С приставкой «супер»: мощные собратья персональных компьютеров - Энергетика и промышленность России - № 05 (337) март 2018 года - WWW.EPRUSSIA.RU

Для большинства людей слово «компьютер» ассоциируется с персональными компьютерами, которые сегодня можно увидеть в любом доме и офисе.

Однако существуют гораздо более мощные и сложные вычислительные системы, чем доступные для большинства пользователей машины. Этих монстров, способных за секунду производить триллионы операций, называют «суперкомпьютерами».

«Шкафы» с электроникой

Определение понятия «суперкомпьютер» всегда было предметом споров и обсуждений. Суперкомпьютеры намного превосходят большинство привычных образцов компьютерной техники по своим техническим параметрам и скорости вычислений. Но то, что десять лет назад можно было назвать суперкомпьютером, сегодня под это определение уже не подпадает. Производительность первых суперкомпьютеров начала 70‑х годов была сравнима с производительностью современных персональных компьютеров на базе традиционных процессоров Pentium. По сегодняшним меркам ни те ни другие к суперкомпьютерам не относятся.

Суперкомпьютерами принято называть компьютеры с огромной вычислительной мощностью. Они позволяют производить множество сложных расчетов в короткий промежуток времени. Человеку потребовалось бы сто тысяч лет, чтобы с калькулятором выполнить все те операции, которые такие компьютеры могут сделать всего за секунду.

Важно отметить, что суперкомпьютерами называют компьютеры не только с максимальной производительностью, но и с максимальным объемом оперативной и дисковой памяти. При этом их рассматривают в совокупности со специализированным программным обеспечением, с помощью которого этим монстром можно эффективно пользоваться.

Для достижения такой производительности в них работают свыше 50 000 процессоров. Именно это делает суперкомпьютеры такими мощными – их процессоры способны работать вместе и суммировать их возможности.

Как правило, современные суперкомпьютеры представляют собой несколько серверных компьютеров, соединенных друг с другом. В реальности эта система выглядит, как множество стоек («шкафов») с электроникой, которые образуют целые коридоры. Создать подобную вычислительную систему – все равно что построить целый завод со своими системами охлаждения и бесперебойного питания.

У любой мощности есть своя цена – компьютеры нагреваются в процессе работы. Одна из основных проблем разработчиков суперкомпьютеров связана с поиском использования машин без сбоев или ущерба для планеты. Зеленые решения и энергоэффективность давно стали основой каждого подобного проекта.

Триллионы и квадриллионы операций в секунду

Для суперкомпьютеров неприменима мера быстродействия обычных компьютерных систем. Это связано с тем, что задачи, под которые создаются суперкомпьютеры, требуют совершенно иных вычислений. Производительность суперкомпьютеров измеряется в такой единице, как флопс – она показывает, сколько операций с плавающей запятой в секунду выполняет данная система.

Самые первые суперкомпьютеры имели производительность порядка 1000 флопс. В 60‑х годах появились компьютеры с производительностью в миллион флопсов.

Сам термин «суперкомпьютер» вошел в общеупотребительный лексикон только в 70‑е годы благодаря распространению компьютерных систем Сеймура Крэя. Он разрабатывал вычислительные машины для правительственных, промышленных и академических научно-технических проектов США. Суперкомпьютер Cray-1, созданный американским инженером в 1974 году, имел производительность 180 миллионов операций в секунду. В те годы приобрело популярность следующее определение «суперкомпьютера» – «любой компьютер, который создал Сеймур Крэй». При этом сам Крэй никогда не называл свои детища суперкомпьютерами.

На сегодняшний день суперкомпьютеры создаются традиционными игроками компьютерного рынка, такими, как Intel, IBM, NEC, и другими. Но и компания Cray по‑прежнему занимает достойное место в ряду производителей суперкомпьютерной техники.

В середине 90‑х годов вычислительная мощность суперкомпьютеров вычислялась уже триллионами флопс. Следующий рубеж в квадриллион флопс (или один петафлопс) был взят уже в новом столетии.

Сделано в Китае

Суперкомпьютеры тесно связаны с прогрессом науки, промышленными инновациями и экономической конкурентоспособностью. По этой причине государства увеличивают инвестиции в данную сферу.

Китай уже несколько лет продолжает удерживать пальму лидерства в рейтинге самых мощных суперкомпьютеров мира. На долю Китая приходится самое большое количество суперкомпьютеров. Кроме того, самый производительный суперкомпьютер в мире Sunway TaihuLight также полностью китайского производства. Это первая вычислительная система, преодолевшая рубеж производительности в 100 петафлопс. В дополнение к своей высокой скорости он гораздо энергоэффективнее предшественников и потребляет только один ватт электроэнергии для выполнения 6 миллиардов расчетов.

