Суперкомпьютеры: история создания, применение и перспективы

Содержание

Типы архитектур

Основной параметр классификации параллельных компьютеров — наличие общей или распределенной памяти. Нечто среднее представляют собой архитектуры, где память физически распределена, но логически общедоступна. С аппаратной точки зрения для реализации параллельных систем напрашиваются две основные схемы. Первая — несколько отдельных систем, с локальной памятью и процессорами, взаимодействующих в какой-либо среде посредством посылки сообщений. Вторая — системы, взаимодействующие через разделяемую память. Не вдаваясь пока в технические детали, скажем несколько слов о типах архитектур современных суперкомпьютеров.

Идея массивно-параллельных систем с распределенной памятью (Massively Parallel Processing, MPP) довольно проста . Для этой цели берутся обычные микропроцессоры, каждый из которых снабжают своей локальной памятью и соединяют посредством некоей коммутационной среды. Достоинств у такой архитектуры много. Если нужна высокая производительность, то можно добавить еще процессоров, а если ограничены финансы или заранее известна требуемая вычислительная мощность, то легко подобрать оптимальную конфигурацию. Однако у MPP есть и недостатки. Дело в том, что взаимодействие между процессорами идет намного медленнее, чем обработка данных самими процессорами.

У параллельных компьютеров с общей памятью вся оперативная память разделяется между несколькими одинаковыми процессорами. Это снимает проблемы предыдущего класса, но добавляет новые. Дело в том, что число процессоров, имеющих доступ к общей памяти, по чисто техническим причинам нельзя сделать большим.

Основные особенности векторно-конвейерных компьютеров — это, конечно, конвейерные функциональные устройства и набор векторных команд. В отличие от традиционного подхода векторные команды оперируют целыми массивами независимых данных, что позволяет эффективно загружать доступные конвейеры.

Последнее направление, строго говоря, не является самостоятельным, а скорее представляет собой комбинации предыдущих трех. Из нескольких процессоров (традиционных или векторно-конвейерных) и общей для них памяти формируется вычислительный узел. Если полученной вычислительной мощности недостаточно, то объединяют несколько узлов высокоскоростными каналами. Как известно, подобную архитектуру называют кластерной.

Отзывы

Программное обеспечение суперкомпьютеров

Наиболее распространёнными программными средствами суперкомпьютеров, так же, как и параллельных или распределённых компьютерных систем, являются интерфейсы программирования приложений (API) на основе MPI и PVM, и решения на базе открытого программного обеспечения, наподобие Beowulf и openMosix, позволяющего создавать виртуальные суперкомпьютеры даже на базе обыкновенных рабочих станций и персональных компьютеров. Для быстрого подключения новых вычислительных узлов в состав узкоспециализированных кластеров применяются технологии наподобие ZeroConf. Примером может служить реализация рендеринга в программном обеспечении Shake, распространяемом компанией Apple. Для объединения ресурсов компьютеров, выполняющих программу Shake, достаточно разместить их в общем сегменте локальной вычислительной сети.

В настоящее время границы между суперкомпьютерным и общеупотребимым программным обеспечением сильно размыты и продолжают размываться ещё более вместе с проникновением технологий параллелизации и многоядерности в процессорные устройства персональных компьютеров и рабочих станций. Исключительно суперкомпьютерным программным обеспечением сегодня можно назвать лишь специализированные программные средства для управления и мониторинга конкретных типов компьютеров, а также уникальные программные среды, создаваемые в вычислительных центрах под «собственные», уникальные конфигурации суперкомпьютерных систем.

Гладкоствольный карабин с болтовым затвором МЦ 20-01, так называемая Фроловка

Береговые ракетные комплексы «Редут»

Численность

Боевое применение и ТТХ советского истребителя СУ-25

История

23 мая 2019 года RIKEN объявил, что суперкомпьютер будет называться Fugaku. В августе 2019 года был представлен логотип Fugaku; на нем изображена гора Фудзи , символизирующая «высокие характеристики Фугаку» и «широкий круг пользователей». В ноябре 2019 года прототип Fugaku занял первое место в списке Green500 . Отгрузка стоек для оборудования на завод RIKEN началась 2 декабря 2019 года и завершилась 13 мая 2020 года. В июне 2020 года Fugaku стал самым быстрым суперкомпьютером в мире в списке TOP500 , вытеснив IBM Summit .

