Что такое суперкомпьютер в информатике

Введение

В то время, когда появились первые компьютеры, у разработчиков появилась проблема — производительность вычислительной системы. За время развития компьютерной индустрии производительность процессора стремительно возрастала. Но так как появляются все более новые и усложнённые программные обеспечения, повышается рост числа пользователей и расширяются сферы приложения вычислительных систем, то соответственно к мощности используемой техники предъявляют новые требования, что и привело к появлению суперкомпьютеров. Что же представляют собой суперкомпьютеры и какова их роль в жизни человека?

Суперкомпьютер — это мощная ЭВМ с производительностью свыше 10 MFLOPS(миллионов операций с плавающей запятой в секунду). То есть супер-ЭВМ — это вычислительная система, которая позволяет производить сложные расчеты за более короткие промежутки времени. Каждая компьютерная система состоит из 3-х основных частей: центрального процессора, то есть счетного устройства, блока памяти и вторичной системы хранения информации (к примеру, в виде дисков или лент). Но главную роль играют не только технические параметры каждого из этих элементов, но и пропускная способность каналов, связывающих их друг с другом и с терминалами потребителей. Одна из заповедей «Крей Рисерч» гласит: «Быстродействие всей системы не превышает скорости самой медленнодействующей ее части». Важным показателем производительности компьютера является степень его быстродействия. Она измеряется, так называемыми, флопсами. Флопс — это внесистемная единица, которая используется для измерения производительности компьютеров. Она показывает, сколько операций с плавающей запятой в секунду выполняет данная вычислительная система. То есть за основу берется подсчет: сколько наиболее сложных расчетов машина может выполнить за один миг.

А для чего вообще нужны суперЭВМ? Повышение уровня человеческих знаний всегда опиралось на опыт и теорию. Однако теперь ученые сталкиваются с тем, что многие испытания стали практически невозможными ? в некоторых случаях из-за своих масштабов, в других ? дороговизны или опасности для здоровья и жизни людей. Именно тут нашли применение суперкомпьютерам. Они позволяют экспериментировать с электронными моделями реальной действительности и становятся опорой современной науки и производства.

Суперкомпьютер — что же это?

Термин «суперкомпьютер» существует так же долго, как и само представление о компьютере. Но само понятие вошло в использование только в 1975 году, когда Сеймур Крей построил аппарат Cray-1. Современный персональный компьютер раз в 500 превосходит по быстродействию Cray-1. Приставка супер- за это время устранилась, и сейчас многие избегают понятия «суперкомпьютер». На сегодняшний момент суперкомпьютерами принято называть компьютеры с огромной вычислительной мощностью, предназначающиеся для высокопроизводительных вычислений.

ФирмаCrayResearchв 2000 г. создала супер-ЭВМ производительностью 1 TFLOPS = 1 000000 MFLOPS.

Создать такую высокопроизводительную ЭВМ по современной технологии на одном микропроцессоре невозможно, т.к. есть ограничение, обусловленное конечным значением скорости распространения электромагнитных волн (300 000 км/с), т.к. время распространения сигнала на расстояние несколько миллиметров (линейный размер стороны МП) при быстродействии 100 млрд. оп/с становится соизмеримым с временем выполнения одной операции. Поэтому супер-ЭВМ создаются в виде высокопараллельных многопроцессорных вычислительных систем (МПВС).

Высокопараллельные МПВСимеют несколько разновидностей:

Магистральные (конвейерные) МПВС, в которых процессоры одновременно выполняют разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных; по принятой классификации такие МПВС относятся к системам с многократным потоком данных (МКОД или MISD-MultipleInstructionSingleData);

ВекторныеМПВС, в которых все процессоры одновременно выполняют одну команду над различными данными — однократный поток команд с многократным потоком данных (ОКМД или SIMD-SingleInstructionMultipleData).

Матричные МПВС, в которых МП одновременно выполняют разные операции над несколькими последовательными потоками обрабатываемых данных — многократный поток команд с многократным потоком данных.

Условные структуры однопроцессорной и многопроцессорных вычислительных систем показаны на рис. 1.

В супер-ЭВМ используются все три варианта архитектуры МПВС:

Структура MIMDв классическом ее варианте (например, в суперЭВМ BSPфирмы Burroughs);

Параллельно-конвейерная модификация, иначе говоря, MMISD, т.е. многопроцессорная MISD-архитектура (например, в суперкомпьютере «Эльбрус 3»);

Параллельно-векторная модификация, или MSIMD, т.е. многопроцессорная SIMD-архитектура (например в суперкомпьютере Cray 2).

омпьютер медицина техника погода

Рисунок 1 а — SISD (однопроцессорная); б — MISD (конвейерная);в — SIMD (векторная); г — MIMD (матричная)

Самую большую эффективность показала архитектура MSIMD, поэтому в современных суперкомпьютерах используется именно эта архитектура (например, в суперкомпьютерах фирм Cray, Fujitsu, NEC, Hitachiи др.)

Характеристики производительности Супер-ЭВМ

За 50 лет производительность компьютеров выросла более, чем в 700 000 000 раз. При этом выигрыш в быстродействии, связанный с уменьшением времени такта с 2 микросекунд до 1.8 наносекунд, составляет лишь около 1000 раз.

Использование новых решений в архитектуре компьютеров.

Главное место среди них занимает принцип параллельной обработки данных, воплощающий идею одновременного (параллельного) выполнения нескольких действий. Параллельная обработка данных, воплощая идею одновременного выполнения нескольких действий, имеет две разновидности: конвейерность и параллельность.

Параллельная обработка. В случае, когда устройство выполняет одну операцию за единицу времени, то тысячу операций оно выполнит за тысячу единиц. Если предположить, что есть пять таких же независимых устройств, способных работать одновременно, то ту же тысячу операций система из пяти устройств может выполнить уже не за тысячу, а за двести единиц времени. Аналогично система из N устройств ту же работу выполнит за 1000/N единиц времени. Подобные аналогии можно найти и в жизни: если одна труба наполняет бассейн за 10 часов, то 10 таких же труб — за 1 час. Принцип параллельности в действии!

