РЕФЕРАТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ОБРАЗОВАНИИ» на тему: «Суперкомпьютеры и их применение»

Оглавление

1. Введение………………………………………………………. 2

2. Первые суперкомпьютеры…………………………………… 5

3. Суперкомпьютеры в России…………………………………. 9

4. Применение суперкомпьютеров……………………………………. 14

5. Заключение ………………………………………………………….. 16

6. Используемая литература…………………………………………… 18

1. Введение

Суперкомпьютерами - это самые быстрые компьютеры. Их основное отличие от высокопроизводительных отказоустойчивых серверов заключается в том, что все ресурсы такого компьютера обычно направлены решить одну или в крайнем случае несколько задач насколько возможно быстро, тогда как мэйнфреймы, выполняют довольно большое число задач. Компьютерная индустрия развивается стремительно и то, что можно было назвать суперкомпьютером 10 лет назад, сегодня под это понятие не подходит. Существует еще шутливое определение суперкомпьютера - это устройство, сводящее проблему вычислений к проблеме ввода-вывода, нем есть доля истины: часто единственным узким местом в быстродействующей системе остаются именно устройства ввода-вывода. С момента появления первых компьютеров главной задачей разработчиков, была производительность вычислительной системы. Компьютерная индустрия развивается стремительно, появляются все более насыщенное и усложненное программное обеспечение, растет число пользователей и расширяются сферы применения вычислительных систем. Что же такое суперкомпьютеры, и зачем они нужны?

Суперкомпьютер – это вычислительная система, которая позволяет производить сложные расчеты за минимальные промежутки времени. Именно об этом и говорит приставка «Супер» («Super» в переводе с английского означает: сверх, над). Любая компьютерная система состоит из трех основных компонентов — центрального процессора (счетного устройства), блока памяти и вторичной системы хранения информации (диски, ленты). Значение имеют технические параметры каждого из этих элементов, и пропускная способность каналов, которые связывают их друг с другом и с терминалами потребителей. Одно из правил «research» гласит: «Быстродействие всей системы не превышает скорости самой медленнодействующей ее части». Важным показателем производительности компьютера является степень его быстродействия. Она измеряется флопсами (в переводе с английского - 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. Суперкомпьютеры 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 (одновременного выполнения нескольких действий). Параллельная обработка имеет две разновидности: конвейерность и параллельность. Конвейерная обработка заключается в том, чтобы выделить отдельные этапы выполнения общей операции, 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. Если некое устройство выполняет одну операцию за единицу времени, то тысячу операций оно выполнит за тысячу единиц. Если имеется пять таких же независимых устройств, способных работать одновременно, то ту же тысячу операций система из пяти устройств может выполнить уже не за тысячу, а за двести единиц времени. Параллелизмом в архитектуре компьютеров не удивишь. Все современные микропроцессоры используют тот или иной вид параллельной обработки даже в рамках одного кристалла. Вместе с тем сами эти идеи появились очень давно. Изначально они внедрялись в самых передовых компьютерах своего времени. Здесь особая заслуга принадлежит компаниям IBM и Control Data Corporation (CDC). Речь идет о таких нововведениях, как разрядно-параллельная память, разрядно-параллельная арифметика, независимые процессоры ввода-вывода, конвейер команд, конвейерные независимые функциональные устройства и т. д.

Для чего же нужны суперкомпьютеры? Человеческого знания опираются на два камня — теория и опыт. Теперь ученые сталкиваются с проблемой того, что многие испытания на практике невозможными из-за своих масштабов, или очень дорогие, или опасности для здоровья и жизни людей. Тут приходят на помощь мощные компьютеры. Так как они позволяют экспериментировать с электронными моделями реальной действительности

Раньше создатели суперкомпьютеров стремились обеспечить максимальную производительность. Специальные процессоры, дорогостоящая быстрая память, нестандартное периферийное оборудование — все это обходилось заказчикам в круглую сумму. Купить суперкомпьютеры могли либо предприятия ВПК, либо крупные университеты. Они делали это за государственный счет. 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. Первые суперкомпьютеры

Изобретателем суперкомпьютера является американский инженер С.Крей. В 1972 году он открыл свою фирму под названием «Крей Ресерч Инкорпорейтед». Она занималась разработкой самых высокоскоростных компьютеров в мире. Изобретением стали мультипроцессорные компьютеры, способные осуществлять одновременную обработку данных. В 1976 году был выпущен первый суперкомпьютер под названием «Крей-1», который мог осуществлять 240 млн. вычислений в одну секунду. Он применялся для научных исследований, таких, например, как моделирование сложных физических явлений. Работая с ограниченным в то время набором приложений, эта система показала высокие результаты по сравнению с обычными системами, что заслуженно получила название “суперкомпьютер” и определяла развитие всей индустрии высокопроизводительных вычислений еще долгое время. За последние 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 были не однократны. Исследуя его производительность стало необходим 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 название, нужно было иметь производительность в10 мегафлоп (миллионов операций с плавающей запятой в секунду). Вначале 90-х была преодолена отметка 200 мегафлоп, затем 1 гигафлоп.

