Суперкомпьютеры в России

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

На сегодняшний день информационные технологии и электронно-вычислительная техника играют очень большую роль в нашей жизни. Но потребности общества растут практически с каждым днем, и, соответственно, уровень производительности компьютеров возрастает также быстро. За какие-то 50 лет производительность компьютеров возросла в несколько раз, да и это еще мягко сказано.

Какие-то 35 лет назад пределом технического совершенства был простейший калькулятор, и переход компании с арифмометра на "электронно-вычислительную технику" очень поднимал престиж организации. И никому и в голову не могло придти, что произойдет через пару десятилетий. Что через пару десятков лет компьютер, хотя и очень простой, будет стоять не только в каждой уважающей себя фирме, компании, офисе, предприятии, но и во многих квартирах. Что его можно будет использовать не только для решения сложнейших задач, но и для обучения, общения и развлечений. И тем более никто и не мог подумать о развитии электронно-вычислительной техники до того уровня, на котором она находится сегодня.

Хотя, в принципе, такая ситуация существует и сейчас. Несколько лет назад мои знакомые обратились к нескольким программистам с просьбой написать программу, составляющую расписание занятий для общеобразовательного учреждения. Им ответили, что такую программу создать невозможно, так как в ней будет задействовано столь огромное количество переменных, что процессор просто не сможет выполнить задачу. Сегодня программами, составляющими расписание, торгуют многие компании по созданию программного обеспечения, причем за сравнительно низкую плату, и это уже никого не удивляет. Излишне говорить, что сегодняшние персональные компьютеры отлично справляются с задачей, поставленной программистами.

Если рассматривать более глобальные проблемы, можно вспомнить о, например, прогнозировании погоды. Лет 25-30 назад, все данные рассчитывались метеорологами вручную, соответственно, и погрешность в измерениях была столь высокой, что "прогнозы погоды" на деле оказывались лишь предсказаниями. Сегодня же ученые в состоянии не только точно прогнозировать климат в отдельном регионе, но и составлять общемировую сводку погоды, как ото делается, например, при расчете траектории движения торнадо в США. В 1969 году в корпорацию Intel поступил заказ на специализированные микросхемы для бухгалтерских калькуляторов, появившихся после "технической революции" - создания микропроцессора, над которым трудились все инженеры этой, только что созданной, компании. Тогда, в рамках данного заказа Гордоном Муром и Робертом Нойсом был создан однокристальный микропроцессор, предназначенный для применения в калькуляторах, получивший название 4004 (4- разрядная шина данных и 16-контактный корпус). Для того времени это было величайшим изобретением компьютерщиков.

Суперкомпьютеры

Что же вообще такое - суперкомпьютеры?

Считается, что супер-ЭВМ - это компьютеры с максимальной производительностью. Однако быстрое развитие компьютерной индустрии делает это понятие весьма и весьма относительным: то, что десять лет назад можно было назвать суперкомпьютером, сегодня под это определение уже не подпадает. Производительность первых супер-ЭВМ начала 70-х годов была сравнима с производительностью современных ПК на базе традиционных процессоров Pentium. По сегодняшним меркам ни те, ни другие к суперкомпьютерам, конечно же, не относятся.

В любом компьютере все основные параметры взаимосвязаны. Трудно себе представить универсальный компьютер, имеющий высокое быстродействие и мизерную оперативную память либо огромную оперативную память и небольшой объем дисков. Отсюда простой вывод: супер-ЭВМ -- но компьютер, имеющий не только максимальную производительность, но и максимальный ли объем оперативной и дисковой памяти и совокупности со специализированным программным обеспечением, с помощью которого этим монстром можно эффективно пользоваться.

