Характеристика и виды суперкомпьютеров

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Целью создания курсовой работы является изучение суперкомпьютеров и анализ технологий в области суперкомпьютерных систем и способов связи с существующими областями науки, нуждающимися в высокопроизводительных вычислениях и моделировании. В данной курсовой работе нужно рассмотреть, что такое суперкомпьютер, развитие и применение суперкомпьютеров, а также в ней показан рейтинг суперкомпьютеров и перспективы их развития.

Когда появились первые компьютеры, перед разработчиками вычислительной техники стала проблема - производительность вычислительной системы. С годами производительность компьютеров стремительно возрастала, с каждым годом росло и число пользователей. Это привело к расширению сферы вычислительных систем - что стало одной из причины появления суперкомпьютеров. Суперкомпьютер - это вычислительная система, которая позволяет производить сложные расчеты за более короткие промежутки времени.

Важным показателем компьютера является быстродействие, которое измеряется флопсами. Флопс - внесистемная единица, используемая для измерения производительности компьютеров, показывающая, сколько операций с плавающей запятой в секунду выполняет данная вычислительная система. Расширение границ человеческого знания всегда опиралось на теорию и опыт. Но теперь ученые сталкиваются с тем, что многие испытания стали невозможными - в некоторых случаях из-за своих масштабов, в других - дороговизны или опасности для здоровья и жизни людей. Суперкомпьютеры стали опорой современной науки и производства. Иногда суперкомпьютеры используются для работы с одним единственным приложением; в других случаях они обеспечивают выполнение большого числа разнообразных приложений. [4]

1. Что такое суперкомпьютер

1.1 Определение понятия суперкомпьютер

Считается, что суперкомпьютер - это компьютер с максимальной производительностью. Однако быстрое развитие компьютерной индустрии делает это понятие весьма и весьма относительным. Что десять лет назад можно было назвать суперкомпьютером, сегодня под это определение уже не подпадает. Производительность первых суперкомпьютеров начала 70-х годов была сравнима с производительностью современных домашних компьютеров. По сегодняшним меркам ни те, ни другие к суперкомпьютерам не относятся.

В любом компьютере все основные параметры взаимосвязаны. Трудно представить универсальный компьютер, имеющий высокое быстродействие и маленькую оперативную память, либо огромную оперативную память и небольшой объем дисков. Отсюда простой вывод, что суперкомпьютер - это компьютер, имеющий не только максимальную производительность, но и максимальный объем оперативной и дисковой памяти в совокупности со специализированным программным обеспечением, с помощью которого этим инструментом можно эффективно пользоваться. [2]

Суперкомпьютер (с англ. Supercomputer) -- специализированная вычислительная машина, значительно превосходящая по своим техническим параметрам и скорости вычислений большинство существующих в мире компьютеров.

Современные суперкомпьютеры представляют собой большое число высокопроизводительных серверных компьютеров, соединённых друг с другом локальной высокоскоростной сетью для достижения максимальной производительности в рамках подхода достижения вычислительной задачи.

Определение понятия «суперкомпьютер» не раз было предметом многочисленных споров и обсуждений.

Чаще всего авторство термина приписывается Джорджу Майклу и Сиднею Фернбачу. В конце 60-х годов XX века работавшим в Ливерморской национальной лаборатории, и компании CDC. Тем не менее, известен тот факт, что ещё в 1920 году газета New York World рассказывала о «супер вычислениях», выполнявшихся при помощи табулятора IBM, собранного по заказу Колумбийского университета.

В общеупотребительный лексикон термин «суперкомпьютер» вошёл благодаря распространённости компьютерных систем Сеймура Крэя, таких как, CDC 6600, CDC 7600, Cray-1, Cray-2, Cray-3 и Cray-4. Сеймур Крэй разрабатывал вычислительные машины, которые становились основными вычислительными средствами правительственных, промышленных и академических научно-технических проектов США с середины 60-х годов до 1996 года. В то время одним из популярных определений суперкомпьютера было следующее: -- «любой компьютер, который создал Сеймур Крэй». Сам Крэй никогда не называл свои детища суперкомпьютерами, предпочитая использовать вместо этого обычное название «компьютер».

