Tarakilishikuu

Tarakilishikuu (pia kompyutasupa, supercomputer) ni tarakilishi inayoshughulikia kiwango kikubwa kabisa cha hesabu za sayansi.

Inahifadhiwa katika chumba chenye mfumo poza maalum ambao unaunganisha uyoyozwaji hewa na kimiminiko poza.

Tarakilishikuu za miaka ya 1970 zilitumia prosesa chache. Katika miaka ya 1990 zikatokea mashine zitumiazo maelfu ya prosesa. Hadi mwishoni mwa karne ya 20 Tarakilishikuu zitumiazo makumi elfu ya prosesa zikawa ni kawaida. Tarakilishi za karne ya 21 zinaweza kutumia prosesa zaidi ya 100,000 (baadhi zikitumia vizio vyenye kuonesha kwa picha) zikiunganishwa na miungo kasi.

Hadi mwezi Juni wa mwaka 2013, Tarakilishikuu iitwayo Tianhe-2 ya Uchina, ndiyo yenye kasi kubwa zaidi duniani kwa 33.86 petaFLOPS (FLoating Point Operations Per Second).

Tarakilishikuu iitwayo Blue Gene/P iliyopo Maabara ya Kitaifa ya Argone inaendesha zaidi ya prosesa 250,000, ikitumia uyoyozwaji hewa wa kawaida wa kituo cha data, ina makundi 72 ya makabati yanayounganishwa na mtandao nuru wa kasi kubwa.

Mifumo ya Tarakilishi zitumiazo jumla kubwa ya prosesa kwa kawaida zinatumia moja ya njia mbili: Njia mojawapo (kwa mfano, kwenye ukokotozi msambao) idadi kubwa ya Tarakilishi peke (kwa mfano,  Tarakilishi mpakato [laptop]) zinasambazwa kwenye mtandao (kwa mfano, intaneti) na kutenga kiasi au muda wote kutatua tatizo fulani kwa pamoja; kila Tarakilishi inapokea na kukamilisha kazi nyingi ndogo ndogo, na kutoa ripoti ya matokeo kwa Tarakilishikuu ambayo inaunganisha matokeo ya kazi kutoka Tarakilishi zote kuwa utatuzi wa jumla.

Katika njia nyingine, idadi kubwa ya prosesa zilizoteuliwa zinawekwa kwa ujirani mkubwa kabisa (kwa mfano, kwenye Konga tarakilishi); hii inaokoa muda mwingi kuhamisha data kuzunguka pande zote na inafanya urahisi kwa prosesa kufanya kazi pamoja (kuliko katika kazi zilizotenganishwa), kwa mfano katika usanifumuundo Wavu na Hayipakyubu.

Matumizi ya prosesa zenye-kokwa-nyingi ikiunganishwa na uwekaji-chini-ya-makao-makuu ni mwelekeo unaoibuka; mtu anaweza kufikiria hiki kitu kama konga dogo (prosesa zenye-kokwa-nyingi katika smatifoni, tableti, tarakilishi mpakato na kadhalika) ambalo kwa pamoja linategemea na kuchangia kwenye kundi.

Tarakilishikuu inachukua nafasi muhimu katika sayansi ya mkokotoo, na zinatumika kwa mapana kwenye kazi makini za mkokotoo katika nyanja mbalimbali, ikiwa ni pamoja na makanika ya kwanta, utabiri wa hali ya hewa, tafiti za tabia nchi, chunguzi za mafuta na gesi, fanyizo za molekuli (ukokotozi wa maumbile na tabia za michanganyiko ya kemikali, makromolekuli za biolojia, polima, na fuwele), na uigaji wa Asili (kama vile uigaji wa nyakati za mwanzo za ulimwengu, erodainamiki za ndege na vyombo vya anga, ulipuaji wa silaha za nyuklia, na mchanganyiko wa nyuklia).

Pote pote katika historia ya Tarakilishikuu, zimekuwa muhimu katika nyanja ya kukabili Elimu ya mficho.

Kipimo cha utendaji wa Tarakilishikuu
Kwa ujumla Tarakilishikuu imelenga katika upeo wa ukokotozi uwezo kuliko ukokotozi ujazo.

Ukokotozi uwezo hasa unafikiriwa kwamba ni kutumia uwezo wa mwisho wa ukokotozi kutatua tatizo moja kubwa katika kiwango kifupi cha muda.

