Реферат: Суперкомпьютеры
Введение
С момента появления первыхкомпьютеров одной из основных проблем, стоящих перед разработчиками, былапроизводительность вычислительной системы. За время развития компьютернойиндустрии производительность процессора стремительно возрастала, однако появлениевсе более изощренного программного обеспечения, рост числа пользователей ирасширение сферы приложения вычислительных систем предъявляют новые требованияк мощности используемой техники, что и привело к появлению суперкомпьютеров.Что же такое суперкомпьютеры, и зачем они нужны?
В принципе, суперкомпьютер этообычная вычислительная система, позволяющая производить сложные расчеты заболее короткие промежутки времени. О чем собственно и говорит приставка «Супер»(Super в переводе с английского означает: сверх, над). Любая компьютернаясистема состоит из трех основных компонентов — центрального процессора, то естьсчетного устройства, блока памяти и вторичной системы хранения информации (кпримеру, в виде дисков или лент). Ключевое значение имеют не только техническиепараметры каждого из этих элементов, но и пропускная способность каналов,связывающих их друг с другом и с терминалами потребителей. Одна из заповедей«Крей рисерч» гласит: «Быстродействие всей системы не превышает скорости самоймедленнодействующей ее части». Важным показателем производительности компьютераявляется степень его быстродействия. Она измеряется так называемыми флопсами — от английского сокращения, обозначающего количество операций с числами,представленными в форме с плавающей запятой, в секунду. То есть за основуберется подсчет — сколько наиболее сложных расчетов машина может выполнить заодин миг.
А зачем вообще нужнысуперкомпьютеры? Раздвижение границ человеческого знания всегда опиралось надва краеугольных камня, которые не могут, существовать друг без друга, — теориюи опыт. Однако теперь ученые сталкиваются с тем, что многие испытания сталипрактически невозможными — в некоторых случаях из-за своих масштабов, в других- дороговизны или опасности для здоровья и жизни людей. Тут-то и приходят напомощь мощные компьютеры. Позволяя экспериментировать с электронными моделямиреальной действительности, они становятся «третьей опорой» современной науки ипроизводства.
Прошло время, когда создателисуперкомпьютеров стремились обеспечить максимальную производительность любойценой. Специальные процессоры, дорогостоящая сверхбыстрая память, нестандартноепериферийное оборудование — все это обходилось заказчикам в круглую сумму.Приобретали суперкомпьютеры либо предприятия ВПК, либо крупные университеты. Ите, и другие делали это, как правило, за государственный счет. Окончание«холодной войны» и последовавшее за ним сокращение ассигнований навоенные и околовоенные нужды нанесли серьезный удар по производителям суперкомпьютеров.Большинство из них были поглощены изготовителями менее производительной, ноболее доступной и ходовой вычислительной техники. Впрочем, у этих слияний былии технологические предпосылки — быстродействие серийно выпускаемыхмикропроцессоров постоянно росло, и производители суперкомпьютеров быстропереориентировались на них, что позволило существенно сократить общую стоимостьразработки. Основной упор стал делаться на увеличение числа процессоров иповышение степени параллелизма программ.
Первые суперкомпьютеры
Началом эры суперкомпьютеровможно, пожалуй, назвать 1976 год, когда появилась первая векторная система Cray1. Работая с ограниченным в то время набором приложений, Cray 1 показаланастолько впечатляющие по сравнению с обычными системами результаты, чтозаслуженно получила название “суперкомпьютер” и определяла развитие всейиндустрии высокопроизводительных вычислений еще долгие годы. Но более чем задва десятилетия совместной эволюции архитектур и программного обеспечения нарынке появлялись системы с кардинально различающимися характеристиками, поэтомусамо понятие “суперкомпьютер” стало многозначным и пересматривать его пришлосьнеоднократно.
Попытки дать определениесуперкомпьютеру опираясь только на производительность привели к необходимостипостоянно поднимать планку, отделяющую его от рабочей станции или даже обычногонастольного компьютера. Только за последние 15 лет нормы менялись несколькораз. По определению Оксфордского словаря вычислительной техники 1986 года, длятого, чтобы получить это гордое название, нужно было иметь производительность в10 мегафлоп (миллионов операций с плавающей запятой в секунду). В начале 90-хбыла преодолена отметка 200 мегафлоп, затем 1 гигафлоп.
Применение суперкомпьютеров
Для каких применений нужнастоль дорогостоящая техника? Может показаться, что с ростом производительностинастольных ПК и рабочих станций, а также серверов, сама потребность в суперЭВМбудет снижаться. Это не так. С одной стороны, целый ряд приложений может теперьуспешно выполняться на рабочих станциях, но с другой стороны, время показало,что устойчивой тенденцией является появление все новых приложений, для которыхнеобходимо использовать суперЭВМ.