Компьютерные системы Крэя удерживались на вершине рынка в течение 5 лет с 1985 по 1990 годы. 80-е годы XX века охарактеризовались появлением множества небольших конкурирующих компаний, занимающихся созданием высокопроизводительных компьютеров, однако к середине 90-х большинство из них оставили эту сферу деятельности, что даже заставило обозревателей заговорить о «крахе рынка суперкомпьютеров». На сегодняшний день суперкомпьютеры являются уникальными системами, создаваемыми профессионалами компьютерного рынка, такими как IBM, Hewlett-Packard, NEC, которые приобрели множество ранних компаний, вместе с их опытом и технологиями. Компания Cray по-прежнему занимает достойное место в ряду производителей суперкомпьютерной техники.

Из-за большой гибкости самого термина до сих пор распространены довольно нечёткие представления о понятии «суперкомпьютер». Шутливая классификация Гордона Белла и Дона Нельсона, разработанная приблизительно в 1989 году, предлагала считать суперкомпьютером любой компьютер, весящий более тонны. Современные суперкомпьютеры действительно весят более 1 тонны, однако далеко не каждый тяжёлый компьютер достоин чести считаться суперкомпьютером. В общем случае, суперкомпьютер -- это компьютер значительно более мощный, чем доступные для большинства пользователей машины. При этом скорость технического прогресса сегодня такова, что нынешний лидер легко может стать завтрашним аутсайдером.

Архитектура также не может считаться признаком принадлежности к классу суперкомпьютеров. Ранние компьютеры CDC были обычными машинами, всего лишь оснащёнными быстрыми для своего времени скалярными процессорами, скорость работы которых была в несколько десятков раз выше, чем у компьютеров, предлагаемых другими компаниями.

Большинство суперкомпьютеров 70-х оснащались векторными процессорами, а к началу и середине 80-х небольшое число (от 4 до 16) параллельно работающих векторных процессоров практически стало стандартным суперкомпьютерным решением. Конец 80-х и начало 90-х годов охарактеризовались сменой магистрального направления развития суперкомпьютеров от векторно-конвейерной обработки к большому и сверхбольшому числу параллельно соединённых скалярных процессоров.

Массово-параллельные системы стали объединять в себе сотни и даже тысячи отдельных процессорных элементов, причём ими могли служить не только специально разработанные, но и общеизвестные и доступные в свободной продаже процессоры. Большинство массивно-параллельных компьютеров создавалось на основе мощных процессоров с архитектурой RISC, наподобие PowerPC или PA-RISC.

В конце 90-х годов высокая стоимость специализированных суперкомпьютерных решений и нарастающая потребность разных слоёв общества в доступных вычислительных ресурсах привели к широкому распространению компьютерных кластеров. Эти системы характеризует использование отдельных узлов на основе дешёвых и широко доступных компьютерных комплектующих для серверов и персональных компьютеров и объединённых при помощи мощных коммуникационных систем и специализированных программно-аппаратных решений. Несмотря на кажущуюся простоту, кластеры довольно быстро заняли достаточно большой сегмент суперкомпьютерного рынка, обеспечивая высочайшую производительность при минимальной стоимости решений.

В настоящее время суперкомпьютерами принято называть компьютеры с огромной вычислительной мощностью. Такие машины используются для работы с приложениями, требующими наиболее интенсивных вычислений (например, прогнозирование погодно-климатических условий, моделирование ядерных испытаний), что в том числе отличает их от серверов и мэйнфреймов -- компьютеров с высокой общей производительностью, призванных решать типовые задачи (например, обслуживание больших баз данных или одновременная работа с множеством пользователей). [1]

1.2 Развитие суперкомпьютеров

суперкомпьютер флопс серверный

Первым отечественным суперкомпьютером является БЭСМ-6, выпущенный в 1967 году под руководством, инженера Сергея Алексеевича Лебедева. Данная машина 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 русского налога. БЭСМ-6 не был единственным советским суперкомпьютером. 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. Супер скалярная 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. Но, перестройка, раскол Советского Союза и последовавшие за ним события крайне негативно отразились на отечественной суперкомпьютерной промышленности. Последним компьютером отечественных инженеров-электронщиков можно считать появившийся в 1990-х процессор Elbrus 2000, который так и не смог выйти на рынок: сначала помешал кризис, а затем, команду "Эльбруса" купила корпорация Intel. На данный момент все существующие в России суперкомпьютеры либо зарубежного производства, либо основаны на зарубежных комплектующих и технологиях. После кризиса, 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 почти что десяти тысяч процессоров Pentium II, тех самых, которых можно было спокойно найти в любом персональном компьютере 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.

Через некоторое время 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, мягко говоря, шокируют: почти 100 Тб оперативной памяти, около 20 000 процессоров. Всё это работает под управлением Linux-систем RedHat и Fedora, причём тех же самых версий, что устанавливаются на домашние компьютеры.

Однако Roadrunner не является самым быстрым суперкомпьютером на сегодняшний день. [4]

1.3 Применение суперкомпьютеров

Сегодня в суперкомпьютерной отрасли мы наблюдаем феномен, чем-то похожий на приход персонального компьютера 25 лет назад на смену компьютерам, располагавшимся в научно-исследовательских лабораториях и недоступным простым людям. Ключевым словом в этом процессе является «персональный», т.е. предназначенный для индивидуального использований. Подобные персональные супер вычислители стали доступны для широкой аудитории, открыв огромные возможности для профессионального и даже бытового использования. Архитектура современных суперкомпьютеров достигла такого уровня эффективности, что из одних и тех же материалов можно построить компьютер национального метеоцентра или использовать базовый элемент для реализации идей электронного искусства. [3]

Оказывается, существует целый ряд жизненно важных проблем, которые просто невозможно решать без использования суперкомпьютерных технологий.

К примеру, по территории в США, два раза в год проходят разрушительные торнадо. Они сметают на своем пути города, опустащают гигантские пространства. Борьба с торнадо - существенная часть американского бюджета. 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. 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, 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, плохо совместимые задачи: глобальный расчет, где шаг очень большой, и локальный, где шаг очень маленький. Сделать это можно, но лишь собрав 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 действительности. 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 хлорофлюорокарбон. 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. [2]

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.

Совершенствование методов численного моделирования происходило одновременно с совершенствованием вычислительных машин: чем сложнее были задачи, тем выше были требования к создаваемым компьютерам; чем быстрее были компьютеры, 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: численный прогноз погоды, вычислительная биология и медицина, вычислительная химия, вычислительная гидродинамика, вычислительная лингвистика и прочие, -- где достижения информатики сливались с достижениями прикладной науки. [1]

В военной промышленности с помощью суперкомпьютеров разрабатывают новые тактические и стратегические позиции. Суперкомпьютеры помогают осуществлять различные исследования по повышению эффективности готовой боевой техники и по ее модернизации. Также с помощью них разрабатываются новейшие виды оружия и средства защиты.

Исследование ядерных процессов, моделирование цепной реакции и ядерного взрыва дают ученым богатый материал для исследования этих удивительных, но опасных явлений.

Изучение молекулярной структуры белка помогает сделать немало важных и ценных для человечества открытий, определить причины и механизмы генетически обусловленных заболеваний. Такая работа под силу только суперкомпьютерам.

Виртуальные модели кровеносной системы человека исследуются врачами и биологами для того, чтобы получить эффективные способы борьбы с заболеваниями сердца и сосудов.

Но эти мощные вычислительные машины нужны не только для проведения серьезных научных исследований, результаты которых принесут человечеству плоды только в будущем. Прикладное применение суперкомпьютеров можно обнаружить во многих сферах нашей жизни.

Современные медицинские исследования, новейшие разработки и научные открытия стали возможны именно благодаря суперкомпьютерам, которые позволяют проводить своевременную диагностику, с большим процентом вероятности прогнозировать ход болезни и реакцию организма на лечение. Суперкомпьютеры позволяют моделировать процессы, происходящие в жизненно важных органах для того, чтобы понять основной принцип их работы и эффективно бороться с патологиями.

В биологии суперкомпьютеры используются для изучения процессов, которые происходят на клеточном уровне. Это дает большие возможности для серьезнейших научных открытий, способных изменить современную науку.

В медицине и биологии суперкомпьютеры больше нужны именно для исследовательской работы, некоторые крупные клиники могут позволить себе использовать такие машины и для решения прикладных задач: диагностики и лечения.

Помощь суперкомпьютеров нужна не только для фиксирования данных на борту космических станций и обеспечения эффективности работы этих грандиозных сооружений.

Эта мощнейшая техника позволяет проектировать новые орбитальные и межпланетные станции, выстраивать данные оптимальной траектории движения станций, изучать процессы, которые влияют на геомагнитный фон Земли, отслеживать и предугадывать всплески солнечной активности и выявлять их закономерности.

При разработке новых моделей космических станций и искусственных спутников, суперкомпьютеры проводят серьезную работу по моделированию и прогнозированию всех возможных ситуаций, обеспечивая, таким образом, безопасность полета.

С помощью суперкомпьютеров стало возможно очень точно предсказывать погоду. Цифровая обработка данных, полученных на метеорологических станциях, производится в кратчайшие сроки, что дает шанс заглянуть в будущее и предупредить людей о возможных погодных неприятностях. Эта работа суперкомпьютеров тесно связана с прогнозами стихийных бедствий, которые способны спасти жизнь многих людей.

Благодаря суперкомпьютерам наша жизнь становится более комфортабельной и безопасной, так как именно эти машины помогают разрабатывать новые модели автомобилей и самолетов.

Исследование аэродинамических свойств, устойчивости, маневренности, способы сочетать эти качества в оптимальной пропорции могут только суперкомпьютеры.

Суперкомпьютеры имеют большое влияние на жизнь современного человека, но мало, кто об этом задумывается. Сидя в новом автомобиле и слушая по радио прогнозы погоды, отправляясь в поездку с GPRS навигатором, покупая билет на самолет к теплому морю, просматривая по телевизору 500 цифровых каналов, включая чайник, электроэнергия для которого была получена в недрах атомного реактора, люди почти не замечают, что пользуются результатами работы сложнейших суперкомпьютеров.

Фундаментальные научные или инженерные задачи с широкой областью применения, эффективное решение которых возможно только с использованием мощных (суперкомпьютерных) вычислительных ресурсов.

Вот лишь некоторые области, где используются суперкомпьютеры:

· Предсказания погоды, климата и глобальных изменений в атмосфере.

· Науки о материалах.

· Построение полупроводниковых приборов.

· Сверхпроводимость.

· Структурная биология.

· Разработка фармацевтических препаратов.

· Генетика человека.

· Квантовая хромо динамика.

· Астрономия.

· Транспортные задачи.

· Гидро- и газодинамика.

· Управляемый термоядерный синтез.

· Эффективность систем сгорания топлива.

· Разведка нефти и газа.

· Вычислительные задачи наук о мировом океане.

· Распознавание и синтез речи.

· Распознавание изображений [6]

Суперкомпьютеры - это национальное достояние, и их разработка и производство, должны быть одним из приоритетов государственной технической политики стран, которые являются мировыми лидерами в области техники и науки.

США и Япония являются практически единственными странами, разрабатывающими и производящими суперкомпьютеры в больших масштабах. Свои суперкомпьютеры были созданы в Индии и Китае.

Положение с разработками суперкомпьютеров в России, оставляет желать лучшего. Работы над отечественными суперкомпьютерами в последние годы велись сразу в нескольких организациях. Что касается отечественных суперкомпьютеров, то без необходимой государственной поддержки проектов по их разработке не приходится рассчитывать на создание промышленных образцов в ближайшие 1-2 года, и вряд ли такие компьютеры смогут составить основу парка супер-эвм в создающихся сегодня отечественных суперкомпьютерных центрах. [5]

2. Рейтинг суперкомпьютеров

2.1 Десять мощных суперкомпьютеров мира

Рейтинг TOP500 впервые был опубликован в июне 1993 года. Цель проекта -- сравнение быстродействия самых мощных суперкомпьютеров в мире и демонстрация роста их производительности со временем. Участие в списке добровольное и требует исполнения теста Linpack, который определяет, насколько быстро компьютер может решать большие системы линейных уравнений. Рейтинг составляется специалистами Манниверситета Теннессигеймского университета (Германия), Университета Теннесси (США) и Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (США). [9]

Два раза в год специалисты из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Университета Теннесси публикуют рейтинг, в котором предлагают список самых производительных суперкомпьютеров мира.[7]

TOP500 -- проект по составлению рейтинга и описаний 500 самых мощных общественно известных вычислительных систем мира. Проект был запущен в 1993 году и публикует актуальный перечень суперкомпьютеров дважды в год (в июне и ноябре). Этот проект направлен на обеспечение надёжной основы для выявления и отслеживания тенденций в области высокопроизводительных вычислений. [8]

В качестве ключевого критерия в этом рейтинге используется характеристика, которая уже давно считается одной из наиболее объективных в оценке мощности суперкомпьютеров - флопс, или число операций с плавающей точкой в секунду.

Производительность представителей первого десятка топа измеряется десятками квадриллионов флопс. Для сравнения: ЭНИАК, первый компьютер в истории, обладал мощностью в 500 флопс; сейчас средний персональный компьютер имеет мощность в сотни гигафлопс (миллиардов флопс), iPhone 6 обладает производительностью приблизительно в 172 гигафлопса, а игровая приставка PS4 - в 1,84 терафлопса (триллиона флопс).

В данной курсовой работе представлены 10 самых мощных суперкомпьютеров мира.

На десятом месте находится Cray CS-Storm, местоположение: США, производительность: 3,57 петафлопс, теоретический максимум производительности: 6,13 петафлопс, мощность: 1,4 МВт. Как и практически все современные суперкомпьютеры, CS-Storm состоит из множества процессоров, объединенных в единую вычислительную сеть по принципу массово-параллельной архитектуры. В реальности эта система представляет собой множество стоек («шкафов») с электроникой (узлами, состоящими из многоядерных процессоров), которые образуют целые коридоры. Cray CS-Storm - это целая серия суперкомпьютерных кластеров, однако один из них все же выделяется на фоне остальных

На сайте производителя, впрочем, сказано, что кластеры CS-Storm подходят для высокопроизводительных вычислений в области кибербезопасности, геопространственной разведки, распознавания образов, обработки сейсмических данных, рендеринга и машинного обучения.

На девятом месте Vulcan - Blue Gene/Q. Местоположение: США. Производительность: 4,29 петафлопс. Теоретический максимум производительности: 5,03 петафлопс. Мощность: 1,9 МВт. «Вулкан» разработан американской компанией IBM, относится к семейству Blue Gene и находится в Ливерморской национальной лаборатории имени Э. Лоуренса. Принадлежащий Министерству энергетики США суперкомпьютер состоит из 24 стоек. Функционировать кластер начал в 2013 году.

В отличие уже упомянутого CS-Storm, сфера применения «Вулкана» хорошо известна - это различные научные исследования, в том числе в области энергетики, вроде моделирования природных явлений и анализа большого количества данных.

Различные научные группы и компании могут получить доступ к суперкомпьютеру по заявке, которую нужно отправить в центр инноваций в области высокопроизводительных вычислений, базирующийся в той же Ливерморской национальной лаборатории.

На 8 месте Juqueen - Blue Gene/Q. Местоположение: Германия. Производительность: 5 петафлопс. Теоретический максимум производительности: 5,87 петафлопс. Мощность: 2,3 МВт.

С момента запуска в 2012 году Juqueen является вторым по мощности суперкомпьютером в Европе и первым - в Германии. Как и «Вулкан», этот суперкомпьютерный кластер разработан компанией IBM в рамках проекта Blue Gene, причем относится к тому же поколению.

Находится суперкомпьютер в одном из крупнейших исследовательских центров Европы в Юлихе. Используется соответственно - для высокопроизводительных вычислений в различных научных исследованиях.

На 7 месте находится 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.

На 6 месте находится. Piz Daint - Cray XC30. Местоположение: Швейцария. Производительность: 6,27 петафлопс. Теоретический максимум производительности: 7,78 петафлопс. Мощность: 2,3 МВт. Швейцарский национальный суперкомпьютерный центр (CSCS) может похвастаться мощнейшим суперкомпьютером в Европе. Piz Daint, названный так в честь альпийской горы, был разработан компанией Cray, в рамках которого является наиболее производительным. Piz Daint применяется для различных исследовательских целей вроде компьютерного моделирования в области физики высоких энергий.

На 5 месте находится. Mira - Blue Gene/Q. Местоположение: США. Производительность: 8,56 петафлопс. Теоретический максимум производительности: 10,06 петафлопс. Мощность: 3,9 МВт. Суперкомпьютер был разработан компанией IBM в рамках проекта Blue Gene в 2012 году. Отделение высокопроизводительных вычислений Аргонской национальной лаборатории, в котором располагается кластер, было создано при помощи государственного финансирования. Считается, что рост интереса к суперкомпьютерным технологиям со стороны Вашингтона в конце 2000-х и начале 2010-х годов объясняется соперничеством в этой области с Китаем. Расположенный на 48 стойках Mira используется в научных целях. К примеру, суперкомпьютер применяется для климатического и сейсмического моделирования, что позволяет получать более точные данные по предсказанию землетрясений и изменений климата.

На 4 месте находится. K Computer. Местоположение: Япония. Производительность: 10,51 петафлопс. Теоретический максимум производительности: 11,28 петафлопс. Мощность: 12,6 МВт. Разработанный компанией Fujitsu и расположенный в Институте физико-химических исследований в городе Кобе K Сomputer является единственным японским суперкомпьютером, присутствующим в первой десятке Top-500. В свое время (июнь 2011) этот кластер занял в рейтинге первую позицию, на один год став самым производительным компьютером в мире. А в ноябре 2011 года K Computer стал первым в истории, которому удалось достичь мощности выше 10 петафлопс. Суперкомпьютер используется в ряде исследовательских задач. К примеру, для прогнозирования природных бедствий (что актуально для Японии из-за повышенной сейсмической активности региона и высокой уязвимости страны в случае цунами) и компьютерного моделирования в области медицины.

На 3 месте находится Sequoia - Blue Gene/Q. Местоположение: США. Производительность: 17,17 петафлопс. Теоретический максимум производительности: 20,13 петафлопс. Мощность: 7,8 МВт. Мощнейший из четверки суперкомпьютеров семейства Blue Gene/Q, попавших в первую десятку рейтинга, расположен в США в Ливерморской национальной лаборатории. IBM разработали Sequoia для национальной администрации ядерной безопасности, которой требовался высокопроизводительный компьютер для вполне конкретной цели - моделирования ядерных взрывов. Стоит упомянуть, что реальные ядерные испытания запрещены еще с 1963 года, и компьютерная симуляция является одним из наиболее приемлемых вариантов для продолжения исследований в этой области. Однако мощности суперкомпьютера использовались для решения и других, куда более благородных задач. К примеру, кластеру удалось поставить рекорды производительности в космологическом моделировании, а также при создании электрофизиологической модели человеческого сердца.

На 2 месте находится 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.

На первом месте находится Tianhe-2 / Млечный путь-2. Местоположение: Китай. Производительность: 33,86 петафлопс. Теоретический максимум производительности: 54,9 петафлопс. Мощность: 17,6 МВт. С момента своего первого запуска «Млечный-путь-2», вот уже около двух лет является лидером рейтинга. Этот монстр почти в два раза превосходит по производительности №2 в рейтинге - суперкомпьютер TITAN. Разработанный Оборонным научно-техническим университетом Народно-освободительной армии КНР и компанией Inspur «Млечный-путь-2» состоит из 16 тысяч узлов с общим количеством ядер в 3,12 миллиона. Оперативная память всей это колоссальной конструкции, занимающей 720 квадратных метров, составляет 1,4 петабайт, а запоминающего устройства - 12,4 петабайт. «Млечный путь-2» был сконструирован по инициативе китайского правительства, поэтому нет ничего удивительного в том, что его беспрецедентная мощь служит, судя по всему, нуждам государства. Официально было заявлено, что суперкомпьютер занимается различными моделированиями, анализом огромного количества данных, а также обеспечением государственной безопасности Китая. Учитывая секретность, свойственную военным проектам КНР, остается лишь догадываться, какое именно применение время от времени получает «Млечный путь-2» в руках китайской армии.

2.2 Перспектива развития суперкомпьютеров

За последние несколько десятилетий компьютеры эволюционировали от странной конструкции из лент и перфокарт в технологическое чудо невероятной силы.

В законе Мура говорится о том, что количество транзисторов в микросхемах удваивается каждые два года. Этот закон, более полувека сохранявший справедливость своих утверждений, с подвиг человечество к потрясающим технологическим и социальным изменениям.

Девайс, который вы держите в руках обладает большей мощностью, чем наиболее продвинутые суперкомпьютеры начала 90-х. Но это еще не самое удивительное. Вот несколько любопытных фактов:

· Современный GPS-навигатор работает на частоте 500 МГц. Это приблизительно в 244 раза быстрее, чем частота работы компьютера системы наведения космического корабля Аполлон, который стартовал на Луну в 1966 году. Тогда он работал на частоте 2,048 МГц.

· Sony PlayStation 4 обладает 1,84 терафлопсами вычислительной мощности. Это в 150 раз больше мощности шахматного суперкомпьютера Deep Blue, выпущенного компанией IBM в 1997 году.

· В 1993 году самым мощным суперкомпьютером считался Connection Machine, мощность которого равнялась 131 гигафлопс. Сегодня же рекорд по скорости удерживает китайский компьютер Tianhe-2, обладающий мощностью 54,9 петафлопс, что в 419 000 раз больше.

· Чтобы работать с мощностью в 1 петафлопс компьютер должен совершать 1 000 000 000 000 (1 триллион) вычислений в секунду. Для сравнения можно сказать, что это в два раза больше количества звезд в Млечном Пути.

· iPhone 4 оснащен процессором, который в 4 раза мощнее процессора, установленного на марсоходе Curiosity.

· Максимальная производительность китайского суперкомпьютера Tianhe-2 составляет 54,9 петафлопс. Это почти в два раза выше производительности самого быстрого американского суперкомпьютера Titan.

· Чтобы имитировать мощность работы самого быстрого суперкомпьютера Европы Super MUC, которая равняется 3 петафлопсам, понадобится одновременно работать на 110 000 обычных пользовательских компьютерах.

· Японский K computer потребляет электричества на $10 000 000 в год. Столько же электричества в год потребляют 10 000 среднестатистических домов.

· Аудиочип, вставленный в музыкальную поздравительную открытку, обладает большей компьютерной мощностью, чем все союзные войска во время Второй Мировой Войны.

· Если бы iPad 2 выпустили в 1988 году, то он был бы самым мощным компьютером в мире и оставался бы в первой пятерке лидеров вплоть до 1994 года.

В течение десятилетий ученые, инженеры и программисты, опираясь на опыт своих предшественников, преодолевали барьеры вычислительных мощностей и представляли миру новые и новые технологические чудеса.

Интересно понаблюдать, как развивалась мощность компьютеров с течением времени. Чтобы наглядно продемонстрировать скорость компьютера, приравняем единицу измерения быстродействия компьютера (DMIPS -- Dhrystone Million instructions Per Second) к скорости 1 миля/час. В 1951 году самым мощным компьютером был UNIVAC, обладавший мощностью 0,002 DMIPS. Если перевести это в мили, то именно с такой скоростью передвигается улитка.В 1964 году компьютер CDC 6600 работал с мощностью 3 DMIPS. Скорость 3 мили в час равна скорости ходьбы человека.В 1993 году компьютер Pentium разогнался до 188 DMIPS, что равняется максимальной скорости автомобиля Porsche 911. В 1999 году появился Pentium III, мощность которого составляла 2054 DMIPS и равнялась максимально допустимой скорости полета истребителя-перехватчика Lockheed YF-12. В 2000 году выпустили Pentium 4 Extreme Edition, который обладал мощностью уже в 9,726 DMIPS. Со скоростью, приблизительно равной 9726 миль/час, летают баллистические ракеты PGM-19. В 2005 году первенство взял на себя Xbox 360 Xenon CPU, который обладал невероятной мощностью, равной 19 200 DMIPS, что превышает скорость приближающегося к Земле космического шаттла. Ну а в 2011 году появился самый мощный Intel Core i7 Extreme Edition, мощность которого составляет 177 730 DMIPS. Такую скорость можно лишь теоретически соизмерить со скоростью космического корабля на ионном двигателе. Это сложно представить, но если измерить мощность современного суперкомпьютера в тех же милях, то она уже будет равняться скорости света.

Мощности растут, цены падают. Несколько десятилетий назад никто не мог подумать, что подобная производительность будет доступна каждому. Однако теперь это стало реальностью, и любой человек может по сравнительно невысокой стоимости приобрести мощное программное обеспечение или же скачать на свое мобильное устройство абсолютно бесплатное приложение.

Вот несколько любопытных фактов:

· В 1990 году программа для обработки видео стоила $2 000 000, сейчас же мы можем абсолютно бесплатно загрузить на свой смартфон или планшет целый ряд приложений для обработки видео.

· Для того, чтобы в 1985 году купить суперкомпьютер Cray 2 мощностью 1,9 гигафлопс, вам пришлось бы заплатить $17 000 000. В 2013 году iPhone 5 с 27 гигафлопсами стоил $300.

· Фотоаппарат Nikon D1 с разрешением матрицы в 2,7 мегапикселей в 1999 году стоил немыслимых $5580. Сейчас за $400 мы можем купить не просто фотоаппарат, а целый телефон Samsung Galaxy X3, камера которого вмещает 8 мегапикселей.

· За телеграмму из Нью-Йорка в Чикаго размером в 140 символов вам придется отдать $7. В то же время вы можете бесплатно скачать Twitter и написать там те же 140 символов, которые будут доступны всему миру.

· Чтобы записать 350 часов музыки, потребуется 1500 12-дюймовых виниловых пластинок или всего лишь 1 iPod с 32 гигабайтами памяти.

· За $3200 в 1956 году можно было взять напрокат на 1 месяц IBM 350 и хранить на нем 3,75 мегабайт информации. В наше время можно абсолютно бесплатно пользоваться Google Drive, который вмещает в себя до 15 гигабайт информации, что, между прочим, в 4 000 раз больше.

Производительность увеличивается день за днем, и наши потомки будут способны создавать все более и более мощное моделирование. Возможно, им даже удастся создать искусственную цифровую вселенную, наполненную жизнью. Как только численность искусственных «людей» в ней превысит численность живых, можно будет с уверенностью заявлять, что мы находимся в виртуальной реальности. Интересно что принесет нам будущее. Ведет ли закон Мура к технологической уникальности? Именно сейчас, когда нам открыты грандиозные возможности и границы почти стерты, мы стоим на пороге абсолютно новой технологической эры. [10]

Заключение

В курсовой работе были изучены суперкомпьютеры и проанализированы технологий в области суперкомпьютерных систем. Было рассмотрено, что такое суперкомпьютер, развитие и применение суперкомпьютеров, показан рейтинг суперкомпьютеров и перспективы их развития. Бурное развитие суперкомпьютеров стало откликом на потребность человечества в машинах, моделирующих процессы в реальном времени и выполняющих ряд других сложных задач. Суперкомпьютеры всегда являлись воплощением новейших научно-технических достижений и задавали темп и тенденции развития других видов машин.

В современном мире суперкомпьютерные технологии стали стратегической областью. И без нее неосуществимо дальнейшее развитие экономики. Мощность национальных суперкомпьютеров сейчас так же важна, как мощность электростанций или количество боеголовок. Суперкомпьютер стал показателем технического уровня государства. [5]

Использование суперкомпьютеров сложнее, чем персональных: нужны дополнительные знания и технологии, высококвалифицированные специалисты, более сложная информационная инфраструктура. Написание эффективной программы становится намного сложнее - это центральная проблема суперкомпьютерных вычислений. Но без суперкомпьютеров сегодня не обойтись, и отрадно, что в нашей стране есть понимание необходимости развития этих технологий. Так, в ноябре прошлого года в президиуме Российской академии наук состоялось открытие межведомственного суперкомпьютерного центра. В процессе становления суперкомпьютерные центры в Дубне, Черноголовке, Институте прикладной математики РАН им. М.В. Келдыша, Институте математического моделирования РАН, Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова. [2]

Литература

1. В.В. Воеводина, Г.И. Савина, В.А. Садовничего. Суперкомпьютерные технологии в науке, образовании и промышленности - М.: Издательство Московского университета, 2013.-232 с.: ил.

2. Н.В. Макарова. Информатика: учебник. 3-е перераб. изд.-М.: Финансы и статистика, 2012.-768с.

3. С.А. Орлов, Цилькер Б.Я. Организация ЭВМ и систем : Учебник для вузов, 2-е изд. - СПб.: Питер, 2011.- 688 с.

4.Шворин А.Б, Абрамов С.М., Дбар С.А., Климов А.В., Климов Ю.А., Лацис А.О., Московский А.А., Орлов А.Ю. Разработка методов поддержки различных моделей параллельных вычислений и систем гибридного программирования на суперкомпьютерах с ПЛИС // Результаты целевых ориентированных фундаментальных исследований и их использование в российской промышленности // Материалы ежегодной научной конференции. -- Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2013. -- С. 49-59.

5. http://www.nkj.ru/archive/articles/7365

6. http://ti-sys.tradition.ru/articles/174/7553

7. https://parallel.ru/research/challenges.html

8. http://book.kbsu.ru/theory/chapter3/1_3_10.html

9. https://www.bytemag.ru/articles/detail.php?ID=8504

10. http://www.botik.ru/PSI/disk_20/psi/rcms/press/2001/radiosvoboda1.html

11. http://rsusu1.rnd.runnet.ru/tutor/method/m1/page03.html

12. http://www.computer-museum.ru/histussr/super_comp_vect.htm

Размещено на Allbest.ru