Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

• Введение
• 1. Определение понятия «суперкомпьютер»
• 2. Рождение первых ЭВМ
• 3. Начало развития
• 4. Суперкомпьютеры в России
• 5. Суперкомпьютеры наших дней
• 6. Применение суперкомпьютеров
• 7. Рейтинг TOP-500
• Заключение
• Список используемой литературы


Введение

В контрольной работе «История суперкомпьютеров в России и за рубежом» мы выясним: что же такое суперкомпьютеры, и зачем они нужны. 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.

Прежде чем раскрывать тему контрольной работы, мы дадим определение самого термина «Суперкомпьютер». Суперкомпьютер (англ. supercomputer, СуперЭВМ) -- вычислительная машина, значительно превосходящая по своим техническим параметрам большинство существующих компьютеров. Как правило, современные суперкомпьютеры представляют собой большое число высокопроизводительных серверных компьютеров, соединённых друг с другом локальной высокоскоростной магистралью для достижения максимальной производительности в рамках подхода распараллеливания вычислительной задачи.

1. Определение понятия «суперкомпьютер»

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 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.

2. Рождение первых ЭВМ

Для того чтобы убедиться, что все основные нововведения в архитектуре современных процессоров на самом деле использовались еще со времен, когда ни микропроцессоров, ни понятия суперкомпьютеров еще не было, совершим маленький экскурс в историю, начав практически с момента рождения первых ЭВМ.

Все самые первые компьютеры, например, EDSAC, EDVAC, UNIVAC, сначала считывали данные последовательно бит за битом из памяти, а затем их аналогично обрабатывали в арифметическом устройстве.

1953 г. Первым коммерчески доступным компьютером, использующим разрядно-параллельную память (на CRT) и разрядно-параллельную арифметику, стал компьютер IBM 701. К слову будет сказано, наибольшую популярность в то время получила модель IBM 704 (1955 г.), проданной в количестве 150 экземпляров, в которой, помимо упомянутых особенностей, была впервые применена память на ферритовых сердечниках и аппаратное арифметическое устройство с плавающей точкой.

1958г. Процессоры первых компьютеров сами управляли вводом/выводом. Однако скорость работы самого быстрого внешнего устройства, а по тем временам это магнитная лента, была в 1000 раз меньше скорости процессора, поэтому во время операций ввода/вывода процессор фактически простаивал. В 1958г. к компьютеру IBM 704 присоединили 6 независимых процессоров ввода/вывода, которые после получения команд могли работать параллельно с основным процессором, а сам компьютер переименовали в IBM 709. Данная модель получилась удивительно удачной, так как вместе с модификациями было продано около 400 экземпляров, причем последний был выключен в 1975 году - 20 лет существования!

1961г. Создается компьютер IBM STRETCH, имеющий две принципиально важные особенности: опережающий просмотр вперед для выборки команд и расслоение памяти на два банка для согласования низкой скорости выборки из памяти и скорости выполнения операций.

1963г. В Манчестерском университете разработан компьютер ATLAS, использующий конвейерный принцип выполнения команд. Выполнение команд разбито на 4 стадии: выборка команды, вычисление адреса операнда, выборка операнда и выполнение операции, позволившие уменьшить время выполнения команд в среднем с 6 мкс до 1,6 мкс. Справедливости ради надо отметить, что данный компьютер вообще оставил заметный след в истории развития вычислительной техники: помимо сказанного, в нем впервые была использована мультипрограммная операционная система, основанная на использовании виртуальной памяти и системы прерываний.

3. Начало развития

Как и в любой истории, в истории суперкомпьютеров не обошлось без своей выдающийся личности. В 1964 году свет увидел первый суперкомпьютер в истории - CDC 6600 производства Control Data Corporation. Руководил работами по созданию этого технического чуда 60-х годов Сеймур Крей, талантливый инженер и негласный «отец суперкомпьютеров». Его CDC 6600 с невиданной по меркам того времени производительностью в 1 МФЛОПС (один миллион операций с плавающей точкой в секунду) вплоть до 1969 года оставался самым мощным и самым совершенным компьютером.

В 1969-ом же лавры главного суперкомпьютера планеты перешли к модели CDC 7600 производства всё того же Сеймура Крея. Новая машина была в десять раз производительнее своего предка, что делало её незаменимой для выполнения сложных и трудоёмких расчётов.