Конвейерная обработка. Целое множество мелких операций (таких как сравнение порядков, выравнивание порядков, сложение мантисс, нормализация и т.п.) процессоры первых компьютеров выполняли для каждой пары аргументов последовательно одна за одной до тех пор, пока не приходили к окончательному результату, и лишь после этого переходили к обработке следующей пары слагаемых.

Все самые первые компьютеры (EDSAC, EDVAC, UNIVAC) имели разрядно-последовательную память, из которой слова считывались последовательно бит за битом. Первым коммерчески доступным компьютером, использующим разрядно-параллельную память (на CRT) и разрядно-параллельную арифметику, стал IBM 701, а наибольшую популярность получила модель IBM 704 (продано 150 экз.), в которой, помимо сказанного, была впервые применена память на ферритовых сердечниках и аппаратное арифметико-логическое устройство с плавающей точкой.

Иерархия памяти. Иерархия памяти прямого отношения к параллелизму не имеет, но, тем не менее, относится к тем особенностям архитектуры компьютеров, которые имеют огромное значение для повышения их производительности (сглаживание разницы между временем выборки из памяти и скоростью работы процессора). Основные уровни: регистры, кэш-память, оперативная память, дисковая память. Время выборки по уровням памяти от дисковой памяти к регистрам уменьшается, стоимость в пересчете на 1 слово (байт) растет. В настоящее время, подобная иерархия поддерживается даже на персональных компьютерах.

В настоящее время используются:

Векторно-конвейерные компьютеры. Функциональные конвейерные устройства и набор векторных команд

Массивно-параллельные компьютеры с распределенной памятью.

Параллельные компьютеры с общей памятью. Вся оперативная память таких компьютеров разделяется несколькими одинаковыми процессорами

Суперкомпьютеры и их применение

В наши дни мы не можем себе представить жизнь без гаджетов. Компьютеры, смартфоны, смарт часы, планшеты и так далее. Все они призваны для облегчения нашей жизни, чтоб человек мог сосредоточиться на других, более важных задачах. Но компьютеры используются не только для работы или для повседневных занятий. Многие институты и государства имеют в своём распоряжении, так называемы, суперкомпьютеры. Их целью служат сложные вычисления, обработка огромного массива данных, симуляция явлений или событий.

Суперкомпьютер для поддержания серверов “Twitter”

Предыстория

Как бы мне не хотелось пропустить этот этап, но он важен для полного понимания разницы между компьютерами и суперкомпьютерами.

Самый первый компьютер «Mark I» был создан в Гарварде в 1941 году для военных целей. Первой его задачей стала дешифровка зашифрованных передач. Компьютер стоил Британии 500000 долларов. Весил он 4,5 тонны, был в 2,5 метра в высоту и 17 метров в ширину. Занимал он, естественно, немало места. Но возможности, по сравнению с современными компьютерами, у него были скудные. Он мог оперировать 72 числами по 23 десятичных разряда. На каждую операцию вычитания или сложения компьютер затрачивал по 3 секунды, а на операции умножения и деления 6 и 15,3 секунды соответственно. Программирование и ввод данных производились посредствам перфорированных карт.

«Mark I» в Гарварде

Первый суперкомпьютер

Первым суперкомпьютером является Cray-1, он был создан американским ученым Роджером Крэйем в 1976 году. Что интересно, уже предпринимались попытки создания подобных устройств. Но Cray-1 стал первый официально названным суперкомпьютером в мире. Он имел мощность всего 133 мегафлопса. И занимал примерно 5-10 квадратных метра, а в высоту был 1,5 метра.

Cray-1 в Мюнхенском музее

Что такое суперкомпьютер и чем он отличается от обычного компьютера

Суперкомпьютер или сверхвычислитель – это специализированная вычислительная машина, значительно превосходящая по своим техническим параметрам. Сам суперкомпьютер представляет собой большое число серверных компьютеров подключенных друг к другу с помощью высокоскоростной магистрали. Отличается от простого компьютера огромными габаритами, вычислительной мощью и энергопотреблением.

Области применения

Суперкомпьютеры с развитием технологий становятся все доступнее и компактнее. Это позволяет расширять варианты применения этих устройств. В основном их используют в тех областях, где требуется обработка огромного количества данных.

Военное дело

Использование армией суперкомпьютеров для военных целей – это вполне естественно. Суперкомпьютеры используются для использования охранных систем, так же они служат для хранения и оперативного доступа к петабайтам строго засекреченной информации, ну и поддержание боеготовности стратегического запаса. Но особо можно выделить работу с реактором и производство ядерного оружия.

Суперкомпьютер на базе США противоракетной обороны (самого суперкомпьютера в кадре нет, но служащие напрямую подключены к серверам)

Наука

Суперкомпьютеры активно использовались в лабораториях еще с 80-х. Но сейчас их получилось задействовать в больших областях. Их вычислительные мощности задействованы в таких областях:

• Криптография
• Физика
• Метеорология
• Молекулярная биология
• Химия и медицина
• Газо- и гидродинамика
• Геология
• Астрономия
• Кибернетика (активно ведутся работы над созданием искусственного интеллекта)

Частные компании и частное применение

Уже давно не секрет, что многие организации используют суперкомпьютеры. Зачастую это компании, работающие с высокими технологиями или с разработкой ПО. Хотя некоторые из них используют суперкомпьютер только для поддержания какого-то сайта или соц. Сети. Особенно можно выделить компанию Google, которая заявила, что уже сейчас закончила разработку квантового компьютера.

Гонка технологий

Сейчас между странами ведется гонка по созданию мощнейшего суперкомпьютера. Это важно по той простой причине, что чем больше количество операции в единицу времени, тем быстрее выполняются необходимые задачи. А как гласит старая пословиц «Кто успел, тот и съел»

Китайский суперкомпьютер Tianhe-1A

Американский суперкомпьютер SUMMIT

Японский суперкомпьютер FUGAKU

Заключение

Каждый день технологии совершенствуются, и жизнь людей становится проще. Думаю, человечество будет и дальше стремится к повышению вычислительной мощности суперкомпьютеров, если конечно разработки квантовых компьютеров не окажутся более плодоносными. Есть вероятность, что в будущем грань между суперкомпьютерами и компьютерами исчезнет и в руках одного человека будет вычислительная мощь целой страны. Я думаю, что при таком раскладе жизнь людей изменилась бы к лучшему.

