Supertietokone

Supertietokone on erään määritelmän mukaan tietokone, joka valmistuessaan on tehokkaimpien tietokoneiden joukossa.

Supertietokoneiden käyttökohde on suurteholaskennassa ().

Supertietokoneen laskentateho ilmoitetaan flopseina (), joka kertoo kuinka monta liukulukuoperaatiota tietokone suorittaa sekunnissa. Yleensä supertietokoneelle ilmoitetaan teoreettinen laskentateho (Rpeak) ja korkein testiohjelmistolla käytännössä saavutettu laskentateho (Rmax). Esimerkiksi Suomessa CSC:n supertietokoneen teoreettinen laskentateho on noin 2,2 teraflopsia ja korkein käytännössä saatu laskentateho noin 1,2 teraflopsia.

Suuren laskentatehon saavuttamiseksi ei välttämättä tarvita kallista erikoisvalmisteista supertietokonetta, vaan useista tavallisista kuluttajien saatavilla olevista tietokoneista voidaan koota klusteri. Esimerkiksi marraskuussa 2004 maailman seitsemänneksi tehokkain supertietokone oli 1 100:sta Applen Xserve-palvelimesta koottu System X -klusteri. Tarkoitukseen kehitetty supertietokone kuten Earth Simulator voi olla moninkertaisesti nopeampi kuin klusterointitekniikka käyttävä.

Supertietokoneen nopeus ei riipu pelkästään suoritintehosta tai suoritinytimien määrästä. Koska supertietokoneessa on yleensä satoja tai tuhansia suorittimia, niiden keskinäisen kommunikaation nopeus (kytkentäverkon nopeus) muodostuu helposti pullonkaulaksi. Kommunikaatioväylätekniikkaa on useita, joista yleensä käytetään yhteistä nimitystä Remote DMA.

Historia

Ensimmäiset varsinaiset supertietokoneet tulivat markkinoille 1960-luvulla. Ensimmäisiä olivat IBM 7030 ja Manchesterin yliopiston Atlas. Ensimmäisenä kaupallisena supertietokoneena pidetään Control Data Corporationin (CDC) CDC 6600 -tietokonetta, jota varten termi supertietokone on syntynyt.

Monet tunnetuista supertietokoneista 1960-luvulla olivat Seymour Crayn Control Data Corporation (CDC) -yrityksessä suunnittelemia. CDC johti supertietokonemarkkinoita aina 1970-luvulle, kunnes Cray lähti yrityksestä ja perusti oman yrityksensä, Cray Researchin. Cray valtasi supertietokonemarkkinat uudenlaisilla ratkaisuillaan pitäen kärkisijaa hallussaan 25 vuotta (1965–1990).

1980-luvulla ilmaantui suuri määrä pienempiä kilpailijoita, kuten minitietokoneidenkin kohdalla vuosikymmentä aikaisemmin, mutta monet näistä katosivat 1990-luvun puolivälin ”supertietokoneiden markkinaromahduksessa”. 2010-luvulla supertietokoneet ovat tyypillisesti yksilöllisiä tilaustöitä, jotka ovat perinteisten tietotekniikkayritysten valmistamia, kuten esimerkiksi IBM:n ja HP:n. Kyseiset yritykset ostivat useita 1980-luvun yrityksiä hankkiakseen itselleen kokemusta supertietokoneista. Cray Inc. on edelleen erikoistunut supertietokoneiden valmistukseen.

Vuonna 2004 maailman tehokkain supertietokone oli yhdysvaltalainen IBM Blue Gene/L, joka ohitti Earth Simulatorin noin 70 teraflopsin suorituskyvyllä. BlueGene piti superkoneiden ykkössijaa kunnes vuonna 2008 IBM Roadrunner -supertietokone ohitti sen laskentanopeudessa ensimmäisenä petaflopsin suorituskykyyn yltäneenä.
Marraskuussa 2010 kiinalainen supertietokone Tianhe-1 oli maailman tehokkain noin 2,5 petaflopsin tehollaan. Ennätyksen rikkoi kesäkuussa 2011 japanilainen K computer 10,51 petaflopsilla ja kesäkuussa 2012 IBM Sequoia 16,32 petaflopsilla.