Однако Крею было некомфортно в стенах Control Data Corporation. В 1972 году он уходит из CDC, чтобы основать собственную компанию по производству суперкомпьютеров - Cray Research. Уже через четыре года выходит компьютер, который прославил как самого Сеймура Крея, так и его компанию - Cray-1. Это почти шеститонное чудовище с производительностью в 160 МФЛОПС взорвало компьютерный мир того времени и вошло в школьные учебники по информатике. До сих пор именно «Крей-1» приходит нам на ум, когда мы говорим о суперкомпьютерах.

Суперкомпьютер Cray-2На этом Cray Research не остановилась. Через пять лет был выпущен первый мультипроцессорный суперкомпьютер - Cray X-MP, ну а в 1985 году компьютер Cray-2 преодолел планку в один ГФЛОПС, причём сделал это с ну очень серьёзным запасом - почти два миллиарда операций в секунду помогли Cray-2 удержать преимущество на рынке суперкомпьютеров.

Однако не стоит думать, что на этом рынке присутствовала лишь компания Крея. Наоборот, удешевление компьютерной техники в 80-х годах прошлого столетия открыло дорогу в мир суперкомпьютерной индустрии большому числу небольших независимых компаний; как следствие, возросла конкуренция, а, следовательно, скорость прогресса увеличилась. Однако в 1990-х на данном рынке произошёл серьёзный кризис, связанный с изменением геополитической обстановки в мире. Распад СССР и окончание «холодной войны» привели к резкому сокращению заказов от военных инстанций США и стран НАТО. А ведь именно военные были основными покупателями суперкомпьютеров: моделирование ядерных взрывов, расшифровка секретных сообщений вероятного противника и прочие не слишком мирные задачи требовали солидных вычислительных мощностей. Впрочем, вскоре мечи были перекованы на орала, и суперкомпьютеры стали в массовом порядке закупаться различными «мирными» исследовательскими центрами, НИИ и лабораториями.

4. Суперкомпьютеры в России

Первым отечественным суперкомпьютером является БЭСМ-6, выпущенный в 1967 году под руководством, гениального инженера Сергея Алексеевича Лебедева. Данная машина, по формальной производительности сопоставимая с CDC 6600, реально намного превосходила своего иностранного конкурента. В данном компьютере было заложено так много инновационных решений, что её производство продолжалось на протяжении двадцати лет! Попытка американских инженеров создать что-либо совершеннее БЭСМ-6, носившая имя ILLIAC-IV, окончилась неудачей: данный суперкомпьютер оказалась дороже, сложнее и медленнее «русской машины». БЭСМ-6 не была единственным советским суперкомпьютером. В последние годы своей жизни Лебедев руководил работами по созданию многопроцессорного комплекса «Эльбрус», однако в 1974 году смерть помешала ему увидеть результаты своих трудов. Работы над первым компьютером серии «Эльбрус» завершились в 1979 году, и, хотя по производительности он, равно как и другие компьютеры серии, отставали от зарубежных аналогов, в его процессоре впервые была применена технология суперскалярности. Суперскалярная архитектура, то есть технология параллельного выполнения нескольких команд, независимых друг от друга, вскоре была реализована в большинстве процессоров для персональных компьютеров; таким образом, в процессорах Intel и AMD есть частичка нашего, русского, инженерного знания.

Увы, перестройка, раскол Советского Союза и последовавшие за ним события крайне негативно - если не сказать «губительно», - отразились на отечественной суперкомпьютерной промышленности. Прощальным приветом отечественных инженеров-электронщиков можно считать появившийся в 1990-х процессор Elbrus 2000 (E2K) , который так и не смог выйти на рынок: сначала помешал кризис, ну а затем, когда казалось, что «вот уже чуть-чуть», команду «Эльбруса» на корню купила Intel. На данный момент все существующие в России суперкомпьютеры либо зарубежного производства, либо основаны на зарубежных комплектующих и технологиях.

5. Суперкомпьютеры наших дней

Оправившись от кризиса, западная индустрия производства суперкомпьютеров принялась за штурм новых высот. В 1997 году был создан суперкомпьютер ASCI RED, обладавший неслыханной тогда производительностью в 1,34 ТФЛОПС. Однако самое интересное, что данный компьютер был построен на базе около десяти тысяч процессоров Pentium II - тех самых, которых можно было спокойно найти в любом топовом ПК тех лет. Подобная система объединения вычислительных мощностей относительно недорогих процессоров получила название Massively Parallel Processing, или просто MPP. Преимущество MPP-систем - в их гибкости: незагруженные процессорные блоки можно легко отключить, а по возможности - включить заново, а вдобавок подключить дополнительные. На данный момент большинство суперкомпьютеров было построено именно на базе данной технологии.