Mara nyingi mfumo uwezo unaweza kutatua tatizo lenye ukubwa au ugumu ambao hakuna Tarakilishi nyingine inayoweza. Kwa mfano, matumizi magumu sana ya uigaji hali ya hewa.

Kwa kupingana na hili, ukokotozi ujazo moja kwa moja unafikirika kutumia nguvu ya Tarakilishi yenye athari madhubuti za gharama kwa ajili ya kutatua kiwango kidogo cha matatizo makubwa au kiwango kikubwa cha matatizo madogomadogo. Kwa mfano, maombi ya watumiaji wengi kwenye databezi au nywila. Miundo ya mashine zitumikazo kusaidia watumiaji wengi kama utaratibu wa kazi za kila siku zinaweza kuwa na ukubwa mwingi lakini hazifikiriwi moja kwa moja kama Tarakilishikuu, ikichukuliwa kwamba hazitatui tatizo moja kubwa na gumu sana.

Kwa ujumla, kasi za Tarakilishikuu zinapimwa na kuwekwa alama teule kwa FLOPS (Floating Point Operations Per Second), na si kwa mbadala wa MIPS; ni kwamba, hii ni “Instructions per second” kama inavyohusika na Tarakilishi za madhumuni-ya-jumla. Vipimo hivi kwa kawaida vinatumika kwa pamoja na viambishi awali vya SI kama vile Tera-, ikiunganishwa katika kifupisho “TFLOPS” (1012 FLOPS, inatamkwa teraflops), au peta-, ikiunganishwa kwenye kifupisho “PFLOPS” (1015 FLOPS, inatamkwa petaflops). Kwa “Kipimopeta” Tarakilishikuu zinaweza kuchakata kwadrilioni moja (milioni kwa kipawa cha nne (Uingereza) au milioni kwa kipawa cha tano (Marekani)) (1015) (1000 trilioni) FLOPS. “Kipimoexa” ni kuwa ukokotozi tendaji upo kwenye nafasi ya exaflops. Exaflop ni kwintilioni moja (1018) FLOPS (teraflops milioni moja).

Si namba moja inayoweza kutoa picha ya utendaji mzima wa mifumo ya Tarakilishi, hata hivyo lengo la alama teule ya Linpark ni kukadiria ni kwa kasi ipi Tarakilishi inaweza kutatua matatizo ya namba na hii inatumika kwa mapana zaidi katika tasinia. Vipimo vya FLOPS ni eidha vimedondolewa kulingana na nadharia ya utendaji wa kiwango mbadiliko cha prosesa (kizalishwacho kutoka ainisho la mtengenezaji wa prosesa na kuonyeshwa kama “Rpeak”  katika orodha ya TOP500) ambacho kiujumla hakipatikani wakati wa kufanya kazi halisi, au uelewa patikanifu, uzalishwao kutokana na alama teule za LINPARK na kuonyeshwa kama “Rmax” katika orodha ya TOP500. Alama teule za LINPARK hasa hasa zinatekeleza changanuzi za LU ya solo kubwa. Utendaji wa LINPARK unatoa ishara kiasi ya utendaji kwa baadhi ya matatizo ya dunia halisi, lakini si lazima ifananie na masharti ya utendaji kazi ya Tarakilishikuu nyingi nyinginezo, ambapo kwa mfano zinaweza kuhitaji zaidi kiwango kikubwa cha uwezo wa vizio vya kutunzia kumbukumbu, au zinaweza kuhitaji utendaji bora wa ukokotozi wa namba kamili, au zinaweza kutaka utendaji wa juu wa mifumo ya I/O ili kupata viwango vya juu vya utendaji.

Orodha ya TOP500

Tangu mwaka 1993, Tarakilishikuu zenye kasi kubwa zimekuwa zikiwekewa safu katika orodha iitwayo TOP500.

Orodha hii inaonyesha Tarakilishikuu yenye kasi iliyopo katika muda wowote unaotakiwa.

Orodha ya TOP500 inaonyesha Tarakilishikuu yenye kasi iliyopo ni ile ambayo nchi nyingi duniani kote zinashiriki kuitumia.

Mradi wa TOP500 unaweka safu na maelezo ya mifumo ya Tarakilishi 500 zenye nguvu zaidi duniani.

Mradi ulianzishwa mwaka 1993 na unachapisha orodha iliyokuwa ya kisasa ya Tarakilishikuu mara mbili kwa mwaka.

Orodha ya kwanza ya kisasa mara zote inatukia na Mkutano wa Kimataifa wa Ukokotozimkuu mwezi Juni. Na ya pili huwakilishwa mwezi Novemba katika Mkutano wa Ukokotozimkuu wa ACM/IEEE. Mradi huu umelenga kutoa msingi wa kutumainiwa wa ufuatiliaji na ugunduaji mielekeo ya ukokotozi wa kasi ya juu na kuweka safu katika misingi ya HPL. Ni utekelezaji unaowezekanika wa utendaji wa hali ya juu wa alama teule ya LINPARK ulioandikwa kwenye fortran ya Tarakilishi za distributed-memory.

Orodha ya TOP500 inakusanywa na Jack Dongara wa Chuo kikuu cha Tennessee, knoxville, Erich Strohmaier na Horst Simon wa Maabara ya Kitaifa ya NERSC/Lawrence Berkeley (na, kutoka 1993 mpaka kifo chake mwaka 2014, Hans Meuer wa Chuo kikuu cha Mannheim, Ujerumani.)

Ifuatayo ni orodha ya hivi karibuni ya Tarakilishi ambayo inapatikana juu kabisa ya orodha ya TOP500, na “kasi ya juu” inapatikana kama makadirio ya “Rmax”

Historia ya Tarakilishikuu
Historia ya ukokotozi mkubwa sana inarudi nyuma hadi miaka ya 1960 wakati mfululizo wa Tarakilishi katika Control Data Corporation (CDC) ulibuniwa na Seymour Cray kutumia ubunifu vumbuzi na usambamba ili kufanikisha kufikia kilele cha ukokotoaji bora.

Tarakilishi CDC6600 iliyoachiwa mwaka 1964 inafikirika kuwa ndiyo Tarakilishikuu ya kwanza.

Cray alihama CDC mwaka 1972 na kwenda kuunda kampuni yake. Miaka minne baadaye, aliwasilisha Tarakilishi iitwayo Cray-1 iliyokua na kasi ya 80Mhz mwaka 1976, na ikawa moja ya Tarakilishikuu yenye mafanikio sana katika historia ya Tarakilishi.

Tarakilishi Cray-2 iliachiwa mwaka 1985 ambayo ilikua ni tarakilishi ya prosesa 8 yenye kutumia kimiminiko poza na mfumo poza wa maji yanayosukumwa kwa nguvu ya shinikizo kupoza vihunzi huru vyake wakati ikitumika.

Cray-2 ilifanya kazi kwa kasi ya 1.9gigaflops ikawa Tarakilishi yenye kasi kubwa duniani hadi mwaka 1990.

Wakati Tarakilishikuu za miaka ya 1980 zikitumia prosesa chache tu, miaka ya 1990, mashine zilizotumia maelfu ya prosesa zikaanza kuonekana kote Marekani na Japani, na kuweka rekodi mpya za utendaji wa mkokotoo.

Tarakilishikuu iitwayo Numerical Wind Tunnel kutoka kampuni ya Fujitsu ilitumia prosesa za Vekta 166 na kujiweka nafasi ya juu mwaka 1994 kwa kasi ya juu ya 1.7gigaflops kwa prosesa.

Intel Paragon inawezekana ilikuwa na prosesa za Intel i860 kuanzia 1000 hadi 4000 katika umbo mbalimbali, na kutambulika kuwa ndiyo na kasi zaidi duniani mwaka 1993. Paragon ilikuwa ni mashine ya MIMD ambayo inaunganisha prosesa kupitia wavu wa vimbe mbili wenye kasi kubwa, ulioruhusu kazi zifanyike katika chomozo tofauti, kwa kuwasiliana kupitia Kipengee cha Upitishaji Jumbe.

SR2201 ilipata utendaji wa juu wa 600 megaflops mwaka 1996 kwa kutumia prosesa 2048 zilizounganishwa kupitia mtandao wa mwamba wa vimbe tatu wenye kasi.

Matumizi ya nishati na mbinu za kudhibiti joto kwa Tarakilishikuu
Tarakilishikuu hasa inatumia kiwango kikubwa cha nguvu ya umeme, na takribani kiwango chote hiki kinageuzwa kuwa joto, inahitaji upoozaji. Kwa mfano Tianhe-1A inatumia megawati 4.04 za umeme.

Gharama za kuwasha na kupoza mashine zinaweza kuwa kubwa, kwa mfano megawati 4, katika bei ya dola 0.10 kwa kilowati, ni jumla ya dola 400 kwa saa au dola milioni 3.5 kwa mwaka.

Mbinu za udhibiti joto ni suala kubwa kwenye vifaa vya elektroniki vyenye sehemu nyingi, na linaathiri mifumo ya Tarakilishi yenye nguvu sana kwa namna tofautitofauti. Nguvu ya Mpango wa Joto na Mtapanyo wa Nguvu ya CPU vilitoa kwa ukokotozi-mkubwasana kuzipita zile mbinu za kizamani za upoozeshaji Tarakilishi.

Uwekaji wa maelfu ya prosesa pamoja bila kuzuilika unazalisha kiwango kikubwa cha msongamano wa joto ambao unatakiwa ushughulikiwe. Cray-2 ilipoozwa kwa kimiminiko poza na mfumo poza wa maji yanayosukumwa kwa nguvu ya shinikizo kupoza vihunzi huru vyake wakati ikitumika. Hata hivyo njia hii ya upoozeshaji kwa kutumia kimiminiko haikua sahihi kiutendaji kwa mifumo ya kabati-nyingi zitumiazo prosesa zisizo-kwenye-rafu, na katika System X, mfumo maalum wa upoozeshaji unaohusisha uyoyozwaji hewa na kimiminiko poza ulianzishwa kwa mwungano na kampuni ya Liebert.

Katika mfumo wa Blue Gene, IBM kwa makusudi kabisa walitumia prosesa za nguvu ya chini ili kushughulikia msongamano wa joto. Kwa upande mwingine, Power775 kutoka IBM, iliyoachiwa mwaka 2011, ina elementi zilizowekwa karibu sana ambazo zinahitaji upoozeshaji wa kutumia maji. Mfumo wa Aquasar kutoka IBM kwa upande mwingine unatumia upoozeshaji wa kutumia maji moto ili kufanikisha ufanisi wa nishati. Maji yanatumiwa pia kupasha majengo.

Ufanisi wa nishati wa mifumo ya Tarakilishi kiujumla unapimwa kimbadala na “FLOPS kugawanya kwa wati”. Mwaka 2008, Roadrunner kutoka IBM ilifanya kazi kwa 376 MFLOPS/wati. Mwezi Novemba mwaka 2010, Blue Gene/Q ilifikia 1684 MFLOPS/wati. Mwezi Juni wa 2011, sehemu 2 za juu kwenye orodha ya Green500 zilishikwa na mashine za Blue Gene, za New York (kila moja ikifikia 2097 MFLOPS/wati), ambapo konga DEGIMA ya Nagasaki ikichukua nafasi ya tatu ikiwa na 1375 MFLOPS/wati.

Matumizi ya Tarakilishikuu
Hatua za matumizi ya Tarakilishikuu zinaweza kuwekwa kwa kifupi katika jedwali lifuatalo:

Tarakilishi Blue Gene/P ya IBM imekua ikitumika kuigiza seli neva bandia katika ulinganifu wa makadirio ya asilimia moja ya tabaka la nje ya ubongo wa binadamu.

Utabiri wa hali ya hewa wa kisasa pia unategemea Tarakilishikuu. Idara ya Taifa ya Usimamiaji maswala ya Bahari na Hewa wanatumia Tarakilishikuu kuchakacha mamia ya mamilioni ya chunguzi kusaidia kufanya tabiri za hali ya hewa ziwe sahihi zaidi.

Mwaka 2011, changamoto na magumu katika kusukuma mgubiko wa matumizi ya Tarakilishikuu viliwekewa msisitizo na kampuni ya IBM kutelekeza mradi wake wa Tarakilishi Blue Waters ya kipimopeta.

Viungo vya nje
 A Tunable, Software-based DRAM Error Detection and Correction Library for HPC
 Detection and Correction of Silent Data Corruption for Large-Scale High-Performance Computing

Kompyuta
Teknolojia