Источники

Все обо всем — Суперкомпьютеры

Trends. rdc. ru – Как устроены суперкомпьютеры и что они умеют.

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Telegram и логотип telegram являются товарными знаками корпорации Telegram FZ-LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Супер эвм

Супер-ЭВМ это достаточно гибкий и очень широкий термин. В общем понимании супер-ЭВМ это компьютер значительно мощнее всех имеющихся доступных на рынке компьютеров. Некоторые инженеры, шутливо, называют суперкомпьютером любой компьютер масса которого превосходит одну тонну. И хотя большинство современных супер-ЭВМ действительно весят более тонны. Не всякую ЭВМ можно назвать «супер», даже если она весит более тонны. Марк-1, Эниак – тоже тяжеловесы, но суперкомпьютерами не считаются даже для своего времени.

Скорость технического прогресса настолько велика, что сегодняшняя супер-ЭВМ через 5 -10 лет будет уступать домашнему компьютеру. Термин супервычисления появился еще 20-х годах прошлого века, а термин супер-ЭВМ в 60-х годах. Но получил широкое распространение во многом благодоря Сеймура Крея и его супер-ЭВМ Cray-1, Cray-2. Хотя сам Сеймур Крей не предпочитает использовать данный термин. Называет свои машины, просто компьютер.

В 1972 году С.Крэй покидает CDC и основывает свою компанию Cray Research, которая в 1976г. выпускает первый векторно-конвейерный компьютер CRAY-1: время такта 12.5нс, 12 конвейерных функциональных устройств, пиковая производительность 160 миллионов операций в секунду, оперативная память до 1Мслова (слово — 64 разряда), цикл памяти 50нс. Главным новшеством является введение векторных команд, работающих с целыми массивами независимых данных и позволяющих эффективно использовать конвейерные функциональные устройства.

Cray-1 принято считать одним из первых супер-ЭВМ. В процессорах компьютера был огромный, по тем временам, набор регистров. Которые разделялись на группы. Каждая группа имело свое собственное функциональное назначение. Блок адресных регистров который отвечал за адресацию в памяти ЭВМ. Блок векторных регистров, блок скалярных регистров.

В самом начале появления супер-ЭВМ было связано с потребностью быстрой обработки больших массивов данных и сложных математически — аналитических вычислениях. Поэтому первые суперкомпьютеры по своей архитектуре мало отличались от обычных ЭВМ. Только их мощность была во много раз больше стандартных рабочих станций. Изначально супер-ЭВМ оснащались векторными процессорами, обычные скалярными. К 80-м перешли на параллельную работу нескольких векторных процессоров. Но данный путь развития оказался не рациональным. Супер-ЭВМ перешли на параллельно работающие скалярные процессоры.

Массивно-параллельные процессоры стали базой для супер-ЭВМ. Тысячи процессорных элементов объединялись создавая мощную платформу для вычислений. Большинство параллельно работающих процессоров создавались на основе архитектуры RISC. RISC (Reduced Instruction Set Computing) – вычисления с сокращенным набором команд. Под этим термином производители процессоров понимают концепцию, где более простые инструкции выполняться быстрее. Данный метод позволяет снизить себестоимость производства процессоров. Одновременно увеличить их производительность.

Потребность в мощных вычислительных решениях быстро возрастала. Супер-ЭВМ слишком дорогие. Требовалась альтернатива. И на смену им пришли кластеры. Но и на сегодняшний день мощные компьютеры называют суперкомпьютерами. Кластер это множество серверов объеденных в сеть и работают над одной задачей. Эта группа серверов обладает высокой производительностью. Во много раз больше чем то же самое количество серверов которые работали бы отдельно. Кластер дает высокую надежность. Выход из строя одного сервера не приведет к аварийной остановке всей системы, а лишь не много отразиться на ее производительности. Возможно произвести замену сервера в кластере без остановки всей системы. Не нужно сразу выкладывать огромные суммы за супер-ЭВМ. Кластер можно наращивать постепенно, что значительно амортизирует затраты предприятия.

Цели Супер-ЭВМ

1.Максимальная арифметическая производительность процессора;

2.эффективность работы операционной системы и удобство общения с ней для программиста;

3.Эффективность трансляции с языков высокого уровня и исключение написания программ на автокоде;

4.Эффективность распараллеливания алгоритмов для параллельных архитектур;

Архитектура современных Супер-ЭВМ

Архитектура ЭВМ охватывает значительный круг проблем, связанных с созданием комплекса аппаратных и программных средств и учитывающих большое количество определяющих факторов. Среди этих факторов основными являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство в эксплуатации, а одним из основных компонентов архитектуры считаются аппаратные средства.Архитектура ЭВМ включает в себя как структуру, отражающую состав ПК, так и программно – математическое обеспечение. Структура ЭВМ — совокупность элементов и связей между ними. Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление.

Все компьютеры делятся на четыре класса в зависимости от числа потоков команд и данных.

К первому классу (последовательные компьютеры фон Неймана) принадлежат обычные скалярные однопроцессорные системы: одиночный поток команд — одиночный поток данных (SISD). Персональный компьютер имеет архитектуру SISD, причем не важно, используются ли в ПК конвейеры для ускорения выполнения операций.

Второй класс характеризуется наличием одиночного потока команд, но множественного nomoka данных (SIMD). К этому архитектурному классу принадлежат однопроцессорные векторные или, точнее говоря, векторно-конвейерные суперкомпьютеры, например, Cray-1 [6]. В этом случае мы имеем дело с одним потоком (векторных) команд, а потоков данных — много: каждый элемент вектора входит в отдельный поток данных. К этому же классу вычислительных систем относятся матричные процессоры, например, знаменитый в свое время ILLIAC-IV. Они также имеют векторные команды и реализуют векторную обработку, но не посредством конвейеров, как в векторных суперкомпьютерах, а с помощью матриц процессоров.

