несколько процессоров. Еще одной отличительной характеристикой таких вычислительных устройств является использование векторной арифметики, то есть они могут выполнять арифметические действия одновременно над несколькими парами чисел. Например, типичный суперкомпьютер может одновременно рассчитывать заработную плату нескольких работников, тогда как обычный компьютер за то же время посчитает зарплату только одного сотрудника.
История супер-ЭВМ: появление суперкомпьютеров в 1960-х гг.
Первый суперкомпьютер был создан в компании Control Data Corporation (CDC) под руководством Сеймура Крея. Одним из первых разработанных в данной фирме компьютеров был Cray CDC 1604. В нем были заменены вакуумные электронные лампы транзисторами, он быстро завоевал популярность в научных лабораториях. Позже компания CDC разработала супер-ЭВМ CDC 7600 и начала работы над CDC 8600. В 1964 г. самым быстрым компьютером на Земле стал Stretch, который мог выполнять три миллиона операций с плавающей запятой в секунду (FLOPS).
Одним из преимуществ ЭВМ, разработанных под руководством Сеймура Крея, была плотная упаковка электронных компонентов, благодаря чему увеличивалась производительность компьютеров. Все компьютеры Сеймура Крея были оптимизированы для требовательных научных приложений, например, решения дифференциальных уравнений, матричных вычислений, сейсмического анализа, линейного программирования и других подобных задач.
Суперкомпьютеры Cray в 1970-х гг.
Сеймур Крэй ушел из компании CDC и в 1972 г. основал компанию Cray Research, Inc. В 1975 г. компания Cray Research выпустила компьютер Cray-1, который относится к 4 поколению ЭВМ. Всего продано более 80 таких машин, что для того времени было большим успехом. Cray-1 являлся одним из первых компьютеров, на котором выполнение трудоемких операций могло происходить сразу на нескольких процессорных устройствах, и таким образом был одним из первых «многопроцессорных» устройств.
Одним из пионеров многопроцессорных вычислений был Cray X-MP, представленный в 1982 г., который связал два компьютера Cray-1. Он также был первым ЭВМ, реализующим векторные вычисления.
Кроме этого, в 1970-х гг. появились первые 32-битные супер-мини-ЭВМ.
Развитие суперкомпьютеров в 1980-х гг.
В 1985 г. компания Cray Research представила четырехъядерный компьютер Cray-2. Он стал первым вычислительным устройством, производительность которого превысила один миллиард FLOPS.
В 1983 г. Даниэль Хиллис, аспирант Массачусетского технологического института, придумал, как можно повысить производительность многопроцессорных систем, относящихся к 4 поколению ЭВМ. И в том же году он стал соучредителем компании Thinking Machines Corporation. В 1985 г. данная компания разработала свой первый компьютер CM-1. Он использовал 65 536 недорогих однобитовых процессоров, которые были сгруппированы по 16 шт. на одном чипе. Производительность компьютера CM-1 в некоторых операциях достигала нескольких миллиардов FLOPS и была сопоставима с самым быстрым на тот момент суперкомпьютером Cray.
Дальнейшее развитие суперкомпьютеров в 1990-х - начале 2000-х гг.
Важными заказчиками супер-ЭВМ были военные. После подписания Соединенными Штатами Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний в 1996 г. возникла необходимость в альтернативной программе сертификации ядерных боеголовок. Поэтому Департамент энергетики США выделил деньги на новую программу развития суперкомпьютеров, целью которой стала разработка к 2004 г. компьютера, способного имитировать ядерные испытания. Эта ЭВМ должна иметь производительность более 100 триллионов FLOPS, а самым быстрым из существующих компьютеров в то время был Cray T3E, с производительностью до 150 миллиардов FLOPS. Суперкомпьютер ASCI Red, построенный в Национальных лабораториях Sandia в Альбукерке, совместно с корпорацией Intel, первым достиг 1 TFLOPS. В нем было задействовано 9 072 стандартных процессоров Pentium Pro.
Японский суперкомпьютер
В то время как в Соединенных Штатах преобладал многопроцессорный подход, в Японии корпорация NEC вернулась к более старому подходу — к индивидуальному проектированию компьютерного чипа. Сделанный этой корпорацией, компьютер Earth Simulator занял первое место в списке самых производительных ЭВМ в 2002 г.
Современные ЭВМ
В 2004 г. самым быстрым суперкомпьютером стал Blue Gene/L, выпущенный компанией IBM. Его производительность была примерно равна 36 TFLOPS. После двух удвоений в количестве процессоров Blue Gene/L, установленный в 2005 г. в Sandia National Laboratories в Ливерморе, Калифорния, стал первой машиной, преодолевшей барьер производительности в 100 TFLOPS.
Первый компьютер, производительность которого превысила 1000 TFLOPS или 1 петафлоп, был построен IBM в 2008 г.
Применение суперкомпьютеров
Супер-ЭВМ применяются в научной сфере для выполнения трудоемких вычислений и обработки большого количества информации в реальном времени. Кроме этого, прогресс в области вычислительной техники позволил ученым использовать точные модели происходящих процессов, вместо упрощенных, использовавшихся ранее.