На сегодняшний день существует список 500 мощнейших компьютеров мира - Top500. Лидером списка остается корпорация IBM (http://www.ibm.com), которой принадлежит 32% установленных систем и 37% от общей производительности. Интересной новостью стало появление Hewlett-Packard на втором месте по количеству систем (30%). При этом, поскольку все эти системы относительно невелики, то их суммарная производительность составляет всего 15% от всего списка. Ожидается, что после слияния с Compaq обновленная компания займет доминирующее положение в этом списке. Далее по количеству компьютеров в списке идут SGI, Cray и Sun Microsystems.

Самым мощным суперкомпьютером мира оставалась по-прежнему система ASCI White установленная в Ливерморской лаборатории (США) и показавшая производительность 7,2 Тфлопс на тесте LINPACK (58% от пиковой производительности). На втором месте стояла система Compaq AlphaServer SC, установленная в Питтсбургском суперкомпьютерном центре с производительностью в 4 Тфлопс. Замыкает список система Cray T3E с производительностью на LINPACK в 94 Гфлопс.

Отметим, что список включал уже 16 систем с производительностью более 1 Тфлопс, половина из которых установлены IBM. Стабильно увеличивается число систем, представляющих собой кластеры из небольших SMP-блоков, - сейчас в списке уже 43 такие системы. Однако большинство в списке по-прежнему за массивно-параллельными системами (50%), за которыми идут кластеры, состоящие из больших SMP-систем (29%).

Типы архитектур

Основной параметр классификации параллельных компьютеров - наличие общей или распределенной памяти. Это что то среднее между архитектурой, где память физически распределена, но логически общедоступна. С аппаратной точки зрения для реализации параллельных систем напрашиваются две основные схемы. Первая - несколько отдельных систем, с локальной памятью и процессорами, взаимодействующих в какой-либо среде посредством посылки сообщений. Вторая - системы, взаимодействующие через разделяемую память. Не вдаваясь пока в технические детали, скажем несколько слов о типах архитектур современных суперкомпьютеров.

Первая десятка Top500

| | | | | | | |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| Позиция | Производитель | Компьютер | Где установлен | Страна | Год | Число процес-соров |
| 1 | IBM | ASCI White | Ливерморская национальная лаборатория | США | 2000 | 8192 |
| 2 | Compaq | AlphaServer SC | Питтсбургский суперкомпью-терный центр | США | 2001 | 3024 |
| 3 | IBM | SP Power3 | Институт исследований в области энергетики NERSC | США | 2001 | 3328 |
| 4 | Intel | ASCI Red | Национальная лаборатория Sandia | США | 1999 | 9632 |
| 5 | IBM | ASCI Blue Pacific | Ливерморская национальная лаборатория | США | 1999 | 5808 |
| 6 | Compaq | AlphaServer SC | Лос-Аламосская национальная лаборатория | США | 2001 | 1536 |
| 7 | Hitachi | SR8000/MPP | Токийский университет | Япония | 2001 | 1152 |
| 8 | SGI | ASCI Blue Mountain | Лос-Аламосская национальная лаборатория | США | 1998 | 6144 |
| 9 | IBM | SP Power3 | Океанографи-ческий центр NAVOCEANO | США | 2000 | 1336 |
| 10 | IBM | SP Power3 | Немецкая служба погоды | Германия | 2001 | 1280 |

3. Суперкомпьютеры в России

Первым русским суперкомпьютером является БЭСМ-6, выпущенный в 1967 году под руководством инженера Сергея Алексеевича Лебедева. Эта машина, по формальной производительности сравниваемая с CDC 6600, на самом деле намного превосходила своего импортного конкурента. В этом компьютере было заложено так много новых решений, что её производство продолжалось на протяжении двадцати лет! Попытка американских инженеров создать что-либо похожее, тем более усовершенствование 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 он умер и не увидел результаты своих трудов. Работы над первым компьютером серии "Эльбрус" завершились в 1979 году, 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.

На мировой рынок высокопроизводительных вычислений (HPC) все активнее включается 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. Кроме того, компании Intel и IBM сообщили о том, что компания Paradigm, ведущий поставщик технологий для обработки геолого-геофизических данных и проектирования бурения для нефтегазовой отрасли, модернизировала свой расположенный в Москве центр обработки сейсмических данных, установив серверный кластер IBM из 34 двухпроцессорных серверов на базе процессоров Intel Xeon. Новая система ускорила работу ресурсоемких вычислительных приложений Paradigm за счет применения кластерных технологий на базе ОС Linux. Новые возможности проведения более точных расчетов увеличат конкурентоспособность российских нефтяных компаний на мировом рынке.