Суперкомпьютерам не раз пытались давать универсальные определения -- иногда они получались серьезными, иногда ироничными. Например, как-то предлагалось считать суперкомпьютером машину, вес которой превышает одну тонну. Несколько лет назад был предложен и такой вариант: суперкомпьютер -- это устройство, сводящее проблему вычислений к проблеме ввода/вывода. В самом деле, задачи, которые раньше вычислялись очень долго, на супер-ЭВМ выполняются мгновенно, и почти все время теперь уходит на более медленные процедуры ввода и вывода данных, производящиеся, как правило, с прежней скоростью. Так что же такое современный суперкомпьютер? Самая мощная ЭВМ на сегодняшний день -- это система Intel ASCI RED, построенная по заказу Министерства энергетики США. Чтобы представить себе возможности этого су1еркомпьютера, достаточно сказать, что он объединяет в себе 9632 (!) процессора Pentium Pro, имеет более 600 Гбайт оперативной памяти и общую производительность в 3200 миллиардов операций в секунду. Человеку потребовалось бы 100000 лет, чтобы даже с калькулятором выполнить все те операции, которые этот компьютер делает всего за 1 секунду!

Создать подобную вычислительную систему -- всё равно, что построить целый завод со своими системами охлаждения, бесперебойного питания и т.д. Понятно, что любой суперкомпьютер, даже в более умеренной конфигурации, должен стоить не один миллион долларов США: ради интереса прикиньте, сколько стоят, скажем, лишь 600 Гбайт оперативной памяти? Возникает естественный вопрос: какие задачи настолько важны, что требуются компьютеры стоимостью в несколько миллионов долларов? Или еще один: какие задачи настолько сложны, что хорошего Pentium IV для их решения недостаточно?

Для чего же необходимы суперкомпьютеры?

Оказывается, существует целый ряд жизненно важных проблем, которые просто невозможно решать без использования суперкомпьютерных технологий. Возьмем, к примеру, США, по территории которых два раза в год проходят разрушительные торнадо. Они сметают на. своем пути города, поднимают в воздух автомобили и автобусы, выводят реки из берегов, заливая тем самым гигантские территории. Борьба с торнадо -- существенная часть американского бюджета. Только штат Флорида, который находится недалеко от тех мест, где эти смерчи рождаются, за последние годы потратил более 50 миллиардов долларов на экстренные меры по спасению людей. Правительство не жалеет денег на внедрение технологий, которые позволили бы предсказывать появление торнадо и определять, куда он направится.

Как рассчитать торнадо? Очевидно, что для этого надо решить задачу о локальном изменении погоды, то есть задачу о движении масс воздуха и распределении тепла в неком регионе. Принципиально это несложно, однако на практике возникают две проблемы. Проблема первая: чтобы заметить появление смерча, надо проводить расчет на характерных для его образования размерах, то есть на расстояниях порядка двух километров. Вторая трудность связана с правильным заданием начальных и граничных условий. Дело в том, что температура на границах интересующего вас региона зависит от того, что делается в соседних регионах. Рассуждая дальше, легко убедиться, что мы не можем решить задачу о смерче, не имея данных о климате на всей Земле. Климат на планете рассчитать можно, что и делается каждый день во всех странах для составления среднесрочных прогнозов погоды. Однако имеющиеся ресурсы позволяют вести расчеты лишь с очень большим шагом -- десятки и сотни километров. Ясно, что к предсказанию смерчей такой прогноз не имеет никакого отношения.