К третьему классу — MIMD — относятся системы, имеющие множественный поток команд и множественный поток данных. К нему принадлежат не только многопроцессорные векторные суперЭВМ, но и вообще все многопроцессорные компьютеры. Подавляющее большинство современных суперЭВМ имеют архитектуру MIMD.

Четвертый класс в систематике Флинна, MISD, не представляет практического интереса,по крайней мере для анализируемых нами компьютеров. В последнее время в литературе часто используется также термин SPMD (одна программа — множественные данные). Он относится не к архитектуре компьютеров, а к модели распараллеливания программ и не является расширением систематики Флинна. SPMD обычно относится к MPP (т.е. MIMD) — системам и означает, что несколько копий одной программы.

Задачи супер-ЭВМ

В самом начале появления супер-ЭВМ было связано с потребностью быстрой обработки больших массивов данных и сложных математически — аналитических вычислениях. ЭВМ — машины для крупно-маштабных задач.

1.Для решения сложных и больших научных задач, в управлении, разведке

2.Новейшее архитектурные разработки с использованием современной элементарной базы и арифметических ускорителей

3.Проектирование и имитационное моделирование

5. Централизованное хранилище информции

6.Оценка сложности решаемых на практике задач

Харакеристики производительности Супер-ЭВМ

За полвека производительность компьютеров выросла более, чем в семьсот миллионов раз. При этом выигрыш в быстродействии, связанный с уменьшением времени такта с 2 микросекунд до 1.8 наносекунд, составляет лишь около 1000 раз.Использование новых решений в архитектуре компьютеров. Основное место среди них занимает принцип параллельной обработки данных, воплощающий идею одновременного (параллельного) выполнения нескольких действий. Параллельная обработка данных, воплощая идею одновременного выполнения нескольких действий, имеет две разновидности: конвейерность и собственно параллельность.Параллельная обработка данных, воплощая идею одновременного выполнения нескольких действий, имеет две разновидности: конвейерность и собственно параллельность.

Параллельная обработка. Если некое устройство выполняет одну операцию за единицу времени, то тысячу операций оно выполнит за тысячу единиц. Если предположить, что есть пять таких же независимых устройств, способных работать одновременно, то ту же тысячу операций система из пяти устройств может выполнить уже не за тысячу, а за двести единиц времени. Аналогично система из N устройств ту же работу выполнит за 1000/N единиц времени. Подобные аналогии можно найти и в жизни: если один солдат вскопает огород за 10 часов, то рота солдат из пятидесяти человек с такими же способностями, работая одновременно, справятся с той же работой за 12 минут — принцип параллельности в действии!

Конвейерная обработкаЦелое множество мелких операций таких, как сравнение порядков, выравнивание порядков, сложение мантисс, нормализация и т.п. Процессоры первых компьютеров выполняли все эти «микрооперации» для каждой пары аргументов последовательно одна за одной до тех пор, пока не доходили до окончательного результата, и лишь после этого переходили к обработке следующей пары слагаемых.

Все самые первые компьютеры (EDSAC, EDVAC, UNIVAC) имели разрядно-последовательную память, из которой слова считывались последовательно бит за битом. Первым коммерчески доступным компьютером, использующим разрядно-параллельную память (на CRT) и разрядно-параллельную арифметику, стал IBM 701, а наибольшую популярность получила модель IBM 704 (продано 150 экз.), в которой, помимо сказанного, была впервые применена память на ферритовых сердечниках и аппаратное АУ с плавающей точкой. Иерархия памяти.Иерархия памяти пямого отношения к параллелизму не имеет, однако, безусловно, относится к тем особенностям архитектуры компьютеров, которые имеет огромное значение для повышения их производительности (сглаживание разницы между скоростью работы процессора и временем выборки из памяти). Основные уровни: регистры, кэш-память, оперативная память, дисковая память. Время выборки по уровням памяти от дисковой памяти к регистрам уменьшается, стоимость в пересчете на 1 слово (байт) растет. В настоящее время, подобная иерархия поддерживается даже на персональных компьютерах.

В настоящее время исрльзуются:

1. Векторно-конвейерные компьютеры. Конвейерные функциональные устройства и набор векторных команд

2. Массивно-параллельные компьютеры с распределенной памятью.

3. Параллельные компьютеры с общей памятью. Вся оперативная память таких компьютеров разделяется несколькими одинаковыми процессорами

Суперкомпьютеры и их применение

Суперкомпьютеры — это специальные вычислительные машины, которые в значительной мере превосходят по своим характеристикам, в частности по производительности, все существующие компьютеры.

Сущность понятия «суперкомпьютер»

С тех пор, как были изобретены первые компьютеры, главной проблемой, которая стоит перед их проектировщиками, является повышение производительности компьютерного оборудования. Всё время, пока шло развитие компьютерной промышленности, непрерывно росло быстродействие процессорных модулей, но параллельно наращивались объёмы программного обеспечения, возрастало количество пользователей, и ширилась область использования компьютерного оборудования, что в конечном итоге и вызвало создание суперкомпьютеров.

Хотя фактически под суперкомпьютером понимается стандартная вычислительная система, которая позволяет выполнять очень сложные вычисления за наиболее маленькие временные интервалы. Все компьютерные системы имеют в своём составе три главных элемента:

1. Модуль центрального процессора (вычислитель).
2. Модуль памяти.
3. Вторичные периферийные модули информационного хранения.

Главную роль здесь играют не только технические характеристики всех этих компонентов, но и пропускные возможности соединяющих их каналов, а также каналов связи с пользователями. Основное компьютерное правило заключается в том, что общее быстродействие компьютера не может превышать быстродействие самого медленного его компонента.