Фугаку использовался для исследования масок, связанных с пандемией COVID-19 .

Конструкция боевой единицы

Галерея

Применение

Суперкомпьютеры используются во всех сферах:

• где для решения задачи применяется численное моделирование, сопряженное с очень большим объемом сложных вычислений;
• там, где требуется огромный объём сложных вычислений, обработка большого количества данных в реальном времени, или решение задачи может быть найдено простым перебором множества значений множества исходных параметров (см. Метод Монте-Карло).

Совершенствование методов численного моделирования происходило одновременно с совершенствованием вычислительных машин, — чем сложнее были задачи, тем выше были требования к создаваемым машинам. Чем быстрее были машины, тем сложнее были задачи, которые на них можно было решать. Поначалу суперкомпьютеры применялись почти исключительно для оборонных задач: расчёты по ядерному и термоядерному оружию, ядерным реакторам, проектированию подводных кораблей. Потом, по мере совершенствования математического аппарата численного моделирования, развития знаний в других сферах науки — суперкомпьютеры стали применяться и в «мирных» расчётах, создавая новые научные дисциплины, как то:

• численный прогноз погоды,
• вычислительная биология и медицина,
• вычислительная химия,
• вычислительная гидродинамика,
• вычислительная лингвистика и проч., — где достижения информатики сливались с достижениями прикладной науки.

Ниже приведён далеко не полный список областей применения суперкомпьютеров:

• Математические проблемы:
  • Криптография
  • Статистика

• Физика высоких энергий:
  • Ядерная физика, физика плазмы, анализ данных экспериментов, проведённых на ускорителях микрочастиц
  • разработка и совершенствование атомного и термоядерного оружия, управление ядерным арсеналом, моделирование ядерных взрывов
  • моделирование жизненного цикла ядерных топливных элементов, проекты ядерных и термоядерных реакторов

• Наука о Земле:
  • прогноз погоды, состояния морей и океанов
  • предсказание эволюции климата и её последствий
  • исследование процессов, происходящих в земной коре, для предсказания землетрясений и извержений вулканов
  • анализ данных геологической разведки для поиска и оценки нефтяных и газовых месторождений, моделирование процесса выработки месторождений
  • моделирование растекания рек во время паводка, растекания нефти во время аварий

Вычислительная биология: фолдинг белка, расшифровка ДНК

Вычислительная химия и медицина: изучение строения вещества и природы химической связи как в изолированных молекулах, так и в конденсированном состоянии, поиск и создание новых катализаторов и лекарств

• Физика:
  • газодинамика: турбины электростанций, горение топлива, аэродинамические процессы для создания совершенных форм крыла, фюзеляжей самолетов, ракет, кузовов автомобилей
  • гидродинамика: течение жидкостей по трубам, по руслам рек
  • материаловедение: создание новых материалов с заданными свойствами, анализ распределения динамических нагрузок в конструкциях, моделирование крэш-тестов при конструировании автомобилей
• в качестве сервера для искусственных нейронных сетей
• создание принципиально новых способов вычисления и обработки информации (Квантовый компьютер, Искусственный интеллект)

Взгляд в будущее

Современные технологии не стоят на месте, научное сообщество постоянно ищет пути решения вычислительных проблем. Чтобы оценить скорость развития вычислительной техники достаточно лишь проследить новинки среди планшетов, телефонов и ноутбуков. Вчерашний лидер рейтинга — завтра уже устаревшая на рынке модель.  На сегодняшний день идет активное изучение и разработка параллельных систем, которые смогли бы заменить громоздкие суперкомпьютеры.

Не смотря на скорость и производительность супермашин, они имеют ряд проблем, над решением которых и трудится научное сообщество.

Сложности вычислительной супертехники:

громоздкий объем;

Для того чтобы производительность суперкомпьютера в десятки раз превышала обычный компьютер, их объединяют в одну систему. Таким образом, суперкомпьютер занимает огромные помещения и весит больше 1 тонны, что значительно усложняет его повсеместное использование в науке.

экологические проблемы;

У любой мощности есть своя цена. Ни для кого не секрет, что огромные вычислительные машины потребляют большое количество энергии и негативно влияют на окружающую среду. Так что еще одной ключевой проблемой для усовершенствования суперкомпьютера является возможность повышения эффективности охлаждения корпуса.

мощность.

Современное научное общество уже пришло к уменьшение компьютерного чипа до крохотной кнопки. Теперь дело стоит за специальной сборкой, которая поможет суперкомпьютеру быть меньше, быстрее, производительнее.

Что же ожидает нас в будущем с развитием суперкомпьютеров?

Ученые предполагают, что к 2025 году суперкомпьютер будет способен заменить человеческий интеллект. Создание искусственного интеллекта во многом автоматизирует большинство рутинных процессов. Искусственный разум будет способен заменить множество профессий, объединив их в одно целое.

К 2030 году суперкомпьютеры достигнут такой мощности, чтобы определять всю погоду на земле за 2 недели и предотвращать природные катаклизмы.

Виртуальная реальность — еще одна разработка научного сообщества. Мы уже знакомы с имитацией мира по компьютерным симуляторам. В ближайшем будущем виртуальная реальность — не выдумка, а реальная возможность супермашин.

Titan – Cray XK7

• Местоположение: США
• Производительность: 17,59 петафлопс
• Теоретический максимум производительности: 27,11 петафлопс
• Мощность: 8,2 МВт

Наиболее производительный из когда-либо созданных на Западе суперкомпьютеров, а также самый мощный компьютерный кластер под маркой компании Cray, находится в США в Национальной лаборатории Оук-Ридж. Несмотря на то, что находящийся в распоряжении американского Министерства энергетики суперкомпьютер официально доступен для любых научных исследований, в октябре 2012 года, когда Titan был запущен, количество заявок превысило всякие пределы.

Из-за этого в Оукриджской лаборатории была созвана специальная комиссия, которая из 50 заявок отобрала лишь 6 наиболее «передовых» проектов. Среди них, к примеру, моделирование поведения нейтронов в самом сердце ядерного реактора, а также прогнозирование глобальных климатических изменений на ближайшие 1-5 лет.

Несмотря на свою вычислительную мощь и впечатляющие габариты (404 квадратных метра), Titan недолго продержался на пьедестале. Уже через полгода после триумфа в ноябре 2012 года гордость американцев в области высокопроизводительных вычислений неожиданно потеснил выходец с Востока, беспрецедентно обогнав предыдущих лидеров рейтинга.

В культуре

Писатель Борис Акунин написал детектив «Батальон ангелов», действие которого происходит в 1917 году в женском батальоне смерти. Из реальных прототипов в книге показаны дочь адмирала Скрыдлова (под именем Александра Шацкая) и Мария Бочкарёва.

В феврале 2015 года в кинопрокат вышел российский художественный фильм «Батальонъ».

23 июля 2017 г., в день столетия боевого крещения женского батальона, в белорусской деревне Новоспасск Сморгонского района Гродненской области состоялась закладка памятной доски на месте установки будущего памятника женщинам-ударницам[источник не указан 418 дней].

Вооружение танка Т-62а

Применение

Суперкомпьютеры используются во всех сферах, где для решения задачи применяется численное моделирование; там, где требуется огромный объём сложных вычислений, обработка большого количества данных в реальном времени, или решение задачи может быть найдено простым перебором множества значений множества исходных параметров (см. Метод Монте-Карло).

Совершенствование методов численного моделирования происходило одновременно с совершенствованием вычислительных машин: чем сложнее были задачи, тем выше были требования к создаваемым машинам; чем быстрее были машины, тем сложнее были задачи, которые на них можно было решать. Поначалу суперкомпьютеры применялись почти исключительно для оборонных задач: расчёты по ядерному и термоядерному оружию, ядерным реакторам. Потом, по мере совершенствования математического аппарата численного моделирования, развития знаний в других сферах науки — суперкомпьютеры стали применяться и в «мирных» расчётах, создавая новые научные дисциплины, как то: численный прогноз погоды, вычислительная биология и медицина, вычислительная химия, вычислительная гидродинамика, вычислительная лингвистика и проч., — где достижения информатики сливались с достижениями прикладной науки.

Ниже приведён далеко не полный список областей применения суперкомпьютеров:

• Математические проблемы:
  • Криптография
  • Статистика

• Физика высоких энергий:
  • процессы внутри атомного ядра, физика плазмы, анализ данных экспериментов, проведённых на ускорителях
  • разработка и совершенствование атомного и термоядерного оружия, управление ядерным арсеналом, моделирование ядерных испытаний
  • моделирование жизненного цикла ядерных топливных элементов, проекты ядерных и термоядерных реакторов

• Наука о Земле:
  • прогноз погоды, состояния морей и океанов
  • предсказание климатических изменений и их последствий
  • исследование процессов, происходящих в земной коре, для предсказания землетрясений и извержений вулканов
  • анализ данных геологической разведки для поиска и оценки нефтяных и газовых месторождений, моделирование процесса выработки месторождений
  • моделирование растекания рек во время паводка, растекания нефти во время аварий

Вычислительная биология: фолдинг белка, расшифровка ДНК

Вычислительная химия и медицина: изучение строения вещества и природы химической связи как в изолированных молекулах, так и в конденсированном состоянии, поиск и создание новых лекарств

• Физика:
  • газодинамика: турбины электростанций, горение топлива, аэродинамические процессы для создания совершенных форм крыла, фюзеляжей самолетов, ракет, кузовов автомобилей
  • гидродинамика: течение жидкостей по трубам, по руслам рек
  • материаловедение: создание новых материалов с заданными свойствами, анализ распределения динамических нагрузок в конструкциях, моделирование крэш-тестов при конструировании автомобилей
• в качестве сервера для искусственных нейронных сетей
• создание принципиально новых способов вычисления и обработки информации (Квантовый компьютер, Искусственный интеллект)

Ссылки

Главные герои

Производительность

Производительность суперкомпьютеров чаще всего оценивается и выражается в количестве операций над числами с плавающей точкой в секунду (FLOPS). Это связано с тем, что задачи численного моделирования, под которые и создаются суперкомпьютеры, чаще всего требуют вычислений, связанных с вещественными числами, зачастую с высокой степенью точности, а не целыми числами. Поэтому для суперкомпьютеров неприменима мера быстродействия обычных компьютерных систем — количество миллионов операций в секунду (MIPS). При всей своей неоднозначности и приблизительности, оценка во флопсах позволяет легко сравнивать суперкомпьютерные системы друг с другом, опираясь на объективный критерий.

Первые суперкомпьютеры имели производительность порядка 1 кфлопс, то есть 1000 операций с плавающей точкой в секунду. В США компьютер, имевший производительность в 1 миллион флопсов (1 Мфлопс) (), был создан в 1964 году. Известно, что в 1963 году в московском НИИ-37 (позже НИИ ДАР) был разработан компьютер на основе модулярной арифметики с производительностью 2,4 млн оп/с. Это экспериментальный компьютер второго поколения (на дискретных транзисторах) Т340-А (гл. конструктор Д. И. Юдицкий). Однако следует отметить, что прямое сравнение производительности модулярных и традиционных ЭВМ некорректно. Модулярная арифметика оперирует только с целыми числами. Представление вещественных чисел в модулярных ЭВМ возможно только в формате с фиксированной запятой, недостатком которого является существенное ограничение диапазона представления чисел.

Планка в 1 миллиард флопс (1 Гигафлопс) была преодолена суперкомпьютерами NEC SX-2 в 1983 году с результатом 1.3 Гфлопс.

Граница в 1 триллион флопс (1 Тфлопс) была достигнута в 1996 году суперкомпьютером ASCI Red.

Рубеж 1 квадриллион флопс (1 Петафлопс) был взят в 2008 году суперкомпьютером IBM Roadrunner.

В 2010-х годах несколькими странами ведутся работы, нацеленные на создание к 2020 году экзафлопсных компьютеров, способных выполнять 1 квинтиллион операций с плавающей точкой в секунду и потребляющих при этом не более нескольких десятков мегаватт.

Отзывы владельцев

Stampede – PowerEdge C8220

• Местоположение: США
• Производительность: 5,16 петафлопс
• Теоретический максимум производительности: 8,52 петафлопс
• Мощность: 4,5 МВт

Находящийся в Техасе Stampede является единственным в первой десятке Top-500 кластером, который был разработан американской компанией Dell. Суперкомпьютер состоит из 160 стоек.

Этот суперкомпьютер является мощнейшим в мире среди тех, которые применяются исключительно в исследовательских целях. Доступ к мощностям Stampede открыт научным группам. Используется кластер в самом широком спектре научных областей – от точнейшей томографии человеческого мозга и предсказания землетрясений до выявления паттернов в музыке и языковых конструкциях.