В июне 2004 г. представители компании «Т-Платформы», Института программных систем (ИПС) РАН и корпорации «Intel» объявили о создании четырех узлового кластера T-Bridge8i на базе процессоров «Intel Itanium 2» и технологии «Infini Band», а также рассказали о перспективах использования данного решения в рамках программы «СКИФ». Кластер «T-Bridge8i» стал первой в России системой на основе процессоров «Intel Itanium 2», двухпроцессорные узлы которой выполнены в конструктиве высотой 1U. Объединив в «T-Bridge8i» передовые достижения в области 64-разрядной процессорной архитектуры и кластерных коммуникаций, инженеры «Т-Платформы» построили уникальное по концентрации вычислительной мощности решение, обладающее широкими возможностями для масштабирования. Этот кластер предназначен для решения задач, требующих максимальной производительности вычислений с плавающей точкой, и может эффективно использоваться в различных отраслях промышленности и для научных расчетов. В рамках программы «СКИФ» T-Bridge8i будет применяться с целью адаптации для архитектуры «Intel Itanium» программного обеспечения, разработанного в рамках программы, а также для исследований в области GRID-технологий.

2005 год был насыщенным на события в области суперкомпьютерных технологий. В России были завершены два крупных проекта, на очереди — еще один.

Одной из них стала установка суперкомпьютера «МВС-15000BM» отечественной разработки в Межведомственном Суперкомпьютерном Центре РАН (МСЦ), вторая - установка на НПО «Сатурн» кластера «IBM eServer Cluster 1350», включающего 64 двухпроцессорных сервера «IBM eServer xSeries 336». Последний является крупнейшей в России супер-ЭВМ используемой в промышленности и четвертым в совокупном рейтинге суперкомпьютеров на территории СНГ. НПО «Сатурн» собирается использовать его в проектировании авиационных газотурбинных двигателей для самолетов гражданской авиации. На очереди — еще один крупный проект суперкомпьютера для Росгидромета, тендер на строительство которого выиграл системный интегратор «i-Teco».

В более мелком секторе суперкомпьютеры используются для моделирования нефтяных скважин, краш-тестов, сложных аэродинамических и гидродинамических расчетов. Основными заказчиками выступают автомобильная, судостроительная, авиационная и нефтегазовая промышленности. По мнению экспертов, совокупный объем рынка больших вычислительных систем в России составляет $100-150 млн., причем не последнее место принадлежит отечественным разработчикам. В год устанавливается 3-4суперкомпьютера с производительностью, близкой к 1 Терафлоп.

На сегодняшний день крупнейшими российскими 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 для научных расчетов.

В ныншнее время одним из разработчиков ПО для МВС является фирма «Inter Progma», работающая в Черноголовке в рамках уже существующего ИТ-парка. Компания в тесном сотрудничестве с ИПХФРАН ведет разработку базового программного обеспечения для крупномасштабного моделирования на суперкомпьютерных системах, т.е.программного обеспечения, позволяющего упростить и автоматизировать процесс распараллеливания и специального инженерного программного обеспечения для моделирования различных высокоэнергетических процессов в химической, атомной и аэрокосмической промышленности. Так, пакет IP-3D предназначен для численного моделирования газодинамических процессов в условиях экстремально высоких температур и давлений, невоспроизводимых в лабораторных условиях. Опыт работы на MBC1000M показали очень хороший масштаб и высокую скорость вычисления данного пакета.

Проект СКИФ финансировался бюджетом России и Белоруссии по союзной программы на паритетных началах. В настоящее время российско-белорусская программа СКИФ, объемом $10млн., уже завершена, и в ходе ее реализации были созданы суперкомпьютеры СКИФК-500 и СКИФ К-1000. Стоимость СКИФ К-1000 - $1,7 млн., что несколько ниже стоимости иностранного аналога ($4 млн.). На сегодня, основным пользователем данной разработки является белорусская сторона. СКИФ К-1000, установлен в Объединенном институте проблем информатики НАН Белоруссии, и уже сейчас используется не только учеными, но и крупнейшими предприятиями –экспортерами :МАЗом, БелАЗом, Белорусским тракторным заводом, Заводом карданных валов. Такое успешное внедрение суперкомпьютерных технологий в реальный сектор во многом объясняется тем, что доступ белорусских предприятий к СКИФу координируется государством и оплачивается из бюджета, поскольку сами предприятия находятся в государственной собственности.