Долгое времени пальму первенства в производстве суперкомпьютеров удерживали США (именно там появились одни из первых суперкомпьютеров), которые сегодня занимают только второе место. Европа в значительной степени отстает в суперкомпьютерной гонке от Китая и США.

Россия на этом фоне выглядит еще более сдержанно. Самый мощный на сегодняшний день отечественный суперкомпьютер «Ломоносов-2» был установлен в МГУ им. М. В. Ломоносова четыре года назад. Его пиковая производительность составляет 6,5 петафлопс. Каждый день на нем выполняется около 700 сложных вычислительных задач в приоритетных направлениях науки и технологии, при этом разработчики отмечают, что он требует энергии как небольшой город.

Предсказывать погоду и имитировать работу сердца

Суперкомпьютеры используются для работы, требующей интенсивных вычислений. Именно в этом их отличие от обычных компьютеров с высокой общей производительностью, но которые решают такие типовые задачи, как обслуживание больших баз данных или одновременная работа со множеством пользователей.

Изначально суперкомпьютеры использовались для оборонных задач – с их помощью производили расчеты по ядерному и термоядерному оружию. Со временем мощнейшие компьютеры стали использоваться в самом широком спектре научных областей – от точнейшей томографии человеческого мозга и предсказания землетрясений до выявления паттернов в музыке и языковых конструкциях. Фактически у них нет спецификации: использовать их можно в любой сфере, где требуются скорость, точность и единовременная обработка огромного количества данных.

Основное применение вычислительных систем – это моделирование физических явлений и процессов. Сейчас суперкомпьютеры позволяют выявлять движение воздушных масс в атмосфере и океанических течений, определять состояние крупных водоемов, предсказывать климатические изменения, реконструировать вулканические извержения и даже имитировать работу сердца.

Используют суперкомпьютеры и в метеорологии – с их помощью становится возможным прогнозировать погоду, учитывая большое количество различных данных, которые ранее невозможно было обработать одновременно и при этом в короткий срок. Например, новые суперкомпьютеры могут с высокой точностью предсказать, будет ли в определенный момент туман в аэропорту. Кроме того, суперкомпьютер позволяет с высокой точностью прогнозировать потенциальные наводнения, цунами, землетрясения и другие природные явления. Для расчета стихийных бедствий нужно не только обработать гигантский объем данных, но и сделать это достаточно быстро, что под силу лишь суперкомпьютерам.

Сегодня без суперкомпьютеров не обойтись и в сейсморазведке полезных ископаемых. Сравнивая расчетные данные, они определяют геометрию нефтяных или газовых залежей. Для нефтегазовой промышленности это очень важно: таким образом происходит разведка месторождений, оценка объемов газа и нефти, а также уровня трудности их добычи.

В сфере здравоохранения с помощью суперкомпьютеров удается разрабатывать новые эффективные методы лечения и находить причины многих заболеваний. Они позволяют создавать трехмерные модели различных систем организма человека, практически не отличающиеся по показателям от живого организма. Анализируя огромный массив данных, компьютеры изучают человечество, его заболевания, различные тенденции в изменении тех или иных показателей.

Работать как человеческий мозг

Со временем вчерашние суперкомпьютеры становятся сегодняшними просто компьютерами. За последние несколько лет технологии шагнули вперед, и гаджеты, помещающиеся в кармане, можно сравнивать с компьютерами, которые когда‑то не поместились бы в квартире. Сегодня топовая техника начала 90‑х по производительности эквивалентна последним моделям iPhone. Скоро мы достигнем следующего рубежа: ученые уже работают над созданием экзафлопсных суперкомпьютеров с производительностью более тысячи петафлопс, или миллиард миллиардов операций в секунду!

Суперкомпьютеры становятся все быстрее, и ученые надеются, что в перспективе удастся добиться цифрового отображения работы человеческого мозга. Правда, судя по всему, это задача не ближайшего будущего: исследователи провели эксперимент и загрузили в суперкомпьютер самую подробную модель участка головного мозга, которая охватывает всего один его процент, и промоделировали на компьютере всего одну секунду работы человеческого органа. На все расчеты суперкомпьютеру потребовалось сорок минут машинного времени. Таким образом, сегодняшние суперкомпьютеры пока далеки от работы на скоростях, сравнимых с мозгом человека.

Тем не менее предполагается, что полная имитация мозга станет возможной к 2030 году, когда появятся зеттафлопсовые компьютеры, способные производить секстиллион (1021) операций в секунду. По мнению специалистов, точные модели человеческого мозга существенно облегчат диагностику, лечение и понимание человеческих мыслей и эмоций и даже, возможно, помогут нам решить вопрос о смысле жизни.

Логин:
Пароль:
Запомнить меня
Регистрация
Забыли свой пароль?
Войти как пользователь: