Суперкомпьютеры

Так что же такое современный  суперкомпьютер? Самая мощная ЭВМ  на сегодняшний день - это система Intel ASCI RED, построенная по заказу Министерства энергетики США. Чтобы представить себе возможности этого суперкомпьютера, достаточно сказать, что он объединяет в себе 9632  процессора Pentium Pro, имеет более 600 Гбайт оперативной памяти и общую производительность в 3200 миллиардов операций в секунду. Человеку потребовалось бы 100000 лет, чтобы даже с калькулятором выполнить все те операции, которые этот компьютер делает всего за 1 секунду¹⁸.

Создать подобную вычислительную систему - всё равно, что построить целый завод со своими системами охлаждения, бесперебойного питания и т.д.

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

Возьмем, к примеру, США, по территории которых два раза в  год проходят разрушительные торнадо. Они сметают на. своем пути города, поднимают в воздух автомобили и автобусы, выводят реки из берегов, заливая тем самым гигантские территории. Борьба с торнадо - существенная часть американского бюджета.

Только штат Флорида, который  находится недалеко от тех мест, где эти смерчи рождаются, за последние годы потратил более 50 миллиардов долларов на экстренные меры по спасению людей. 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. Принципиально это несложно, однако 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, легко убедиться, что невозможно 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, казалось бы, плохо совместить е задачи: глобальный расчет, где шаг очень большой, и локальный, где шаг очень маленький. Сделать это можно, но лишь собрав в кулаке 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 реальности. 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 отраслях¹⁹.

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 хлорофлюрокарбон. 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.

 

 

 

2.2 Современные  суперкомпьютеры

Рассмотрим  по каким направлениям идет развитие высокопроизводительной вычислительной техники. Таких направлений четыре(табл. 1):²⁰

1. Векторно-конвейерные компьютеры
2. Массивно-параллельные компьютеры с распределенной памятью
3. Параллельные компьютеры с общей памятью
4. Кластерные компьютеры

Два раза в год составляется список пятисот самых мощных вычислительных установок мира Согласно последней редакции списка top500, вышедшей в ноябре прошлого года, первое место занимает массивно-параллельный компьютер Intel ASCI Red. На второй позиции стоит компьютер ASCI Blue-Pacific от IBM, объединяющий 5808 процессоров PowerPC 604e/332MHz. Оба эти суперкомпьютера созданы в рамках американской национальной программы Advanced Strategic Computing Initiative, аббревиатура которой и присутствует в названии. Производительность компьютера, стоящего на последнем, 500-м, месте в списке самых мощных, составляет 33,4 миллиарда операций в секунду²¹.

 

Таблица 1 Направления развития высокопроизводительной вычислительной техники

 

Вид суперкомпьютера	Описание	Представители вида
Векторно-конвейерные компьютеры	Две главные особенности  таких машин: наличие функциональных конвейерных устройств и набора векторных команд. В отличие от обычных команд векторные оперируют  целыми массивами независимых данных, то есть команда вида А=В+С может  означать сложение двух массивов, а  не двух чисел.	Характерный представитель  данного направления - семейство  векторно-конвейерных компьютеров CRAY, куда входят, например, CRAY EL, CRAY J90, CRAY T90
Массивно-параллельные компьютеры с распределенной памятью	Идея построения компьютеров  этого класса тривиальна: серийные микропроцессоры соединяются с  помощью сетевого оборудования - вот  и все. Достоинств у такой архитектуры  масса: если нужна высокая производительность, то можно добавить процессоры, а  если ограничены финансы или заранее  известна требуемая вычислительная мощность, то легко подобрать оптимальную  конфигурацию. К этому же классу можно отнести и простые сети компьютеров, которые сегодня все  чаще рассматриваются как дешевая  альтернатива крайне дорогим суперкомпьютерам.	К массивно-параллельным можно  отнести компьютеры Intel Paragon, ASCI RED, IBM SP1, Parsytec, в какой- то степени IBM SP2 и CRAYT3D/T3E.
Параллельные компьютеры с общей памятью.	Вся оперативная память в  таких компьютерах разделяется  несколькими одинаковыми процессорами, обращающимися к общей дисковой памяти. Проблем с обменом данными  между процессорами и синхронизацией их работы практически не возникает. Вместе с тем главный недостаток такой архитектуры состоит в  том, что по чисто техническим  причинам число процессоров, имеющих  доступ к общей памчти, нельзя сделать  большим.	В данное направление суперкомпьютеров входят многие современные SMP-компьютеры (Symmetric).
Кластерные компьютеры	Этот класс суперкомпьютеров, строго говоря, нельзя назвать самостоятельным, скорее, он представляет собой комбинации предыдущих трех. Из нескольких процессоров, традиционных или векторно-конвейерных, и общей для них памяти формируется  вычислительный узел. Если мощности одного узла недостаточно, создается кластер  из нескольких узлов, объединенных высокоскоростными  каналами. В настоящее время именно это направление считается наиболее перспективным.	По такому принципу построены CRAY SV1..HP Exemplar, Sun StarFire, NEC SX-5, последние  модели IBM SP2 и другие

 

 

 

 

 

Заключение

_К

 сожалению, чудеса  в нашей жизни совершаются  редко. 

Гигантская производительность параллельных компьютеров и суперЭВМ с лихвой компенсируется стоимостью и сложностью их использования.

Но даже вопросы, возникающие вокруг суперкомпьютеров, ставят в тупик. Например, простой пример и жизни: землекоп выкопает яму за один час. Как вы думаете, 60 землекопов выкопают яму за одну минуту? Так и в компьютере: начиная с некоторого момента, они будут просто мешать друг другу, не ускоряя, а замедляя работу.

Но все вопросы, сопровождающие суперкомпьютер, конечно же, решаются. Да, использовать суперкомпьютер сложнее, чем PC: нужны дополнительные знания и технологии, высококвалифицированные специалисты, более сложная структура информации.

Написать эффективную  параллельную программу сложнее, чем последовательную, да и вообще создание параллельного программного обеспечения для параллельных компьютеров – основная проблема суперкомпьютерных вычислений.

Но без суперЭВМ сегодня  не обойтись, и отрадно, что в нашей стране есть понимание необходимости развития этих технологий.

Создана и развивается  линия отечественных суперкомпьютеров МВС-100.

За рубежом также происходит интенсивное развитие суперкомпьютеров всех типов (векторные, кластерные и т.п.), и использование их практически во всех отраслях человеческой жизни. 

А иначе и нельзя, так  как параллельные компьютеры и вычисления – не будущее, а реальность.

 

Список литературы

1 Власов В.К., Королев Л.Н. Элементы  информатики./ Под. Ред. Л.Н. Королева.- М.: Наука, 2009 г. – 526с.

2 Информатика: Учебник для вузов.- / Под ред. С.В. Симоновича. – СПб.: Питер, 2011. – 317с.

3 Кураков Л.П., Лебедев Е.К. Информатика. – М.: Вуз и школа, 2009. – 636с.

4 Могилев и др. Информатика: Учебное пособие для вузов / А.В.Могилев, Н.И.Пак, Е.К.Хеннер; Под ред. Е.К. Хеннера. - М.: Изд. центр «Академия», 2010. – 294с.

5 Острейковский В.А. Информатика. – М.: Высшая школа, 2011.- 512с.

6 Якубайтис Э.А. Информационные сети и системы: Справочная книга.- М.: Финансы и статистика, 2009. – 271с.

¹ Могилев и др. Информатика: Учебное пособие для вузов / А.В.Могилев, Н.И.Пак, Е.К.Хеннер; Под ред. Е.К. Хеннера. - М.: Изд. центр «Академия», 2010. – с.56

² Информатика: Учебник для вузов.- / Под ред. С.В. Симоновича. – СПб.: Питер, 2011. – с.163

³ Могилев и др. Информатика: Учебное пособие для вузов / А.В.Могилев, Н.И.Пак, Е.К.Хеннер; Под ред. Е.К. Хеннера. - М.: Изд. центр «Академия», 2010. – с.56

⁴ Могилев и др. Информатика: Учебное пособие для вузов / А.В.Могилев, Н.И.Пак, Е.К.Хеннер; Под ред. Е.К. Хеннера. - М.: Изд. центр «Академия», 2010. – с.57

⁵ Информатика: Учебник для вузов.- / Под ред. С.В. Симоновича. – СПб.: Питер, 2011. – с.171

⁶ Информатика: Учебник для вузов.- / Под ред. С.В. Симоновича. – СПб.: Питер, 2011. – 171с.

⁷ Информатика: Учебник для вузов.- / Под ред. С.В. Симоновича. – СПб.: Питер, 2011. – 172с.

⁸ Острейковский В.А. Информатика. – М.: Высшая школа, 2011.- с.407

⁹ Острейковский В.А. Информатика. – М.: Высшая школа, 2011.- с.349

¹⁰ Информатика: Учебник для вузов.- / Под ред. С.В. Симоновича. – СПб.: Питер, 2011. – с.183

¹¹ Информатика: Учебник для вузов.- / Под ред. С.В. Симоновича. – СПб.: Питер, 2011. – с.183

¹² Острейковский В.А. Информатика. – М.: Высшая школа, 2011.- с.341

¹³ Власов В.К., Королев Л.Н. Элементы  информатики./ Под. Ред. Л.Н. Королева.- М.: Наука, 2009 г. – с.93

¹⁴ Власов В.К., Королев Л.Н. Элементы  информатики./ Под. Ред. Л.Н. Королева.- М.: Наука, 2009 г. – с.94

¹⁵ Власов В.К., Королев Л.Н. Элементы  информатики./ Под. Ред. Л.Н. Королева.- М.: Наука, 2009 г. – с.97

¹⁶ Кураков Л.П., Лебедев Е.К. Информатика. – М.: Вуз и школа, 2009. – с.237

¹⁷ Там же, с. 238

¹⁸ Кураков Л.П., Лебедев Е.К. Информатика. – М.: Вуз и школа, 2009. –с.293

¹⁹ Кураков Л.П., Лебедев Е.К. Информатика. – М.: Вуз и школа, 2009. – с.297

²⁰ Якубайтис Э.А. Информационные сети и системы: Справочная книга.- М.: Финансы и статистика, 2009. – с.36

²¹ Якубайтис Э.А. Информационные сети и системы: Справочная книга.- М.: Финансы и статистика, 2009. – с.39