Суперкомпьютер Stampede 

Временная непригодность

Ограниченно годен к военной службе: категория В

Многие граждане путают классификационные категории «В» и «Г». Чтобы внести ясность, нужно определить, что представляет собой группа «Г». Данная категория присваивается временно на полгода или год. Когда указанный период заканчивается, гражданину приходится повторно проходить медкомиссию в военкомате.

Перечень заболеваний, при диагностировании которых врачи присваивают классификационную категорию «Г»:

1. Туберкулез, после полноценного излечения которого призывник считается полностью пригоден к прохождению воинской службы, может быть отнесен к классификационной категории «А» или «Б»;
2. Лепра;
3. ВИЧ;
4. Венерические заболевания и другие инфекции;
5. Диагностированное ожирение;
6. Дистрофия;
7. Шизофрения;
8. Наркоманы проходят постановку на учет в специализированном медицинском учреждении;
9. Нетрадиционная половая ориентация, другие расстройства психики индивида;
10. Психозы;
11. Эпилептические припадки;
12. Детский церебральный паралич;
13. Онкологические процессы головного, спинного мозга;
14. Болезни, ухудшающие зрение;
15. Отсутствие ушной раковины;
16. Проблемы со слухом;
17. Расстройства сердечно-сосудистой системы;
18. Болезни горла, которым сопутствуют проблемы с дыханием;
19. Больше десяти зубов расположены на верхней или нижней челюсти;
20. Заболевания крови, нарушения функционирования кровяных телец, тромбофилия и т.п.;
21. Эутироидный зоб;
22. Диабет;
23. Шизофрения;
24. Дисфункции психического развития;
25. Рассеянный склероз;
26. Энцефалит;
27. Гнойная форма отита;
28. Сердечная недостаточность;
29. Диагностированная гипертония;
30. Тяжелые формы геморроя;
31. Астма.

Это только часть перечня заболеваний и расстройств, при диагностировании которых призывникам присваивается категория «В» и выдается военный билет с указанием осваиваемой специальности.

Возможные последствия для представителей категории «В»

Одного желания служить в армии — мало!

Прежде всего, нужно понимать, что призывники, которым после прохождения медкомиссии была присвоена классификационная категория «В», не будут привлекаться к срочной, либо контрактной службе в период, когда в стране мир.

Такие же ограничения относятся к призывникам, которым присвоена категория «Д». Разница между этими группами заключается в том, что последние не будут призываться даже при проведении всеобщей мобилизации.

Когда призывнику присваивается категория «В», ограничивается его возможность трудоустройства в той или иной отрасли системы народного хозяйства. К таким отраслям относятся:

Подобные запреты не могут распространяться на какие-либо другие разновидности гражданской службы или работы в муниципальных органах. Какие возможности остаются у желающих посвятить свою жизнь военной службе, либо попросту отдать долг родине.

По своей сути такие поправки подразумевают возможность для людей проходить повторные обследования. Следовательно, если предварительно призывнику была присвоена классификационная категория «В», он может вылечиться, улучшить состояние здоровья, пройти медкомиссию еще раз.

По результатам повторной проверки в индивидуальном порядке будет принято постановление относительно изменения классификационной категории для возможности прохождения военной службы в рядах ВС РФ. Повторная медкомиссия может проходиться призывником сколько угодно раз.

Относительно классификационных категорий призывников распространяется множество слухов

Необходимо обязательно обратить внимание на то, что категория «В» подразумевает утверждение минимальных ограничений

Например, отсутствие возможности оформления водительского удостоверения при ограниченной пригодности к несению военной службы является недостоверной информацией. По данному вопросу отношение к той или иной категории военнослужащих не может играть никакой роли.

Единственной проблемой, которая может послужить препятствием в оформлении водительских прав, считается диагностированное заболевание, в соответствии с которым медицинские работники присвоили призывнику классификационную категорию «В».

Сотрудники ГИБДД не уполномочены отказывать гражданам в оформлении водительских прав, у которых в военном билете указывается ограничение по пригодности к несению службы. Это правило относится и к другим разновидностям оформляемой документации.

В мирное время граждане с присвоенной классификационной категорией «В» не могут проходить службу по контракту, либо проходить обучение в военных училищах. Такие граждане лишаются возможности проходить службу в МВД, либо иных силовых структурах.

Присвоение такой категории подразумевает автоматическое определение призывника в запас без прохождения военной подготовки.

Ограниченно годен к военной службе — что это значит, разъяснит видеоматериал: