Superkomputer

Superkomputer Blue Gene/P w Argonne National Laboratory

Historyczny superkomputer Cray-2, działajacy w latach 80. w NASA

Superkomputer – komputer wydatnie przewyższający możliwościami powszechnie używane komputery, w szczególności dysponujący wielokrotnie większą mocą obliczeniową. Określenie to ukazało się w latach 60. w odniesieniu do komputerów produkowanych przez CDC oraz później przez firmę Cray. Były one produkowane w dziesiątkach egzemplarzy oraz kosztowały po parę milionów dolarów. Współcześnie przeważajaca ilość superkomputerów to pojedyncze egzemplarze, zaprojektowane oraz wyprodukowane na zamówienie, zwykle z seryjnie produkowanych procesorów oraz innych podzespołów. Koszty ich produkcji sięgają miliarda dolarów^[1]. Od czerwca 2011 najszybszym superkomputerem na świecie jest K computer, zainstalowany w Riken w Japonii^[2][3][4].

Postęp techniczny w dziedzinie informatyki powoduje, że każdy superkomputer staje się przestarzały w ciągu kilku lat oraz jego używanie przestaje być opłacalne. Maszyny zaliczane dwadzieścia lat temu do klasy superkomputerów miały wydajność porównywalną z dzisiejszymi urządzeniami przenośnymi. Dla przykładu iPad 2 ma wydajność około 1,6 GFLOPS, co w 1993 roku stawiałoby go wśród 200 najszybszych superkomputerów świata^[5][6].

Superkomputery używane są z reguły do przeprowadzania złożonych fizycznych symulacji, takich jak prognozowanie pogody, badania zmian klimatu, modelowanie reakcji chemicznych, badanie aerodynamiki samolotów czy badania procesów starzenia broni jądrowej.

Porównywanie wydajności superkomputerów

Główną miarą wydajności, stosowaną aktualnie dla superkomputerów, jest liczba wykonywanych w ciągu sekundy operacji na liczbach zmiennoprzecinkowych (FLOPS). Podaje się ją wielokrotnie z odpowiednim przedrostkiem SI. Dla przykładu teraflops („TFLOPS”) to 10¹² FLOPS, a petaflops („PFLOPS”) to 10¹⁵ FLOPS. Mierzy się ją za pomocą odpowiednich testów wzorcowych. Najpopularniejszym takim testem jest LINPACK, mierzący szybkość rozwiązywania gęstych układów równań liniowych za pomocą metody Gaussa. Gdyż wiele problemów stawianych superkomputerom daje się sprowadzić do rozwiązywania takich równań, test ten jest wygodną abstrakcją pomiaru efektywności w rozwiązywaniu takich problemów. Superkomputery uzyskujące najwyższe wyniki w tym teście są od 1993 roku publikowane na liście TOP500, aktualizowanej dwa razy w roku.

Inną miarą wydajności superkomputerów jest miara FLOPS/wat, uwzględniająca oprócz szybkości wykonywania obliczeń także zużycie prądu przez superkomputery. Najefektywniejsze wedle tej miary superkomputery z listy TOP500 są publikowane od 2007 roku na liście Green500.

Historia

Rekordy szybkości komputerów w kolejnych latach (w skali logarytmicznej)

Poniższa tabela przedstawia światowe rekordy szybkości dla komputerów ogólnego przeznaczenia oraz lata w których zostały ustanowione. Rekordy sprzed 1993 roku podane są na podstawie Computer History Museum^[7], a od 1993 roku na podstawie listy TOP500^[8].

Planowane superkomputery

W 2012 planowane jest uruchomienie kolejnych superkomputerów:

• Przez firmę Cray:
  • Blue Waters, oparty o procesory AMD Opteron 6200 oraz Nvidia Tesla, osiągający moc obliczeniową 10 PFLOPS^[9],
  • Titan, oparty o procesory AMD Opteron oraz Nvidia Kepler, osiągający moc obliczeniową 20 PFLOPS^[10][11],
• Przez firmę IBM:
  • Mira, oparty na procesorach Blue Gene/Q, osiągający moc obliczeniową 10 PFLOPS^[12],
  • Sequoia, oparty na procesorach Blue Gene/Q, osiągający moc obliczeniową 20 PFLOPS^[13],
• Przez firmy Silicon Graphics oraz Intel:
  • Pleiades, oparty na procesorach Intel Xeon oraz Nvidia Tesla, osiągający moc obliczeniową 10 PFLOPS^[14].
• Przez firmy Dell oraz Intel:
  • Stampede, oparty na procesorach Intel Xeon oraz Intel MIC, osiągający moc obliczeniową 10 PFLOPS^[15].