Традиционной сферой применениясуперкомпьютеров всегда были научные исследования: физика плазмы истатистическая механика, физика конденсированных сред, молекулярная и атомнаяфизика, теория элементарных частиц, газовая динамика и теория турбулентности,астрофизика. В химии — различные области вычислительной химии: квантовая химия(включая расчеты электронной структуры для целей конструирования новыхматериалов, например, катализаторов и сверхпроводников), молекулярная динамика,химическая кинетика, теория поверхностных явлений и химия твердоготела, конструирование лекарств. Естественно, что ряд областей применениянаходится на стыках соответствующих наук, например, химии и биологии, иперекрывается с техническими приложениями. Так, задачи метеорологии, изучениеатмосферных явлений и, в первую очередь, задача долгосрочного прогноза погоды,для решения которой постоянно не хватает мощностей современных суперЭВМ, тесносвязаны с решением ряда перечисленных выше проблем физики. Среди техническихпроблем, для решения которых используются суперкомпьютеры, укажем на задачиаэрокосмической и автомобильной промышленности, ядерной энергетики,предсказания и разработки месторождений полезных ископаемых, нефтедобывающей игазовой промышленности (в том числе проблемы эффективной эксплуатацииместорождений, особенно трехмерные задачи их исследования), и, наконец, конструированиеновых микропроцессоров и компьютеров, в первую очередь самих суперЭВМ.
Суперкомпьютеры традиционноприменяются для военных целей. Кроме очевидных задач разработки оружиямассового уничтожения и конструирования самолетов и ракет, можно упомянуть,например, конструирование бесшумных подводных лодок и др. Самый знаменитыйпример — это американская программа СОИ. Уже упоминавшийся MPP-компьютерМинистерства энергетики США будет применяться для моделирования ядерногооружия, что позволит вообще отменить ядерные испытания в этой стране.
Суперкомпьютеры в России
Во всемирный процессактивизации рынка высокопроизводительных вычислений (HPC) все активнеевключается и Россия. В 2003 году компании Arbyte и Kraftway при поддержкекорпорации Intel объявили о создании своих Центров компетенции на базеплатформы Intel, деятельность которых, в том числе, будет направлена и напостроение НРС-систем. Кроме того, компании Intel и IBM сообщили о том, чтокомпания Paradigm, ведущий поставщик технологий для обработкигеолого-геофизических данных и проектирования бурения для нефтегазовой отрасли,модернизировала свой расположенный в Москве центр обработки сейсмическихданных, установив серверный кластер IBM из 34 двухпроцессорных серверов на базепроцессоров Intel Xeon. Новая система ускорила работу ресурсоемкихвычислительных приложений Paradigm за счет применения кластерных технологий набазе ОС Linux. Новые возможности проведения более точных расчетов, несомненно,увеличат конкурентоспособность российских нефтяных компаний на мировом рынке.
В июне 2004 г. представителикомпании «Т-Платформы», Института программных систем (ИПС) РАН и корпорацииIntel объявили о создании четырехузлового кластера T-Bridge8i на базепроцессоров Intel Itanium 2 и технологии InfiniBand, а также рассказали оперспективах использования данного решения в рамках программы «СКИФ». КластерT-Bridge8i стал первой в России системой на основе процессоров Intel Itanium 2,двухпроцессорные узлы которой выполнены в конструктиве высотой 1U. Объединив вT-Bridge8i передовые достижения в области 64-разрядной процессорной архитектурыи кластерных коммуникаций, инженеры «Т-Платформы» построили уникальное поконцентрации вычислительной мощности решение, обладающее широкими возможностямидля масштабирования. Этот кластер предназначен для решения задач, требующихмаксимальной производительности вычислений с плавающей точкой, и можетэффективно использоваться в различных отраслях промышленности и для научныхрасчетов. В рамках программы «СКИФ» T-Bridge8i будет применяться с цельюадаптации для архитектуры Intel Itanium программного обеспечения,разработанного в рамках программы, а также для исследований в областиGRID-технологий.
2005 год оказался довольнобогатым на события в области суперкомпьютерных технологий. В России былизавершены два крупных проекта, на очереди — еще один.
Двумя важнейшими из них сталаустановка суперкомпьютера МВС-15000BM отечественной разработки вМежведомственном Суперкомпьютерном Центре РАН (МСЦ) и установка на НПО<Сатурн> кластера IBM eServer Cluster 1350, включающего 64двухпроцессорных сервера IBM eServer xSeries 336. Последний является крупнейшейв России супер-ЭВМ используемой в промышленности и четвертым в совокупномрейтинге суперкомпьютеров на территории СНГ. НПО <Сатурн> собираетсяиспользовать его в проектировании авиационных газотурбинных двигателей длясамолетов гражданской авиации. На очереди — еще один крупный проектсуперкомпьютера для Росгидромета, тендер на строительство которого выигралсистемный интегратор i-Teco.