Шло время, и производители выпускали всё более и более новые суперкомпьютеры, которые задавали новые стандарты производительности. Символический барьер в один ПФЛОПС (читается «пентафлопс»; 1 ПФЛОПС = 1000 ТФЛОПС) был преодолён в 2008 году компьютером Roadrunner от IBM. Характеристики данной машины шокируют: почти 100 Тб оперативной памяти, около 20 000 процессоров... Удивляет и то, что всё это работает под управлением Linux-систем Red Hat и Fedora, причём тех же самых версий, что устанавливаются на домашние компьютеры.

Однако Roadrunner не является самым быстрым суперкомпьютером на сегодняшний день. Согласно рейтингу самых мощных компьютеров Top-500, наиболее производительным является японский суперкомпьютер K производства Fujitsu. Этот 70 000-процессорный гигант на момент 2011 года обладал безумной производительностью в 8,162 ПФЛОПС. Даже не хватает воображения, что бы представить, чем же можно нагрузить подобную махину. Впрочем, на это есть учёные - перед ними стоят ещё очень много неразрешённых вопросов.

Во всемирный процесс активизации рынка высокопроизводительных вычислений (HPC) все активнее включается и Россия. В 2003 году компании Arbyte и Kraftway при поддержке корпорации Intel объявили о создании своих Центров компетенции на базе платформы Intel, деятельность которых, в том числе, будет направлена и на построение НРС-систем. Новые возможности проведения более точных расчетов, несомненно, увеличат конкурентоспособность российских нефтяных компаний на мировом рынке.

По мнению экспертов, совокупный объем рынка больших вычислительных систем в России составляет $100-150 млн., причем видное место принадлежит отечественным разработчикам. В год устанавливается 3-4 суперкомпьютера с производительностью, близкой к 1 Терафлоп.

На сегодняшний день крупнейшими отечественными проектами в области суперкомпьютеров являются российский проект МВС и российско-белорусский СКИФ. Разработка СуперЭВМ проекта МВС финансировалась за счет средств Минпромнауки России, РАН, Минобразования России, РФФИ, Российского фонда технологического развития. В настоящее время машины этой серии установлены в МСЦ РАН и ряде региональных научных центров РАН (Казань, Екатеринбург, Новосибирск) и используются преимущественно для научных расчетов.

В России же СКИФ и МВС пока воспринимаются лишь как академические проекты. Причина этого в том, что крупные российские машиностроительные корпорации, такие как НПО <Сатурн>, предпочитают зарубежные суперЭВМ, поскольку отработанные прикладные решения от мировых лидеров, таких как IBM и HP уже снабжены готовым целевым ПО и средствами разработки, имеют лучший сервис. Сделать МВС и СКИФ востребованными для российской промышленности поможет создание общего вычислительного центра ориентированного на промышленный сектор, с распределенным доступом к машинному времени. Создание Центра резко удешевит затраты на обслуживание суперкомпьютера, а также ускорит процесс создания и систематизации ПО (написание драйверов, библиотек, стандартных приложений).

Продвижению отечественных суперкомпьютерных технологий в промышленной сектор России и за ее пределы будет способствовать рост отечественных компаний, способных конкурировать в данной сфере с транснациональными корпорациями.

6. Применение суперкомпьютеров

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, 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, 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.

7. Рейтинг TOP-500

В середине 80-х Эрик Стромайер из университета Теннеси (США) и Ганс Мейер из университета Маннхейма (Германия) начали собирать статистику о развитии рынка суперкомпьютеров. В то время благодаря малочисленности “подопытных” и большому их отличию от персональных компьютеров сделать это было довольно легко. В итоге в начале 1993 года статистические исследования оформились в виде списка top-500, который публикуется дважды в год, в июне и ноябре. В этот список включаются наиболее мощные компьютерные системы, установленные по всему миру. Они и получают расплывчатое определение «суперкомпьютер». С развитием рынка и появлением множества различных архитектур актуальной проблемой стало найти наиболее объективный способ определения возможностей систем. Им стал тест Linpack, разработанный Джеком Донгарра, который представляет собой решение системы N линейных уравнений методом Гаусса. Собственно, по результатам этого теста и определяются места в списке. В первом июньском top-500 1993 года лидером являлся Thinking Machines CM5 с 1 024 процессорами и Rmax=59,7 гигафлоп (Rmax - производительность по тесту Linpack), а в конце списка находилась система Fujitsu с 140 векторными процессорами и Rmax=0,422 гигафлоп. В то время это был первый японский компьютер в Европе. Он имел 64 Мбайт памяти и считался самым быстрым в этом классе.

В наше время суперкомпьютеры стали намного мощнее, но ТОР 500 по прежднему каждые июнь и ноябрь составляют свой рейтинг.

Возглавляет список из 500 суперкомпьютеров мира по-прежнему система Tianhe-2, запущенная в Национальном институте оборонных технологий Китая в начале лета этого года. Напомним, пиковая производительность суперкомпьютера Tianhe-2 составляет 33,86 петафлопс (тест Linpack). Это практически в два раза больше суммарной производительности суперкомпьютеров Titan (17,59 петафлопс) и IBM BlueGene/Q Sequoia (17,17 петафлопс) - второе и третье место списка Top 500. При этом система Titan, установленная в Национальной лаборатории министерства энергетики США в Ок-Ридж, по-прежнему остается самой энергоэффективной при пересчете удельной производительности на 1 ватт энергии - 2,143 гигафлопс на 1 Вт.

Новая редакция списка позволяет сделать несколько интересных выводов. К примеру, за полгода количество систем с показателем производительности выше 1 петафлопс выросло с 26 до 31. Известно также, что 53 суперкомпьютера в списке используют сопроцессоры. В то же время самые популярные CPU для суперкомпьютеров делает Intel - 82,4% систем из списка построены на базе их процессоров. Примечательно также то, что суперкомпьютер, который полгода назад занимал 363 позицию, в новой редакции списка оказался на последнем месте.

Наибольшее количество суперкомпьютеров находится на территории США - 265 из 500. При этом 115 систем размещены на территории Азии и 102 в Европе (на 10 меньше, чем в полгода назад).

Отдельно стоит упомянуть, что 482 системы из списка работают под управлением ОС Linux.

суперкомпьютер технология промышленный сектор

Заключение

Изучив историю развития суперкомпьютеров в России и за рубежом, стало ясно, что 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. Сейчас суперкомпьютеры взяли планку в несколько петафлопс.

Еще 10 - 15 лет назад суперкомпьютеры были чем-то вроде элитарного штучного инструмента, доступного в основном ученым из засекреченных ядерных центров и криптоаналитикам спецслужб. Однако развитие аппаратных и программных средств сверхвысокой производительности позволило освоить промышленный выпуск этих машин, а число их пользователей в настоящее время достигает десятков тысяч. Фактически, в наши дни весь мир переживает подлинный бум суперкомпьютерных проектов, результатами которых активно пользуются не только такие традиционные потребители высоких технологий, как аэрокосмическая, автомобильная, судостроительная и радиоэлектронная отрасли промышленности, но и важнейшие области современных научных знаний.

Продвижению отечественных суперкомпьютерных технологий в промышленной сектор России и за ее пределы будет способствовать рост отечественных компаний, способных конкурировать в данной сфере с транснациональными корпорациями.

Из вышеперечисленного можно сделать вывод, что данная область развивается динамично, она обладает колоссальным потенциалом. Суперкомпьютерные приложения сегодня востребованы во множестве самых разных областей научно-технологического комплекса страны. Подобные технологии важны, поэтому являются объектом особого внимания высокоразвитых государств.

Список используемой литературы

1. Литвиненко, Юрий. Эволюция суперкомпьютеров [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://ddriver.ru/kms_catalog+stat+cat_id-11+page-1+nums-165.html (дата обращения 10.04.2014)

2. Любар А.Ю. Суперкомпьютеры [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://rudocs.exdat.com/docs/index-387227.html (дата обращения 11.04.2014)

3. Опубликована 42 редакция списка Top 500 суперкомпьютеров мира [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://itc.ua/news/opublikovana-42-redaktsiya-spiska-top-500-superkompyuterov-mira/ (дата обращения 11.04.2014)

4. Суперкомпьютерные технологии в науке, образовании и промышленности [Текст] / Под редакцией: академика В.А. Садовничего, академика Г.И. Савина, чл.-корр. РАН Вл.В. Воеводина.-М.: Издательство Московского университета, 2009.-232 с., ил. ISBN 978-5-211-05719-7

5. Суперкомпьютеры: прошлое, настоящее, будущее [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://bibliofond.ru/view.aspx?id=65793#1 (дата обращения 3.04.2014)

6. Фотоотчет: топ-10 суперкомпьютеров за ноябрь 2013 года [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://telecombloger.ru/19401 (дата обращения 11.04.2014)

7. Хомик В.Н. Суперкомпьютеры [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://rudocs.exdat.com/docs/index-349904.html (дата обращения 10.04.2014)

Размещено на Allbest.ru