Firma Fujitsu zaprezentowała w swojej ofercie ulepszoną wersję K computera, umożliwiający osiągnięcie 23 PFLOPS^[16]. IBM ogłosił, że ich architektura Blue Gene/Q dopuszcza osiągnięcie 100 PFLOPS^[17][18]. Chiny planują zbudowanie następcy Tianhe-1A o wydajności 50-100 PFLOPS do 2015 roku^[19].

Przy obecnym tempie rozwoju, pierwsze superkomputery o wydajności powyżej 1 eksaflops (10¹⁸, trylion FLOPS) powinny zostać zbudowane około 2019 roku^[20][21]. Wedle Intel Corporation, obecne tempo rozwoju będzie zachowane przynajmniej do 2029 roku, kiedy powstaną komputery o wydajności zettaflops (10²¹, tryliard FLOPS)^[22].

Budowa

Procesory używane w superkomputerach z listy TOP500 w latach 1993-2009

Współczesne superkomputery uzyskują swoją wydajność dzięki połączeniu wielu tysięcy procesorów oraz zrównoleglaniu wykonywanych obliczeń. Z powodów ekonomicznych stosuje się procesory dostępne w produkcji masowej, albowiem koszty zaprojektowania oraz wyprodukowania nowych typów procesorów są wydatnie wyższe niż koszty produkcji superkomputerów^{[nota 2][23][24]}. Aby umożliwić efektywne wykorzystanie mocy obliczeniowej tych procesorów, używa się specjalnie zaprojektowanej pamięci hierarchicznej oraz najwydajniejszych dostępnych połączeń do przesyłania danych pomiędzy nimi. Z powodu takiej architektury, superkomputery potrafią jednak osiągać wysoką wydajność zaledwie dla obliczeń, które dają się w dużym stopniu zrównoleglić.

Zastosowanie

Superkomputery są używane w armii, badaniach naukowych oraz biznesie. Instytuty naukowe udostępniają czas swoich komputerów recenzowanym projektom naukowym, których lista jest wielokrotnie publicznie dostępna. Dla przykładu na komputerach w ICM prowadzone są symulacje astrofizyczne, biochemiczne, hydrologiczne, epidemiologiczne oraz aerodynamiczne, jak także badania należące do teorii liczb oraz algebry liniowej^[25].

Przykładowe zastosowania superkomputerów to:

• badanie struktury dużych biocząsteczek, takich jak lignina oraz celuloza, w celu zwiększania wydajności uzyskiwania z nich biopaliw^[26],
• symulacje procesu spalania w silnikach spalinowych, w celu zwiększania ich wydajności^[27],
• symulacje aerodynamiki projektowanych samolotów^[28] oraz samochodów ciężarowych^[29],
• symulacje zachowania plazmy w tokamakach w badaniach nad kontrolowaną syntezą termojądrową^[30],
• symulacje oddziaływań pomiędzy kwarkami a gluonami aby uzyskać dokładniejsze dane o parametrach cząstek elementarnych^[31],
• badanie właściwości nanomateriałów w celu opracowania wydajniejszych superkondensatorów^[32],
• symulacje zachowania elektronów wewnątrz nanostruktur w celu opracowania przyszłych układów elektronicznych^[33].

Superkomputery w Polsce

Najszybszym superkomputerem w Polsce jest Zeus^[34] z ACK Cyfronet na Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Maszyna działa pod kontrolą systemu operacyjnego Scientific Linux, jej efektywna moc obliczeniowa wynosi prawie 129 TFLOPS oraz jest wykorzystywana do obliczeń naukowych, m.in. z zakresu chemii oraz fizyki.

Kolejne największe superkomputery w Polsce to^[34]:

• Galera Plus w TASK w Gdańsku, o wydajności 65 TFLOPS.
• Boreas w ICM w Warszawie, o wydajności 64 TFLOPS.
• Klaster obliczeniowy w PCSS w Poznaniu, o wydajności 63 TFLOPS.
• Farma serwerów Grupy Allegro, o wydajności 59 TFLOPS.
• Supernova w WCSS we Wrocławiu, o wydajności 57 TFLOPS.