В частном секторесуперкомпьютеры используются для моделирования нефтяных скважин, краш-тестов,сложных аэродинамических и гидродинамических расчетов. Основными заказчикамивыступают автомобильная, судостроительная, авиационная и нефтегазоваяпромышленность. По мнению экспертов, совокупный объем рынка большихвычислительных систем в России составляет $100-150 млн., причем видное местопринадлежит отечественным разработчикам. В год устанавливается 3-4суперкомпьютера с производительностью, близкой к 1 Терафлоп.
На сегодняшний денькрупнейшими отечественными проектами в области суперкомпьютеров являютсяроссийский проект МВС и российско-белорусский СКИФ. Разработка СуперЭВМ проектаМВС финансировалась за счет средств Минпромнауки России, РАН, Минобразования России,РФФИ, Российского фонда технологического развития. В настоящее время машиныэтой серии установлены в МСЦ РАН и ряде региональных научных центров РАН(Казань, Екатеринбург, Новосибирск) и используются преимущественно для научныхрасчетов.
В настоящее время одним изразработчиков ПО для МВС является фирма InterProgma, работающая в Черноголовкев рамках уже существующего ИТ-парка. Компания в тесном сотрудничестве с ИПХФРАН ведет разработку как базового программного обеспечения длякрупномасштабного моделирования на суперкомпьютерных системах, т.е.программного обеспечения, позволяющего упростить и автоматизировать процессраспараллеливания, так и специального инженерного программного обеспечения длямоделирования различных высокоэнергетических процессов в химической, атомной иаэрокосмической промышленности. Так, пакет IP-3D предназначен для численногомоделирования газодинамических процессов в условиях экстремально высокихтемператур и давлений, невоспроизводимых в лабораторных условиях. Опыт работы наMBC1000M показали очень хорошую масштабируемость и высокую скорость вычисленияданного пакета
Проект СКИФ финансировался засчет бюджетов России и Белоруссии в рамках союзной программы на паритетныхначалах. 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. Cтоимость СКИФ К-1000 составила $1,7 млн., что на порядокниже стоимости иностранного аналога ($4 млн.). На сегодняшний день, основным пользователемданной разработки является белорусская сторона. СКИФ К-1000, установлен вОбъединенном институте проблем информатики НАН Белоруссии, и уже сейчасиспользуется не только учеными, но и крупнейшими предприятиями-экспортерами:МАЗом, БелАЗом, Белорусским тракторным заводом, Заводом карданных валов. Стольуспешное внедрение суперкомпьютерных технологий в реальный сектор во многомобъясняется тем, что доступ белорусских предприятий к СКИФу координируетсягосударством и оплачивается из бюджета, поскольку сами предприятия находятся вгосударсвенной собственности.
В России же СКИФ и МВС покавоспринимаются лишь как академические проекты. Причина этого в том, что крупныероссийские машиностроительные корпорации, такие как НПО <Сатурн>,предпочитают зарубежные суперЭВМ, поскольку отработанные прикладные решения отмировых лидеров, таких как IBM и HP уже снабжены готовым целевым ПО исредствами разработки, имеют лучший сервис. Сделать МВС и СКИФ востребованнымидля российской промышленности поможет создание общего вычислительного центраориентированного на промышленный сектор, с распределенным доступом к машинномувремени. Создание Центра резко удешевит затраты на обслуживаниесуперкомпьютера, а также ускорит процесс создания и систематизации ПО(написание драйверов, библиотек, стандартных приложений).
Продвижению отечественныхсуперкомпьютерных технологий в промышленной сектор России и за ее пределы будетспособствовать рост отечественных компаний, способных конкурировать в даннойсфере с транснациональными корпорациями. Такой компанией уже является<Т-Платформы>, которая выступала в роли главного исполнителя СКИФ. Нарядус государственными и академическими структурами, клиентами компании являются<Комстар Объединенные Телесистемы>, Rambler, рекрутинговая компанияHeadHunter.ru, <Саровские Лаборатории>. <Т-Платформы> были призанылучшей компанией VI Венчурной Ярмарки в октябре 2005 года в Санкт-Петербурге.
Заключение
Еще 10–15 лет назадсуперкомпьютеры были чем-то вроде элитарного штучного инструмента, доступного восновном ученым из засекреченных ядерных центров и криптоаналитикам спецслужб.Однако развитие аппаратных и программных средств сверхвысокойпроизводительности позволило освоить промышленный выпуск этих машин, а число ихпользователей в настоящее время достигает десятков тысяч. Фактически, в наши дни весь мир переживает подлинныйбум суперкомпьютерных проектов, результатами которых активно пользуются нетолько такие традиционные потребители высоких технологий, как аэрокосмическая,автомобильная, судостроительная и радиоэлектронная отрасли промышленности, но иважнейшие области современных научных знаний.