Суперкомпьютером является электронная вычислительная машина, которая значительно превосходит по своим характеристикам почти все существующие аналоги. Обычно, сегодняшние суперкомпьютеры состоят из большого количества серверного оборудования, соединённого между собой локальной сетью с высокими скоростными показателями. Это позволяет достичь максимума производительности согласно методике параллельных вычислений при решении поставленной задачи.

Готовые работы на аналогичную тему

Потребность в суперкомпьютерах возникла потому, что учёные не могут осуществить некоторые испытания по причине их масштабности, или дороговизны, или возникновения угрозы здоровью людей. А суперкомпьютеры позволяют проводить эксперименты с построенными моделями сложных объектов без вреда окружающей среде и людям. Они превратились в незаменимых помощников в научных изысканиях и производственных процессах.

Главными особенностями, которые характеризуют суперкомпьютеры помимо повышенной скорости работы, являются:

• Наиболее совершенный уровень используемых технологий.
• Оригинальные решения в области архитектурной организации, которые направлены на увеличение скорости работы (к примеру, возможность выполнения векторных операций).
• Стоимость, превышающая один миллион долларов.

Первые суперкомпьютеры

Вычислительное устройство Cray-1 считается родоначальником суперкомпьютеров. Оно было создано в 1974-ом году. Этот компьютер имел процессорные модули, в состав которых входило очень большое количество регистров, подразделявшихся на отдельные группы. Каждая группа предназначалась для осуществления определённых функциональных обязанностей. Группа регистров адреса была ответственна за организацию работы с памятью суперкомпьютера. Были также блоки векторных и скалярных регистров. Производительность этого суперкомпьютера равнялась 180-ти миллионам операций в секунду над числовыми данными с плавающей точкой.

Области применения суперкомпьютеров

Стандартной областью использования суперкомпьютеров, как правило, считалась сфера научных исследований, а именно плазменная физика и статистическая механика, физика молекулярных и атомных процессов и многие другие. Как правило, некоторые сферы использования располагаются на стыке различных наук, к примеру, физики и химии, и перекликаются с разными техническими применениями. Метеорологические задачи, атмосферные явления, и прежде всего проблема долгосрочного прогнозирования погоды, для которой всегда недостаточно компьютерных мощностей, имеют тесную связь с решением многих физических и химических проблем. Техническими проблемами, для разрешения которых применяются суперкомпьютеры, являются проблемы в аэрокосмическом и автомобильном производстве, задачи ядерной энергетики, прогнозы наличия залежей полезных ископаемых, многие другие и, естественно, проектирование современных микропроцессорных модулей и компьютерного оборудования, прежде всего для самих суперкомпьютеров.

Военная промышленность является также традиционной сферой использования суперкомпьютеров. Помимо общеизвестных уже задач по проектированию оружия массового поражения разработке новейших образцов авиатехники и ракетных комплексов, следует отметить, к примеру, проектирование подводных лодок, которые практически не издают никакого шума и других объектов. Наиболее заметным примером использования суперкомпьютеров в военной сфере является программа СОИ (стратегическая оборонная инициатива), объявленная правительством Соединённых Штатов в 1983-ем году. Кроме того, суперкомпьютеры Министерства энергетики Соединённых Штатов использовались для создания моделей ядерного оружия, что дало возможность не проводить реальные испытания ядерного оружия.

Ещё одной областью применения суперкомпьютеров является визуальное представление данных, которые были получены по итогам осуществления каких-либо сложных вычислений. Иногда, к примеру, при поиске решения дифференциального уравнения по методике сеток, получаются просто огромные объёмы итоговых результатов, которые в численном формате люди просто не могут обрабатывать. Тогда следует использовать графический формат отображения информационных данных.

Ещё одной сферой применения суперкомпьютеров, является проблема передачи данных по компьютерным сетям. Объём передаваемой по сетям информации непрерывно возрастает, и на решение этой комплексной проблемы сегодня направлены усилия многих специалистов и их суперкомпьютеров.

Что такое суперкомпьютер и зачем он нужен?

На одном из самых мощных в стране суперкомпьютеров «Ломоносов-2» одновременно просчитывается множество решений – от сложнейших лекарств до климатических моделей. Использование суперкомпьютера, утверждает директор Вычислительного центра МГУ Владимир Воеводин, дает колоссальное конкурентное преимущество. Аналитики агентства Hyperion выяснили: каждый доллар, вложенный в суперкомпьютерные системы, приносит 47 долларов прибыли.

Что такое суперкомпьютер?

В Ломоносовском корпусе на территории МГУ находится один из самых мощных суперкомпьютеров страны – «Ломоносов-2». Что такое суперкомпьютер? Все дело в приставке «супер» – она означает превосходство над тем обычным, с чем мы сталкиваемся.

Да, если их объединить в одну систему, то по некоторым параметрам она будет похожа на «Ломоносов». Но главное отличие суперкомпьютера в том, что все его процессоры очень быстро взаимодействуют. Даже если мы уговорим смартфоны общаться между собой через вайфай, это будет медленно. Или, например интернет – тоже большая компьютерная система. И я могу заставить миллионы компьютеров в интернете решать какую-то задачу. Но скорость взаимодействия компьютеров в сети на порядок ниже, чем скорость взаимодействия процессоров в суперкомпьютере.

Наш «Ломоносов-2» выполняет квадриллион (число с 15 нулями) операций в секунду. В России по мощности его опережает только сбербанковский Christofari.

В.В. Владимир Воеводин. Фото: rcc.msu.ru

Что он может?

Без суперкомпьютеров сегодня не обходится ни одна крупная высокотехнологичная компания. Не говоря уже о научных исследованиях. Нефтегазовая отрасль, машиностроение, банки, проектирование новых материалов, климат и экология, авиастроение и космос, микроэлектроника, медицинская техника – везде они нужны. Зачем? Это инструмент обеспечения конкурентоспособности. С помощью суперкомпьютера можно посчитать и спрогнозировать что угодно. Цифровая модель позволяет решать сложные задачи очень быстро. Все авиа и автомобильные двигатели обсчитываются на суперкомпьютерах, да и не только они.