В математике при помощи суперкомпьютеров решаются задачи криптографии и статистики. В физике они помогают понять процессы, происходящие внутри атома. Биологам супер-ЭВМ помогают расшифровать ДНК. Также они незаменимы при составлении прогноза погоды, исследовании изменений климата Земли и поиске залежей нефти и газа. Также суперкомпьютеры используются для выполнения военных расчетов, связанных с ядерным оружием.
Использование мощных вычислительных машин позволило осуществить ряд прорывов в таких областях, как метеорология, глобальный климатический анализ, создание новых медицинских препаратов и аэрокосмическая техника.
Обзор суперкомпьютеров
При разговоре о сверхмощных ЭВМ часто возникает вопрос: "Какой компьютер самый быстрый?" Ответ на этот вопрос может дать рейтинг 10-ти наиболее мощных суперкомпьютеров. В данном рейтинге представлены самые новые компьютеры.
- Самым быстрым на данный момент считается компьютер Summit Power System AC922. Его производительность согласно данным, полученным с применением системы тестов LINPACK, составляет 122,3 PFLOPS. Максимальная теоретическая производительность данного вычислительного устройства 187,659 PFLOPS. Супер-ЭВМ Summit Power System AC922 сделана компанией IBM специально для использования в Окриджской Национальной лаборатории.
- На втором месте по производительности находится китайский суперкомпьютер Sunway TaihuLight. Скорость вычислений данной ЭВМ, которая была измерена при помощи системы тестов LINPACK, составляет 93 PFLOPS. Данная супер-ЭВМ являлась самой производительной в мире с июня 2016 г. по июнь 2018 г. Этот суперкомпьютер расположен в Китайской Народной Республике, в компьютерном центре в Уси и используется для прогнозирования погоды, медицинских исследований и выполнения различных сложных расчетов.
- На следующем месте по производительности стоит вычислительное устройство Sierra Power System S922LC. Эта супер-ЭВМ имеет производительность 71,61 PFLOPS, согласно тестам LINPACK. Расположено это устройство в Ливерморской лаборатории им. Э. Лоуренса, входящей в состав Калифорнийского университета.
- Супер-ЭВМ "Тяньхэ-2" был самым мощным вычислительным устройством с 2013 г. по 2016 г. Его название переводится с китайского языка как «Млечный путь — 2». Согласно стандартному тесту LINPACK его производительность равна 61,445 PFLOPS, а теоретическая пиковая - 100,679. Находится данное устройство в Национальном компьютерном центре в Гуанчжоу (Китайская Народная Республика).
- На пятом месте по производительности на данный момент находится Японский суперкомпьютер AI Bridging Cloud Infrastructure. Его производительность по тестам LINPACK 19,88, а максимальная теоретическая — 32,577 PFLOPS.
- Суперкомпьютер Piz Daint расположен в Швейцарском компьютерном центре и является самым производительным вычислительным устройством в Европе. Его пиковая теоретическая производительность равна 25,326 PFLOPS, а реальная, зафиксированная при помощи тестов LINPACK, — 19,59 PFLOPS. Разработан американской компанией Cray.
- Седьмое место по производительности занимает суперкомпьютер Titan, выпущенный в 2012 г. на базе архитектуры Cray XK7. Реальная производительность данного устройства, измеренная при помощи набора тестов LINPACK, - 17,59 PFLOPS, а максимальная теоретическая - 27,113 PFLOPS. Работает он в лаборатории Министерства энергетики США, штат Теннесси. Был самым мощным вычислительным устройством с ноября 2012 г. по июль 2013 г.
- Супер-ЭВМ Sequoia разработана компанией IBM на платформе Blue Gene/Q. Его реальная производительность - 17,173 PFLOPS, а теоретически возможная - 20,133 PFLOPS. Располагается в Ливерморской лаборатории.
- Компьютер Trinity разработан на базе платформы Cray XC40. Измеренная производительность данного вычислительного устройства 14,137 PFLOPS. Установлен в Лос-Аламосской лаборатории.
- Супер-ЭВМ Cori, как и предыдущая, сделана на архитектуре Cray XC40. Ее производительность по тестам LINPACK — 14,015 PFLOPS.
Заключение
Развитие супер-ЭВМ оказало большое влияние на многие области науки и промышленности. На данный момент самым большим препятствием, затрудняющим раскрытие всего вычислительного потенциала таких устройств, являются трудности с написанием программ, которые могли бы одновременно загрузить все имеющиеся у суперкомпьютера процессоры на полную мощность. Это происходит, потому что написать программу, которая бы эффективно разбивала вычислительную задачу на несколько потоков, намного сложнее, чем ту, которая будет выполняться последовательно на одном процессоре. Да и не каждая задача поддается такому распараллеливанию. Вот и все, что нужно знать о супер-ЭВМ, назначении, возможностях и принципах построения этих компьютеров.
