Суперкомпьютеры: гиперскорости вычислений

Суперкомпьютер – это вычислительная машина, которая значительно превосходит по скорости производимых ею вычислений большинство существующих в мире компьютеров. Однако определять что-то через сравнение – ненадёжно. Например, сегодняшний iPhone 11 в шесть раз мощнее самого быстрого суперкомпьютера 1993 года. 

Знаменитые американские инженеры Гордон Белл и Дон Нельсон однажды в шутку определили, что суперкомпьютер – это компьютер, который весит более тонны. Что он представляет из себя на самом деле? Для чего нужны гигантские умные машины? Рассказываем в нашей статье. 

Суперкомпьютер – это компьютер, который создал Сеймур Крэй

Слово «суперкомпьютер» на первый взгляд вполне понятно – это некая превосходная вычислительная машина, работающая быстрее и лучше обычных. Насколько быстрее и насколько лучше? Откуда появился сам термин и что он значил? 

О супер вычислениях начали говорить ещё век назад, в 1920-е годы – тогда газеты наперебой рассказывали о табуляторах Холлерита, которые значительно упростили и ускорили перепись населения США. Сейчас нам словосочетание «табулятор Холлерита» не говорит ничего – если мы, конечно, не увлекаемся историей развития IT-отрасли. Однако это одна из первых электромеханических машин для автоматической обработки числовой информации. А создана она была Германом Холлеритом, ставшим впоследствии основателем фирмы IBM. Сегодня эта фирма знакома всем. 

О самой первой вычислительной машине ENIAC читайте в нашей статье «ENIAC 1, или День влюблённых в код» 

ЭВМ и печатные машинки

Общеупотребительным слово «суперкомпьютер» стало, однако, с середины 1960-х годов и неразрывно связано с именем Сеймура Крэя. Этот американский инженер последовательно создал несколько суперкомпьютеров, которые на протяжении трёх десятков лет обслуживали самые разные проекты США – от научно-технических и промышленных до оборонных. Поэтому одно из полушутливых объяснений слова «суперкомпьютер» звучало как «суперкомпьютер – это компьютер, который создал Сеймур Крэй».

Свои суперкомпьютеры Крэй создал в компании CDC (Control Data Corporation). Компания появилась как результат недовольства нескольких сотрудников, создававших криптографическое оборудование для ВМФ США, своим положением в огромной корпорации Sperry-Rand. Эта корпорация образовалась в результате слияния корпорации Sperry, которая выпускала вооружение и военную технику, и компании Remington Rand – одного из ранних производителей ЭВМ, а также знаменитых печатных машинок Remington. 

Маленький характер и большая скорость

Первым компьютером, который создал Крэй, стал Little Character – прототип CDC 1604, модели, представленной на рынок в 1960 году. Любопытно то, что в этой машине Крэй решил использовать не распространённые в тот момент вакуумные лампы, а транзисторы. А также то, что из-за отсутствия денег в молодой компании инженер был вынужден использовать бракованные транзисторы. 

Номер модели, по корпоративной легенде, получился простым сложением номера из адреса корпорации – 501 Park Avenue – и номера последнего компьютера, над которым Крэй работал в Sperry-Rand до своего ухода – то есть UNIVAC 1103. Эта машина стала самой быстрой в мире на тот момент – его тактовая частота равнялась 0,2 МГц. Её сразу же взяли на вооружение компании Lockheed и Northrop, крупнейшие подрядчики военно-промышленного комплекса США, а также правительство Израиля.

Следующие машины Крея – CDC 6600 и CDC 7600 – стали первыми суперкомпьютерами и положили начало всей индустрии производства сверхмощных машин. Они работали уже в 50 и в 200 раз быстрее CDC 1604.

От физики высоких энергий до прогноза погоды

Что представляют из себя суперкомпьютеры на день сегодняшний? Чаще всего любой суперкомпьютер – это большая сеть из высокопроизводительных серверных компьютеров, которые соединяются друг с другом локальной высокоскоростной магистралью. Это решение придумано для того, чтобы распараллелить вычислительные задачи – то есть заставить несколько машин выполнять одну задачу одновременно, тем самым ускоряя процесс её решения. 

Суперкомпьютеры применяются во всех сферах, где есть большие числа, большой объём вычислений, производимых с этими числами, а также там, где требуется обработка большого количества данных в реальном времени. 

Первоначально суперкомпьютеры решали практически только задачи военно-промышленного комплекса – от расчётов по ядерному и термоядерному оружию до проектирования подводных лодок. Позже они стали касаться и мирных расчётов, и расчётов двойного назначения и дали развитие многим отраслям традиционных наук. Так появились вычислительные химия, лингвистика, биология и  гидродинамика, начали создаваться математические модели прогноза погоды и распространения опасных заболеваний. 