Alternatywne rozwiązania

W zależności od typu dylematu obliczeniowego, rozwiązanie go w sposób rozproszony może nakładać zróżnicowane ograniczenia na architekturę oraz wydajność komunikacji pomiędzy poszczególnymi węzłami. W pewnych przypadkach superkomputery nie są najefektywniejszym rozwiązaniem oraz stosuje się rozwiązania alternatywne.

Projekty internetowe

 Osobny artykuł: Projekt internetowy.

Istnieje szereg problemów obliczeniowych, które da się podzielić na wiele niezależnych, mniejszych zadań do wykonania. Takie problemy da się rozwiązywać przy użyciu dużej ilości zwykłych komputerów, podłączonych do Internetu. Powstało parę projektów działających na tej zasadzie. Uczestnicy takich projektów ściągają na swoje komputery odpowiedni program, który uruchamia się w czasie kiedy komputer nie jest wykorzystywany oraz wykonuje zadania zlecone przez system zarządzający. W największych takich projektach biorą udział setki tysięcy ochotników, tworząc wirtualne superkomputery przewyższające wydajnością największe pojedyncze maszyny. Największe takie projekty to:

• Folding@home – projekt badania procesów zwijania białek. Dysponuje mocą ponad 6 PFLOPS^[35] oraz jest odnotowany w Księdze Guinnessa jako największy klaster komputerowy na świecie^[36].
• BOINC – projekt łączący komputery do wielorakich obliczeń, zapoczątkowany przez projekt SETI@home. Pracuje równolegle nad kilkunastoma niezależnymi zagadnieniami. Sumaryczna moc obliczeniowa jaką dysponuje, to ponad 5 PFLOPS^[37].
• GIMPS – projekt poszukiwania liczb Mersenne’a. Dysponuje mocą obliczeniową 60 TFLOPS^[38]
• Distributed.net – projekt obliczeń teorioliczbowych, w szczególności badania możliwości łamania współczesnych szyfrów blokowych.

Farmy serwerów oraz botnety

Farma serwerów to zbiór luźno powiązanych ze sobą serwerów, współpracujących w celu realizacji jednego zadania. Stosuje się je w różnorodnych zastosowaniach komercyjnych, takich jak wyświetlanie spersonalizowanych stron w wyszukiwarkach internetowych oraz serwisach społecznościowych, czy rendering filmów 3D. Moc obliczeniowa takich farm może wydatnie przewyższać moce obliczeniowe największych superkomputerów. Google oraz Microsoft posiadają setki tysięcy serwerów^[39], których łączna moc obliczeniowa jest szacowana na dziesiątki PFLOPS^[40]. Również największe botnety posiadają większą moc obliczeniową niż liderzy TOP500 (np. Storm botnet składający się z 1,9 mln komputerów^[41]).

Systemy dedykowane

Na liście TOP500 zawarte są zaledwie komputery ogólnego zastosowania, na których da się efektywnie wykonywać testy LINPACK. Do konkretnych zastosowań buduje się jednak czasem urządzenia dedykowane, efektywne w rozwiązywaniu tylko jednego, wybranego problemu. Umożliwia to uzyskać przeważajaca ilość efektywność oraz zmniejszyć koszty, za cenę uniwersalności. Przykładem takich urządzeń są:

• EFF DES cracker^[42] wybudowany w 1998 roku do łamania szyfrów DES.
• MDGRAPE-3 (2006)^[43] oraz Anton (2008)^[44][45] – do symulacji dynamiki molekularnej.

Sprawdź też

  W Wikimedia Commons leżą multimedia związane z tematem:
Superkomputer

• klaster komputerowy
• przetwarzanie sieciowe
• obliczenia równoległe

Adnotacje

1. ↑ Pierwsze komputery wykonywały tylko operacje na liczbach całkowitych, dlatego ich szybkość podana jest w operacjach na sekundę (OPS). Współcześnie jednak znaczna przeważajaca ilość zastosowań superkomputerów wymaga wykonywania operacji na liczbach zmiennoprzecinkowych, dlatego porównuje się je używając miary FLOPS. Nie ma oczywistego przelicznika pomiędzy tymi miarami, choć każda operacja zmiennoprzecinkowa może w szczególności być użyta jako całkowitoliczbowa.
2. ↑ Koszt budowy komputera Tianhe-1A wyniósł około 88 milionów dolarów, z tym że inwestycje w zaprojektowanie oraz wdrożenie do produkcji procesorów Itanium 2 wyniosły 3 miliardy dolarów.

Przypisy