На «Ломоносов-2» одновременно ведется сотни проектов. В том числе и исследования, связанные с медициной, с проектированием вакцин. Одно из направлений – компьютерный дизайн лекарств. Речь идет о том, чтобы подобрать работающие соединения веществ. Опытным путем перебрать все возможные соединения (а их может быть сотни тысяч) и каждое проверить – задача неподъемная, но «Ломоносову» это под силу. Еще одно из направлений – проектирование ультразвуковых томографов, которые позволяют, в частности, обнаружить рак молочной железы на очень ранних стадиях.

Посчитать сегодня можно все. Суперкомпьютеры очень активно используются в больших городах. Например, в определении особенностей микроклимата в условиях городской застройки. При застройке новой территории мы с помощью суперкомпьютера можем спрогнозировать, как будет распространяться загрязнение от соседней магистрали, не будут ли при определенном направлении ветра создаваться вихри около зданий, можем посчитать распределение примесей и температуры.

Суперкомпьютер «Ломоносов-2». Фото: t-platforms.ru

Мы в топе, но где?

Если взглянуть на мировой рейтинг суперкомпьютеров Топ-500, увидим: то преимущество, которое было у нас в начале этого века, к сожалению, утеряно. Еще десять лет назад в Топ-500 входили 12 российских суперкомпьютеров. В 2009 году, благодаря «Ломоносову», Россия заняла самое высокое для себя – 12-е место. С тех пор мы только опускались, да и количество наших суперкомпьютеров в Топ-500 уменьшалось. Сейчас в этом мировом рейтинге только два российских суперкомпьютера. Это Christofari из Сбербанка и «Ломоносов-2». И наш компьютер на 199 месте. Россию обогнала Марокко, которая недавно поставила суперкомпьютер мощнее, чем «Ломоносов-2». В страновом рейтинге Россия примерно на 20-м месте, что совершенно не соответствует тому колоссальному потенциалу, которым мы обладаем.

Цифровое неравенство, цифровое превосходство – об этом сегодня говорят все чаще. Необходимо срочно принять концепцию национальной суперкомпьютерной инфраструктуры, которая предполагает развитие сети вычислительных центров! Мы с нею стучимся во все двери. Должно быть небольшое количество очень мощных компьютеров федерального уровня, они станут центрами коллективного пользования. Необходимо какое-то количество компьютеров поменьше, для обслуживания отдельных организаций, много высокопроизводительной техники уровня лабораторий. Это нужно науке, промышленности. Без этой инфраструктуры мы отстанем. Все знают: у нас принята стратегия развития искусственного интеллекта. Но искусственный интеллект надо где-то обучать. На чем? Без развития вычислительной базы это невозможно.

Через два года считать будет не на чем. И это при том богатейшем потенциале, которым обладает Россия. Вот посмотрите свежий аналитический обзор аналитического агентства Hyperion Research – они посчитали эффективность использования суперкомпьютерных технологий. Проанализировав 763 примеров применения суперкомпьютеров в промышленном секторе, они выяснили: каждый доллар, вложенный в суперкомпьютерные ресурсы, приносит 47 долларов прибыли. Похожий аргумент — больше пятидесяти процентов суперкомпьютеров из Топ-500 используются в промышленности. А там умеют считать деньги. На этих технологиях нужно и можно зарабатывать. И если не встать на этот путь, то мигом проиграешь.

Меньше некуда?

Мы подходим к точке, когда уменьшать процессоры будет уже невозможно. Все понимают, что этот предел не за горами. Активно ищутся новые формы компьютерных систем, одна из них – квантовый компьютер. Направление исключительно интересное, и исследования ведутся очень активно. В МГУ есть квантовый центр с очень сильными специалистами. И сейчас уже говорят не только про цифровое превосходство, но и про квантовое превосходство. Квантовые компьютеры – это системы фантастической производительности, они смогут делать то, что не под силу суперкомпьютерам. И, конечно, они будут специализированные и решать определенные типы задач.

Но когда появятся реальные квантовые компьютеры, можно только предполагать. А жить и считать надо сейчас. Нам еще многие годы жить в этих технологиях. Не зря сегодня ведущие экономики принимают госпрограммы развития экзафлопсных машин. «Экза» – это в тысячу раз мощнее «Ломоносова». Японский Fugaku, самый мощный суперкомпьютер в мире, – это уже полэкзофлопса.

Можно ли любовь просчитать?

Отвечая на этот вопрос, можно улыбнуться. Но… Вот в некоторых случаях говорят – озарение, интуиция. Это ведь то, что есть у человека, нужно только вовремя достать эту информацию и сопоставить эти факты. Почему сейчас такой бум искусственного интеллекта? Потому что вычислительные возможности вкупе с вычислительными технологиями позволяют эти корреляции находить и делать неожиданные выводы. Но это только так кажется, что они неожиданные. На самом деле – обычная математика, которая, сопоставляя, находит корреляции, аномалии, тренды. Некоторые вещи, которые традиционно компьютеру не приписывали (интуиция, прогнозирование), оказались возможными.

Подписывайтесь на канал «Царьград» в Яндекс.Дзен
и первыми узнавайте о главных новостях и важнейших событиях дня.

Суперкомпьютеры и их применение

С момента появления первых компьютеров одной из основных проблем, стоящих перед разработчиками, была производительность вычислительной системы. За время развития компьютерной индустрии производительность процессора стремительно возрастала, однако появление все более изощренного программного обеспечения, рост числа пользователей и расширение сферы приложения вычислительных систем предъявляют новые требования к мощности используемой техники, что и привело к появлению суперкомпьютеров.

Содержание

Введение………………………………………………..стр.3
Что такое суперкомпьютеры………………………….стр.4
Первые суперкомпьютеры……………………………стр.5
Строение суперкомпьютеров…………………………стр.6
Применение суперкомпьютеров……………………..стр.7
Наиболее распространенные суперкомпьютеры……стр.9
Заключение…………………………………………. стр.11
Литература……………………………

Работа содержит 1 файл

Камчатский государственный технический университет.docx

Камчатский государственный технический университет

Факультет Информационных технологий

Кафедра Информационных систем

Реферат по информатике на тему

«Суперкомпьютеры и их применение»

Студентка гр.10-ФК Доцент кафедры ИС

Минаева В.А. Портнягина В.В.