Необходимо совместить две, казалось бы, плохо совместить е задачи: глобальный расчет, где шаг очень большой, и локальный, где шаг очень маленький. Сделать это можно, но лишь собрав в кулаке действительно фантастические вычислительные ресурсы. Дополнительная трудность состоит еще и в том, что вычисления не должны продолжаться более 4 часов, так как за 5 часов картина погоды смазывается совершенно, и все, что вы считаете, уже не имеет никакого отношения к реальности. Нужно не только обработать гигантский объем данных, но и сделать это достаточно быстро. Такое под силу лишь суперкомпьютерам. Предсказание погоды -- далеко не единственный пример использования суперкомпьютеров. Сегодня без них не обойтись в сейсморазведке, нефте- и газодобывающей промышленности, автомобилестроении, проектировании электронных устройств, фармакологии, синтезе новых материалов и многих других отраслях. Так, по данным компании Ford, для выполнения crash-тестов, при которых реальные автомобили разбиваются о бетонную стену с одновременным замером необходимых параметров, со съемкой и последующей обработкой результатов, ей понадобилось бы от 10 до 150 прототипов для каждой новой модели. При этом общие затраты составили бы от 4 до 60 миллионов долларов. Использование суперкомпьютеров позволило сократить число прототипов на одну треть. Известной фирме DuPont суперкомпьютеры помогли синтезировать материал, заменяющий хлорофлюрокарбон. Нужно было найти материал, имеющий те же положительные качества: невоспламеняемость, стойкость к коррозии и низкую токсичность, но без вредного воздействия на озоновый слой Земли. За одну неделю были проведены необходимые расчеты на суперкомпьютере с общими затратами около 5 тысяч долларов. По оценкам специалистов DuPont, использование традиционных экспериментальных методов исследований потребовало бы 50 тысяч долларов и около трех месяцев работы -- и это без учета времени, необходимого на синтез и очистку требуемого количества вещества.

Современные суперкомпьютеры

А что же сейчас используют в мире? По каким направлениям идет развитие высокопроизводительной вычислительной техники?

Таких направлений четыре.

-Векторно-конвейерные компьютеры

-Массивно-параллельные компьютеры с распределенной памятью

-Параллельные компьютеры с общей памятью.

Суперкомпьютеры в России

суперкомпьютер вычислительный техника

Идеи построения собственных суперкомпьютерных систем существовали в России всегда. Еще в 1966 году М.А.Карцев выдвинул идею создания многомашинного вычислительного комплекса М-9 производительностью около миллиарда операций в секунду. В то время ни одна из машин мира не работала с такой скоростью. Однако, несмотря на положительную оценку министерства, комплекс М-9 промышленного освоения не получил.

Работы по созданию суперкомпьютерных систем и суперкомпьютерных центров ведутся в России и сейчас. Наиболее известна линия отечественных суперкомпьютеров М8С-1000, создаваемая в кооперации научно-исследовательских институтов Российской академии наук и 1ромышленности. Супер-ЭВМ линии МВС- 1000--это мультипроцессорный массив, объединенный с внешней дисковой памятью, устройствами ввода/вывода информации и управ 1яющим компьютером. Компьютеры МВС-КЮ0 используют микропроцессоры Alpha 21I64 (разработка фирмы DEC-Compaq) с производительностью до 1--2 миллиардов операций в секунду и оперативной памятью объемом 0,1--2 Кбайт.

Спектр научных и практических задач, решаемых на таком компьютере, может быть очень велик: насчет трехмерных нестационарных течение вязкосжимаемого газа, расчеты течений с л жальными тепловыми неоднородностями в потоке, моделирование структурообразования и динамики молекулярных и биомолекулярных систем, решение задач линейных дифференциальных игр, расчет деформаций твердых тел с учетом процессов разрушения и многие другие. Одна из самых мощных систем линии КIBC-1000, установленная в Межведомственно и суперкомпьютерном центре, содержит 96 процессоров. В последнее время в России, так же как и во всем мире, активно используется кластерный подход к построению суперкомпьютеров. Подкупаются стандартные компьютеры и рабочие. станции, которые с помощью стандартных сетевых средств объединяются в параллельную вычислительную систему. По такому пути пошел, и, надо сказать, успешно, НИ вычислительный центр МГУ, создавший кластер из 12 двухпроцессорных серверов. Сегодня это одна из самых крупнейших в России вычислительных станций. При невысокой стоимости кластер НИВЦ МГУ имеет производительность 5,7 миллиарда операций в секунду ! В будущем планируется увеличить мощность кластера как за счет добавления новых узлов, так и за счет технической модернизации старых.

Размещено на Allbest.ru