В нашей стране 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, предназначенного для промышленного сектора, 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 промышленный сектор России и за ее пределы будет способствовать рост отечественных компаний, способных конкурировать в данной сфере с транснациональными корпорациями. Такой компанией уже является «Т-Платформы», которая выступала в роли главного исполнителя СКИФ. Наряду с государственными и академическими структурами, клиентами компании являются «Комстар Объединенные Телесистемы», «Rambler», компания «HeadHunter.ru», «Саровские Лаборатории». «Т-Платформы» были признаны лучшей компанией VI Венчурной Ярмарки в октябре 2005 года в Санкт-Петербурге.

4. Применение суперкомпьютеров

Где может применяться столь дорогостоящая техника? Можно ли говорить, что с ростом производительности настольных персональных компьютеров и рабочих станций, а также серверов, сама потребность в суперЭВМ будет снижаться. Нет, это совсем не так. С одной стороны, целый ряд приложений может теперь успешно выполняться на рабочих станциях, но с другой стороны, время показало, что устойчивой тенденцией является появление все новых приложений, для которых необходимо использовать суперЭВМ.

Наиболее частой сферой применения суперкомпьютеров являются научные исследования, такие как: 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 химия (включая расчеты электронной структуры для целей конструирования новых материалов, например, катализаторов и сверхпроводников), молекулярная динамика, химическая кинетика, теория поверхностных явлений и химия твердого тела, конструирование лекарств. Можно сказать, что ряд областей применения находится является интеграцией наук, например, химии и биологии, и перекрывается с техническими приложениями. Так, задачи метеорологии, изучение атмосферных явлений и задача долгосрочного прогноза погоды, для решения которой постоянно не хватает мощностей современных суперЭВМ, тесно связаны с решением ряда перечисленных выше проблем физики. Технические проблемы, для решения которых используются суперкомпьютеры, это: аэрокосмическая и автомобильная промышленность, ядерная энергетика, предсказания и разработки месторождений полезных ископаемых, нефтедобывающая и газовая промышленность (в том числе проблемы эффективной эксплуатации месторождений, особенно трехмерные задачи их исследования), и конструирование новых микропроцессоров и компьютеров, в первую очередь самих суперЭВМ.

Суперкомпьютеры так же применяются для военных целей. Кроме очевидных задач разработки оружия массового уничтожения и конструирования самолетов и ракет, можно упомянуть о конструировании бесшумных подводных лодок и др. Самый знаменитый пример — это американская программа СОИ. MPP-компьютер Министерства энергетики США будет применяться для моделирования ядерного оружия, что позволит вообще отменить ядерные испытания в этой стране.

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. Налицо быстрый прогресс в производительности микропроцессоров RISC-архитектуры, которая растет заметно быстрее, чем производительность векторных процессоров. Например, микропроцессор «HP РА-8000» отстает от «Cray T90» всего примерно в два раза. В результате в ближайшее время вероятно дальнейшее вытеснение векторных суперЭВМ компьютерами, использующими RISC-микропроцессоры, такими, как, например, «IBM SP2», «Convex/HP SPP», «DEC AlphaServer 8400», «SGI POWER CHALENGE». Подтверждением этого стали результаты рейтинга «ТОР500», где лидерами по числу инсталляций стали системы «POWER CHALLENGE» и «SP2», опережающие модели ведущего производителя суперкомпьютеров - компании «Cray Research».

Тем не менее, очевидна, будет продолжаться развитие векторных суперЭВМ, по крайней мере от «Cray Research». Возможно, оно начинает сдерживаться из-за требований совместимости со старыми моделями. Так, не нашла потребителя система Cray-4 компании «Cray Research», имеющая характеристики конфигурации и производительность, близкие к новейшей системе «Cray T90» от «Cray Research» при в 2 раза более низкой цене, но несовместимая с компьютерами «Cray Research». В результате «Cray Research».разорилась.

Успешно развиваются системы на базе MPP-архитектур, в том числе с распределенной памятью. Появление новых высокопроизводительных микропроцессоров, использующих дешевую КМОП-технологию, существенно повышает конкурентноспособность данных систем.

Относительно новых решений со стороны VLIW-архитектур можно уверенно предположить, что, по крайней мере в ближайшие два года, RISC-процессорам бояться нечего.

Используемая литература

1. Вл. В. Воеводин “Суперкомпьютерная грань компьютерного мира”

2. IEEE Computer ”Рынок аппаратных средств”

3. М. Кузминьский, Д. Волков “Современные суперкомпьютеры: состояние и перспективы”

4. Левин В. К. “Отечественные суперкомпьютеры”

5. Б. В. Пальцев “PC против суперкомпьютеров”

6. “Computerworld Россия”

7. НИВЦ МГУ “Основные классы современных параллельных компьютеров”