Vuonna 2016 TOP500-listan ykkössijalla oli kiinalainen Sunway TaihuLight (93 PFLOPS). Marraskuussa 2018 ykkössijalla oli Summit (200 PFLOPS). Kesäkuussa 2020 ykköspaikan otti Fugaku (415,5 PFLOPS). Toukokuussa 2022 nopeimmaksi nousi ensimmäinen eksaluokan supertietokone Frontier. Ensimmäinen eksaluokan supertietokone Euroopassa tunnetaan koodinimellä "Jupiter" ja se asennetaan Saksaan vuonna 2024. Jupiterin budjetti on 500 miljoonaa euroa kuuden vuoden ajalle, joka on vastaavalla tasolla kuin Frontierin.

Suomessa vuonna 2021 Kajaaniin nousee LUMI-tietokone EU:n ja kymmenen EU-maan yhteisprojektina. Sen lasketatehoksi on ilmoitettu 552 petaflopsia. Tietokone nousi TOP500-listan kolmanneksi ja Euroopan nopeimmaksi toukokuussa 2022.

Eräät supertietokoneet käyttävät GPGPU-teknologiaa laskentakapasiteetin lisäämiseen. Esimerkiksi Oak Ridgen Titan.

Perinteisen simulaatiokäytön ja tieteellisen laskennan lisäksi supertietokoneita käytetään syväoppimisessa ja neuroverkkojen koulutuksessa. Cerebrasin Andromeda sisältää suuren määrän suoritinytimiä, mutta siinä käytetyt ytimet eivät pysty suurteholaskennassa vaadittuun kaksoistarkkuuteen liukulukulaskennassa.

Supertietokoneiden merkityksestä 
Supertietokoneet mahdollistavat uusia asioita. Aikaisemmin liian pitkän aikaa vieneet ongelmat voidaan ratkaista kohtuullisessa ajassa.

Supertietokoneet ovat olleet vientikieltojen merkittäviä kohteita, sillä niissä on uuteen teknologiaan, valtaan ja voimaan, kuten sodankäyntiin liittyviä ominaisuuksia.

Valtioiden supertietokonekeskukset ovat edellä mainituista syistä olleet vuoden 1991 Persianlahden sodasta lähtien informaatiosodankäynnin maaleja. Suomessakin merkittävä supertietokoneiden käyttö, sään laskeminen lienee selvimpiä sotilaallisesti merkittäviä asioita.

Supertietokoneita käytetään muun muassa
 vaativimman, eli laskennallisesti kompleksisen tieteen ja teknologian tutkimukseen
 lääkkeiden vaikutuksen simulointiin soluissa ja ihmisessä
 salakirjoituksen murtamiseen
 yhä tarkemman tai pidemmän aikavälin sään ennustamiseen
 vaativimpaan tekniseen suunnitteluun, kuten häivelentokoneiden ominaisuuksien optimointiin
 ydinräjähdysten simulointiin. Tämä viimeisin kapasiteetti mahdollistaa uuden tyyppisten ydinaseiden rakentamisen ilman ydinkokeita.

Supertietokoneet ovat myös yleisesti yhä tärkeämmän asian, kompleksisuuden hallinnan välineitä.

Laitevalmistajat ja mallit 

Tunnettuja valmistajia ovat mm. Cray, Fujitsu, IBM.

Toisinaan supertietokoneet voivat olla yksittäistapauksia tietyn tilaajan tai käyttötarkoituksen mukaan.

Käyttöjärjestelmät 
Vuonna 2013 Linux dominoi supertietokoneissa yli 95% osuudella.

Syksyn 2017 supertietokoneiden TOP500-listalla jokainen kone käytti Linuxia. Tätä aiemmalla listalla oli vielä mukana kaksi IBM AIXia käyttävää konetta.

Kuvia

Katso myös 
 mallintaminen

Lähteet

Aiheesta muualla 

 http://www.top500.org/ – 500 tehokkaimman tietokoneen vuosittainen lista

Seulonnan keskeiset artikkelit