Что такое суперкомпьютеры………………………….стр. 4

Первые суперкомпьютеры…………………… ………стр.5

Строение суперкомпьютеров…………… ……………стр.6

Применение суперкомпьютеров……………………..стр. 7

Наиболее распространенные суперкомпьютеры……стр.9

С момента появления первых компьютеров одной из основных проблем, стоящих перед разработчиками, была производительность вычислительной системы. За время развития компьютерной индустрии производительность процессора стремительно возрастала, однако появление все более изощренного программного обеспечения, рост числа пользователей и расширение сферы приложения вычислительных систем предъявляют новые требования к мощности используемой техники, что и привело к появлению суперкомпьютеров.

Что такое суперкомпьютеры

В принципе, суперкомпьютер это обычная вычислительная система, позволяющая производить сложные расчеты за более короткие промежутки времени. О чем собственно и говорит приставка «Супер» (Super в переводе с английского означает: сверх, над). Любая компьютерная система состоит из трех основных компонентов — центрального процессора, то есть счетного устройства, блока памяти и вторичной системы хранения информации (к примеру, в виде дисков или лент). Ключевое значение имеют не только технические параметры каждого из этих элементов, но и пропускная способность каналов, связывающих их друг с другом и с терминалами потребителей. Одна из заповедей «Крей рисерч» гласит: «Быстродействие всей системы не превышает скорости самой медленнодействующей ее части». Важным показателем производительности компьютера является степень его быстродействия. Она измеряется так называемыми флопсами — от английского сокращения, обозначающего количество операций с числами, представленными в форме с плавающей запятой, в секунду. То есть за основу берется подсчет — сколько наиболее сложных расчетов машина может выполнить за один миг.

А зачем вообще нужны суперкомпьютеры? Раздвижение границ человеческого знания всегда опиралось на два краеугольных камня, которые не могут, существовать друг без друга, — теорию и опыт. Однако теперь ученые сталкиваются с тем, что многие испытания стали практически невозможными — в некоторых случаях из-за своих масштабов, в других — дороговизны или опасности для здоровья и жизни людей. Тут-то и приходят на помощь мощные компьютеры. Позволяя экспериментировать с электронными моделями реальной действительности, они становятся «третьей опорой» современной науки и производства.

Прошло время, когда создатели суперкомпьютеров стремились обеспечить максимальную производительность любой ценой. Специальные процессоры, дорогостоящая сверхбыстрая память, нестандартное периферийное оборудование — все это обходилось заказчикам в круглую сумму. Приобретали суперкомпьютеры либо предприятия ВПК, либо крупные университеты. И те, и другие делали это, как правило, за государственный счет. Окончание «холодной войны» и последовавшее за ним сокращение ассигнований на военные и околовоенные нужды нанесли серьезный удар по производителям суперкомпьютеров. Большинство из них были поглощены изготовителями менее производительной, но более доступной и ходовой вычислительной техники. Впрочем, у этих слияний были и технологические предпосылки — быстродействие серийно выпускаемых микропроцессоров постоянно росло, и производители суперкомпьютеров быстро переориентировались на них, что позволило существенно сократить общую стоимость разработки. Основной упор стал делаться на увеличение числа процессоров и повышение степени параллелизма программ.

Первые суперкомпьютеры

Началом эры суперкомпьютеров можно, пожалуй, назвать 1976 год, когда появилась первая векторная система Cray 1. Работая с ограниченным в то время набором приложений, Cray 1 показала настолько впечатляющие по сравнению с обычными системами результаты, что заслуженно получила название “суперкомпьютер” и определяла развитие всей индустрии высокопроизводительных вычислений еще долгие годы. Но более чем за два десятилетия совместной эволюции архитектур и программного обеспечения на рынке появлялись системы с кардинально различающимися характеристиками, поэтому само понятие “суперкомпьютер” стало многозначным и пересматривать его пришлось неоднократно.

Попытки дать определение суперкомпьютеру опираясь только на производительность привели к необходимости постоянно поднимать планку, отделяющую его от рабочей станции или даже обычного настольного компьютера. Только за последние 15 лет нормы менялись несколько раз. По определению Оксфордского словаря вычислительной техники 1986 года, для того, чтобы получить это гордое название, нужно было иметь производительность в 10 мегафлоп (миллионов операций с плавающей запятой в секунду). В начале 90-х была преодолена отметка 200 мегафлоп, затем 1 гигафлоп.

Строение суперкомпьютеров

Рассмотрим структуру суперкомпьютеров на примере компьютера МВС 1000М

В состав технических средств СК «МВС 1000М» входят:

• решающее поле из 768 процессоров Alpha 21264, разбитое на 6 базовых блоков, состоящих из 64 двухпроцессорных модулей;
• управляющая ЭВМ;
• файл-сервер NetApp F840;
• сеть Myrinet 2000;
• сети Fast/Gigabit Ethernet;
• сетевой монитор;
• система бесперебойного электропитания.

Применение суперкомпьютеров

Для каких применений нужна столь дорогостоящая техника? Может показаться, что с ростом производительности настольных ПК и рабочих станций, а также серверов, сама потребность в суперЭВМ будет снижаться. Это не так. С одной стороны, целый ряд приложений может теперь успешно выполняться на рабочих станциях, но с другой стороны, время показало, что устойчивой тенденцией является появление все новых приложений, для которых необходимо использовать суперЭВМ.