Сейчас в мире насчитывается более 500 суперкомпьютеров, которые перечислены в ежегодно составляемом рейтинге Top-500. Однако нужно понимать, что в нём, во-первых, указываются только общеизвестные вычислительные системы мира – а значит, нет ни одной системы, обслуживающей военно-промышленный комплекс. А во-вторых, участие в этом рейтинге является добровольным, а значит и некоторые коммерческие разработки могут в нём не упоминаться. Расскажем о двух самых производительных машинах из этого перечня и о том, чем они занимаются. 

Frontier: по операции в секунду на каждый километр галактики

«Hewlett Packard Enterprise Frontier – первый в мире суперкомпьютер с эксафлопсным показателем мощности», – гласит множество специализированных статей, посвящённых этой машине. Спрашивается, что такое эксафлопсный показатель мощности? 

Это «всего лишь» 1,102 квинтиллиона операций в секунду, которые способна выполнять эта система. Квинтиллион – это единица с восемнадцатью нулями; наш Млечный путь в диаметре имеет около квинтиллиона километров. А флопс – это единица производительности суперкомпьютера, которая выражается в количестве операций над числами с плавающей точкой в секунду. Отдельную единицу измерения для суперкомпьютеров придумали потому, что они чаще всего работают с вещественными числами – к которым, кроме рациональных, относятся и иррациональные числа, а значит, эти расчёты становятся гораздо сложнее. 

О том, в каком направлении двигаются разработки компьютеров, читайте в нашей статье «Биокомпьютер – машина будущего» 

Как выглядит Frontier? Это 74 стойки размером по 19 дюймов. В каждой из них находится 64 так называемых блейд-сервера, которые ещё называют ультракомпактными серверами. Всё это множество машин образуют 128 вычислительных узла. Как мы можем увидеть, прогресс идёт семимильными шагами, а двоичный код и степени двойки – 64 это 2⁶, а 128 это 2⁷ – продолжают оставаться с нами. Блейд-серверы соединены между собой коммутатором с пропускной способностью в 12,8 терабит/с – то есть в 12,8•10¹² бит в секунду. Суммарная длина всех соединительных кабелей насчитывает около 145 километров. Охлаждается машина при помощи жидкости – насосы прокачивают через систему почти 23 000 литра воды в минуту. 

Однако Frontier ещё находится в процессе тестирования – при выполнении особенно ресурсоёмких задач в нём происходят регулярные сбои. Учёным эту машину стоимостью в 600 миллионов долларов передадут позже. Ок-Риджская лаборатория, где располагается Frontier, рассказывает, что одной из задач машины станет работа с вычислениями поведения горячей плазмы в установках для управляемого термоядерного синтеза. Такое моделирование ещё не применялось никем – как раз потому, что для этой задачи требуются эксафлопсные высокоточные вычисления.

Fugaku: цунами данных

Суперкомпьютер Fugaku располагается в японском научно-исследовательском университете Рикен в городе Вако. Разработана машина самим университетом в сотрудничестве со знаменитой корпорацией Fujitsu. 

Название суперкомпьютера – это одно из наименований японской священной горы Фудзи. Одной из самых важных задач, поставленных перед вычислительной машиной, стало прогнозирование землетрясений и цунами, а также их последствий. Её стали разрабатывать после страшного землетрясения 2011 года, случившегося у японского острова Хонсю – его мощность тогда составила 9 баллов, погибло более 16 тысяч человек, а ущерб стране составил более сотни миллиардов долларов. 

Суперкомпьютер смоделировал 20 000 цунами различного типа и различных форм волн. Также на нём создали модель искусственного интеллекта, которая могла бы прогнозировать наводнения и цунами в режиме реального времени. Модель сопоставляет данные о формах волн и береговой линии, после чего почти мгновенно выдаёт прогноз, как цунами повлияет на заданную территорию – вплоть до того, как именно разрушатся здания и затопятся улицы. 

Технические характеристики этой машины более скромные, нежели у Frontier – её мощность равняется 442 петафлопса, то есть 442*10¹⁵, почти в три раза меньше, чем у конкурента. Энергии, напротив, Fugaku потребляет намного больше – 30 мегаватт против 21. Однако эта система уже полностью закончена и с 2021 года используется не только исследователями из академических областей, но и промышленниками, и правительством Японии. 

Мощность суперкомпьютеров растёт год от года – машины, которые ещё год назад держали пальму первенства, устаревают и уступают место новым разработкам. Однако сделать что-то новое невозможно, не учитывая опыт предшественников. Расскажите своим потомкам об опыте своей семьи – оставьте историю своего рода в надёжной Цифровой капсуле времени, которая создаётся на самых современных носителях информации.