Тема доклада: Суперкомпьютеры.
Автор: Сцепуро Кристина Игоревна, гр.442 об-3.
Научный руководитель: Карпова Т.В.
Целью создания доклада является представление технологий в области суперкомпьютерных систем и способов связи с существующими областями науки и промышленности, нуждающимися в высокопроизводительных вычислениях и моделировании.
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, что и привело к появлению суперкомпьютеров.
Суперкомпьютеры - это современные вычислительные машины с высокой мощностью и скоростью обработки данных. Во всем мире суперкомпьютеры играют исключительно важную, стратегическую роль. Суперкомпьютеры не только во многом определяют развитие вычислительной техники. Прежде всего, они играют важную роль в обеспечении национальной безопасности и экономической независимости любого государства. Поэтому правильная стратегия в области суперкомпьютерных и микропроцессорных систем - это не просто один из элементов технической политики отдельных фирм, а важнейший аспект государственной деятельности.
Развитие вычислительных систем с наивысшей производительностью тесно связано с новейшими технологическими достижениями, в первую очередь в области микроэлектроники. Предполагает оно и решение энергетических проблем, задач оптимальной компоновки и межсоединений. В суперкомпьютерах стремятся объединить максимально возможное с технологической точки зрения число логических схем и элементов памяти. Для работы на высокой частоте эти схемы должны быть объединены в предельно компактной конструкции, чтобы сократить потери сигналов в межсоединениях. Стоит отметить, что развитие микроэлектроники, в первую очередь микропроцессоров, было бы невозможно без того задела в архитектуре и в методах повышения производительности, который накоплен при разработке суперкомпьютеров.
СуперЭВМ считают очень быстро благодаря не только использованию самой современной элементной базы, но и новым решениям в архитектуре систем. Основное место здесь занимает принцип параллельной обработки данных, воплощающий идею одновременного (параллельного) выполнения нескольких действий. Параллельная обработка имеет две разновидности: конвейерность и собственно параллельность. Суть конвейерной обработки заключается в том, чтобы выделить отдельные этапы выполнения общей операции, причем каждый этап, выполнив свою работу, передает результат следующему, одновременно принимая новую порцию входных данных. Очевидный выигрыш в скорости обработки получается за счет совмещения прежде разнесенных во времени операций.
Сама система компьютера состоит из трех компонентов - счетного устройства, блока памяти и вторичной системы хранения информации. Большое значение имеет пропускная способность каналов, которая связывает их друг с другом и с терминалами потребителей. Производительность суперкомпьютеров чаще всего оценивается и выражается в количестве операций с плавающей точкой в секунду (FLOPS).
Суперкомпьютер - это компьютер, способный производить сотни миллиардов операций за 1 с. Суперкомпьютеры могут быть как микроскопически малы, так и занимать несколько комнат или даже этажей, все зависит от функций и задач, которые будет решать электронная техника.
.png)
В качестве примера рассмотрим одну из мощных ЭВМ--систему Intel ASCI RED, построенную по заказу Министерства энергетики США. Чтобы представить себе возможности этого суперкомпьютера, достаточно сказать, что человеку потребовалось бы 100000 лет, чтобы даже с калькулятором выполнить все те операции, которые этот компьютер делает всего за 1 секунду! Возникает естественный вопрос: какие задачи настолько важны, что требуются компьютеры такой большой мощности и скорости, да и стоимостью в несколько миллионов долларов? Оказывается, существует целый ряд жизненно важных проблем, которые просто невозможно решать без использования суперкомпьютерных технологий.
Поначалу суперкомпьютеры применялись почти исключительно для оборонных задач: расчеты 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" расчетах, создавая новые научные дисциплины, как то численный прогноз погоды, вычислительная биология и медицина, вычислительная химия, вычислительная гидродинамика, вычислительная лингвистика. Сегодня без них также не обойтись в сейсморазведке, нефте- и газодобывающей промышленности,
автомобилестроении, проектировании электронных устройств, 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.
Суперкомпьютеры являются сегодня незаменимым вспомогательным средством в почти всех исследовательских областях. Однако существующие на сегодняшний день концепции не возможно безгранично исчерпывать без несоразмерного увеличения расходов и затрат энергии. Суперкомпьютеры, несомненно, очень мощная и высокопроизводительная вычислительная техника. Но как повысить эффективность обеспечения этой вычислительной мощности? Как значительно увеличить пропускную способность вычислительных центров? И как добиться радикального уменьшения энергопотребления и снижения затрат? Прогресс не стоит на месте, а значит эти вопросы имеют место быть.
Для данной цели на сегодняшний момент нашли свое применение ускорители. Даже самые скромные инвестиции в ускорители могут значительно увеличить пропускную способность вычислительных центров, обеспечивая максимальную эффективность суперкомпьютерных систем и гипермасштабируемых дата-центров. Решить проблему потери энергии нагрева вычислительной машины может использование обратимых логических операций, которые проходят без потери информации, а также применение сверхпроводящих материалов.
Учёные НИИЯФ и физического факультета МГУ разработали для логических элементов суперкомпьютера новую микросхему биСКВИД из сверхпроводящего материала, электрическое сопротивление которого равно нулю. Наименование «биСКВИД» произошло от английской аббревиатуры «СКВИД» (от английского SQUID - Superconducting Quantum Interference Device) - сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство, обладающее уникальной чувствительностью к магнитному полю. Приставка «би» в названии отражает объединение функций двух СКВИДов в одной схеме.
Известно, что высокое энергопотребление современных суперкомпьютеров является сложной проблемой на пути их дальнейшего развития. В дальнейшем, чтобы запустить машину, превосходящую современные аналоги, потребуется подвести к ней гигаватты электрической мощности. Это сравнимо с показателями работы блока современной АЭС, а потому запредельно дорого.
Процессы, протекающие во всех современных компьютерах, отличаются необратимостью. Это означает, что часть информации в процессе вычислений теряется. Данная потеря информации сопровождается потерей энергии и увеличением температуры вычислительной машины. Использование полупроводниковых материалов, обладающих электрическим сопротивлением, также приводит к тому, что вычисления сопровождаются потерей энергии и разогревом ЭВМ. Для работы компьютера необходимо не только компенсировать потерю энергии, но и охлаждать микросхемы до рабочей температуры. Естественным выходом может стать использование обратимых логических операций, которые проходят без потери информации, и создание микросхем компьютера с использованием сверхпроводящих материалов, электрическое сопротивление которых равно нулю.
Новая сверхпроводниковая обратимая схема для логических элементов суперкомпьютера биСКВИД. J1, J2 - джозефсоновские контакты, J3 (голубым цветом) - джозефсоновский контакт с ферромагнетиком
Использование ферромагнетиков в сверхпроводниковых обратимых схемах позволяет значительно упростить их конструкцию, уменьшить размер и обеспечить адиабатическое протекание процесса обработки информации. Осталось учёным проверить своё изобретение экспериментально. Возможно, что данная разработка позволит уменьшить энергопотребление суперкомпьютеров на 6 порядков.
Ниже приведен вид постоянной составляющей профиля потенциала новой обратимой схемы биСКВИДа с джозефсоновским контактом с ферромагнетиком. Использование ферромагнетика обеспечивает существование эквипотенциальных траекторий эволюции системы в процессе передачи информации (показанных серыми стрелками), минимизирующих энерговыделение.
На данный момент существует топ-500 самых мощных суперкомпьютеров мира, но мы рассмотрим первые 3:
1) китайский суперкомпьютер Tianhe-2. Он был построен еще в 2013 году Оборонным научно-техническим университетом КНР в Гуанчжоу. Китайский суперкомпьютер Tianhe-2, состоит из 260 тысяч двенадцатиядерных процессоров Intel Xeon E5-2692 и 48 тысяч ускорителей Intel Xeon Phi 31S1P, опережает лучший американский Titan почти в два раза. Суперкомпьютер достиг результата в более чем 33,8 Пфлопс.
2) американский Titan, созданный при участии компаний Cray и Nvidia. Он находится в Национальной лаборатории Оук-Ридж в штате Теннесси, которая принадлежит министерству энергетики США. В секунду Titan может выполнять 17,59 квадриллиона операций с плавающей точкой, что эквивалентно производительности в 17,59 петафлопс. Он создан на архитектуре гибридного типа: в каждый узел суперкомпьютера входят 16-ядерный процессор AMD Opteron и графический ускоритель Nvidia Tesla K20X. Использование графических процессоров позволяет снизить энергопотребление системы.
Titan используют для проектирования энергоэффективных двигателей для транспортных средств, моделирования последствий изменения климата и для изучения биотоплива.
3) Sequoia -- 17,173 петафлопс. Sequoia -- проект суперкомпьютера петафлопсной производительности, основанный на архитектуре Blue Gene/Q. Разработан компанией IBM для Национальной администрации по ядерной безопасности. Целью разработчиков стало достижение 20-петафлопсного рубежа в производительности. Sequoia может решать задачи для нужд астрономии, энергетики, изучения человеческого генома и изменения климата.
Россию на данный момент представляют семь суперкомпьютеров. Из них только два входят в первую сотню лучших -- Ломоносов и Ломоносов-2, производства компании Т-Платформа. Они заняли 36 и 94 место. В настоящее время он содержит 6654 вычислительных узла, более 94000 процессорных ядер, обладает пиковой производительностью 1,37 Пфлоп/с. «Ломоносов», второй по мощности российский суперкомпьютер, уступающий только «Ломоносов-2», установлен в МГУ.
Заключение: Сегодня в суперкомпьютерном мире наблюдается новая волна, вызванная как успехами в области микропроцессорных технологий, так и появлением нового круга задач, выходящих за рамки традиционных научно-исследовательских лабораторий. Развитие аппаратных и программных средств сверхвысокой производительности позволило освоить промышленный выпуск суперкомпьютеров, 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. К 2025 году планируется создание суперкомпьютера, производительность которого составит 1 эксафлопс, который будет способен в один миг осуществить прогноз погоды на всей планете Земля на неделю вперёд. Всё идёт к тому, что вскоре будет создан искусственный интеллект.