Традиционной сферой применения суперкомпьютеров всегда были научные исследования: физика плазмы и статистическая механика, физика конденсированных сред, молекулярная и атомная физика, теория элементарных частиц, газовая динамика и теория турбулентности, астрофизика. В химии — различные области вычислительной химии: квантовая химия (включая расчеты электронной структуры для целей конструирования новых материалов, например, катализаторов и сверхпроводников), молекулярная динамика, химическая кинетика, теория поверхностных явлений и химия твердого тела,конструирование лекарств. Естественно, что ряд областей применения находится на стыках соответствующих наук, например, химии и биологии, и перекрывается с техническими приложениями. Так, задачи метеорологии, изучение атмосферных явлений и, в первую очередь, задача долгосрочного прогноза погоды, для решения которой постоянно не хватает мощностей современных суперЭВМ, тесно связаны с решением ряда перечисленных выше проблем физики. Среди технических проблем, для решения которых используются суперкомпьютеры, укажем на задачи аэрокосмической и автомобильной промышленности, ядерной энергетики, предсказания и разработки месторождений полезных ископаемых, нефтедобывающей и газовой промышленности (в том числе проблемы эффективной эксплуатации месторождений, особенно трехмерные задачи их исследования), и, наконец, конструирование новых микропроцессоров и компьютеров, в первую очередь самих суперЭВМ.

Суперкомпьютеры традиционно применяются для военных целей. Кроме очевидных задач разработки оружия массового уничтожения и конструирования самолетов и ракет, можно упомянуть, например, конструирование бесшумных подводных лодок и др. Самый знаменитый пример — это американская программа СОИ. Уже упоминавшийся MPP-компьютер Министерства энергетики США будет применяться для моделирования ядерного оружия, что позволит вообще отменить ядерные испытания в этой стране.

Сверхсложные вычислительные задачи, решаемые на суперкомпьютерах.

Grand challenges — это фундаментальные научные или инженерные задачи с широкой областью применения, эффективное решение которых возможно только с использованием мощных (суперкомпьютерных) вычислительных ресурсов.

Суперкомпьютеры – что это, какие задачи они выполняют и какое будущее их ждет

Суперкомпьютеры по праву можно назвать современными двигателями прогресса, ведь они способны мгновенно обрабатывать колоссальный объем данных и проводить сложнейшие вычисления. Например, один из новейших суперкомпьютеров Aurora может за одну секунду выполнить такую операцию, с которой человеческий мозг справился бы лишь за 31.7 трлн. лет. Результаты работы этого оборудования используются во множестве отраслей, включая авиастроение, медицину, фармакологию и т.д.

В нашей новой статье мы расскажем о том, что представляют собой суперкомпьютеры, когда они появились и как развивались, какие у них есть задачи и сферы применения. Также вы узнаете о мощнейших суперкомпьютерах мира и о перспективах их дальнейшего развития.

Что такое суперкомпьютер и чем он отличается от обычного ПК?

Суперкомпьютер в современной интерпретации – это комплекс высокопроизводительных компьютеров, работающих параллельно через высокоскоростную сеть. Они включают в себя сотни и тысячи процессоров, модулей памяти, разнообразных плат, систем охлаждения и модулей бесперебойного питания.

Такое оборудование может находиться в одном помещении, занимая значительное пространство, или быть рассредоточенным на определенном расстоянии друг от друга. Основная идея, заложенная в суперкомпьютеры, заключается в суммировании мощности обширной сети оборудования для параллельной обработки большого объема данных. В некоторых случаях этот комплекс создается для выполнения лишь одной программы, которая нагружает все его мощности. В других же ситуациях суперкомпьютер работает в условиях многозадачности.

Суперкомпьютеры оснащены не только специальным сверхмощным «хардом», но и соответствующим «софтом». Например, на комплексе Fugaku (считающимся сейчас самым мощным суперкомпьютером в мире) установлена операционная система Red Hat Enterprise Linux 8, которая обладает гибридным ядром в виде комбинации ядер Linux и McKernel. Очень часто на такие системы загружают API (интерфейсы программирования приложений) на базе MPI и PVM. Нередко энтузиасты создают суперкомпьютеры из обычных мощных ПК, используя для этого особые разновидности открытого ПО (OpenMosix, Beowulf).

Производительность суперкомпьютеров оценивают в специальных значениях, называемых флопсами (FLOPS — FLoating-point Operations Per Second). Оно означает количество вычислений чисел с плавающими точками, выполняемых каждую секунду. Так как мощность подобной техники постоянно увеличивается, то для расчета ее производительности сначала использовали мегафлопсы (миллион операций в секунду), а с 2008 года перешли на петафлопсы (миллиард операций в секунду). Из-за своих исключительных способностей к сверхбыстрым вычислениям суперкомпьютеры также называют «числодробилками» (number cruncher).

История появления и развития суперкомпьютеров

• Термин «суперкомпьютер» впервые начал употребляться в 60-х годах ХХ века одновременно в двух местах: в компании CDC (производитель компьютеров) и Ливерморской национальной лаборатории США, которая занималась разработкой ядерного оружия.
• Первый суперкомпьютер был создан в 1974 году американским инженером Сеймуром Креем и назван в его честь Cray-1. Устройство могло ежесекундно проводить до 180 миллионов операций, соответственно, его максимальная производительность равнялась 180 мегафлопсам.
• В основе Cray-1 находились уже существующие на тот момент компьютеры CDC 8600 и CDC STAR-100, а его процессор включал в себя более 144 000 микросхем с фреоновой системой охлаждения.
• В 1980-х годах Сеймур Крей разработал еще 2 модели суперкомпьютеров, один из которых (Cray X-MP) был многопроцессорным.
• Начиная с 90-х годов, свои «числодробилки» стали выпускать многие крупные IT-корпорации, в том числе Hewlett-Packard, NEC, IBM и т.д.
• В 2020 году в Японии был введен в эксплуатацию суперкомпьютер Fugaku, производительность которого составляет 442 петафлопса. По состоянию на июнь 2021 года он считается самым мощным суперкомпьютером в мире – в соответствии со специализированным рейтингом топ 500 суперкомпьютеров.

Что такое рейтинг суперкомпьютеров? Какие устройства туда входят?

Начиная с 1993 года, существует рейтинг самых производительных вычислительных систем, который обновляется два раза в год (в июне и ноябре). В нем публикуют список из 500 мощнейших суперкомпьютеров мира, а для определения их показателей используют программную библиотеку LINPACK (HPL).