Superkomputer
Superkomputer – komputer znacznie przewyższający możliwościami powszechnie używane komputery, w szczególności dysponujący wielokrotnie większą mocą obliczeniową. Określenie to pojawiło się w latach 60. w odniesieniu do komputerów produkowanych przez CDC i później przez firmę Cray. Były one produkowane w dziesiątkach egzemplarzy i kosztowały po kilka milionów dolarów. Współcześnie większość superkomputerów to pojedyncze egzemplarze, zaprojektowane i wyprodukowane na zamówienie, zazwyczaj z seryjnie produkowanych procesorów i innych podzespołów. Koszty ich produkcji sięgają miliarda dolarów[1]. Od listopada 2012 najszybszym superkomputerem na świecie jest Titan, zainstalowany w Oak Ridge National Laboratory w USA[2].
Postęp techniczny w dziedzinie informatyki powoduje, że każdy superkomputer staje się przestarzały w ciągu kilku lat i jego używanie przestaje być opłacalne. Maszyny zaliczane dwadzieścia lat temu do klasy superkomputerów miały wydajność porównywalną z dzisiejszymi urządzeniami przenośnymi. Przykładowo iPad 3 w teście LINPACK uzyskuje wynik 896 MFLOPS, co w 1993 roku stawiałoby go wśród 300 najszybszych superkomputerów świata[3][4].
Superkomputery używane są głównie do przeprowadzania złożonych fizycznych symulacji, takich jak prognozowanie pogody, badania zmian klimatu, modelowanie reakcji chemicznych, badanie aerodynamiki samolotów czy badania procesów starzenia broni jądrowej.
Spis treści |
Porównywanie wydajności superkomputerów [edytuj]
Główną miarą wydajności, stosowaną obecnie dla superkomputerów, jest liczba wykonywanych w ciągu sekundy operacji na liczbach zmiennoprzecinkowych (FLOPS). Podaje się ją często z odpowiednim przedrostkiem SI. Przykładowo teraflops („TFLOPS”) to 1012 FLOPS, a petaflops („PFLOPS”) to 1015 FLOPS. Mierzy się ją za pomocą odpowiednich testów wzorcowych. Najpopularniejszym takim testem jest LINPACK, mierzący szybkość rozwiązywania gęstych układów równań liniowych za pomocą metody Gaussa. Ponieważ wiele problemów stawianych superkomputerom daje się sprowadzić do rozwiązywania takich równań, test ten jest wygodną abstrakcją pomiaru efektywności w rozwiązywaniu takich problemów. Superkomputery uzyskujące najwyższe wyniki w tym teście są od 1993 roku publikowane na liście TOP500, aktualizowanej dwa razy w roku.
Inną miarą wydajności superkomputerów jest miara FLOPS/wat, uwzględniająca oprócz szybkości wykonywania obliczeń również zużycie prądu przez superkomputery. Najefektywniejsze według tej miary superkomputery z listy TOP500 są publikowane od 2007 roku na liście Green500.
Historia [edytuj]
Poniższa tabela przedstawia światowe rekordy szybkości dla komputerów ogólnego przeznaczenia i lata w których zostały ustanowione. Rekordy sprzed 1993 roku podane są na podstawie Computer History Museum[5], a od 1993 roku na podstawie listy TOP500[6].
Planowane superkomputery [edytuj]
Cray rozpoczął pracę nad następcą superkomputera Titan, maszyną XC30 o nazwie Cascade, która ma osiągać wydajność 100 PFLOPS[7].
Firma Fujitsu zaprezentowała w swojej ofercie ulepszoną wersję K computera, umożliwiający osiągnięcie 23 PFLOPS[8]. IBM ogłosił, że ich architektura Blue Gene/Q umożliwia osiągnięcie 100 PFLOPS[9][10]. Chiny planują zbudowanie następcy Tianhe-1A o wydajności 50-100 PFLOPS do 2015 roku[11].
Przy obecnym tempie rozwoju, pierwsze superkomputery o wydajności powyżej 1 eksaflops (1018, trylion FLOPS) powinny zostać zbudowane około 2019 roku[12][13]. Według Intel Corporation, obecne tempo rozwoju będzie zachowane przynajmniej do 2029 roku, kiedy powstaną komputery o wydajności zettaflops (1021, tryliard FLOPS)[14].
Rynek superkomputerów [edytuj]
W 2012 roku rynek superkomputerów miał wartość 11,1 mld $. Największymi producentami byli IBM (32% rynku), Hewlett-Packard (30,8%) i Dell (13,5%). Poniższa tabela przedstawia wartość rynku superkomputerów w ostatnich latach[15]:
| Segment rynku | 2011 | 2012 | Zmiana 2011/2012 |
|---|---|---|---|
| >500 000$ | 4,3 mld $ | 5,6 mld $ | +29,3% |
| 250 000$ – 499 000$ | 1,2 mld $ | 1,2 mld $ | -2,2% |
| 100 000$ – 249 000$ | 3,5 mld $ | 3,0 mld $ | -14,3% |
| <100 000$ | 1.2 mld $ | 1,2 mld $ | +1,2% |
| Suma | 10,3 mld $ | 11,1 mld $ | +7,7% |
Budowa [edytuj]
Współczesne superkomputery uzyskują swoją wydajność dzięki połączeniu wielu tysięcy procesorów i zrównoleglaniu wykonywanych obliczeń. Z powodów ekonomicznych stosuje się procesory dostępne w produkcji masowej, ponieważ koszty zaprojektowania i wyprodukowania nowych typów procesorów są znacznie wyższe niż koszty produkcji superkomputerów[nota 2][16][17]. Aby umożliwić efektywne wykorzystanie mocy obliczeniowej tych procesorów, używa się specjalnie zaprojektowanej pamięci hierarchicznej i najwydajniejszych dostępnych połączeń do przesyłania danych pomiędzy nimi. Z powodu takiej architektury, superkomputery mogą jednak osiągać wysoką wydajność jedynie dla obliczeń, które dają się w dużym stopniu zrównoleglić.
Zastosowanie [edytuj]
Superkomputery są używane w armii, badaniach naukowych i biznesie. Instytuty naukowe udostępniają czas swoich komputerów recenzowanym projektom naukowym, których lista jest często publicznie dostępna. Przykładowo na komputerach w ICM prowadzone są symulacje astrofizyczne, biochemiczne, hydrologiczne, epidemiologiczne i aerodynamiczne, jak również badania należące do teorii liczb i algebry liniowej[18].
Przykładowe zastosowania superkomputerów to:
- badanie struktury dużych biocząsteczek, takich jak lignina i celuloza, w celu zwiększania wydajności uzyskiwania z nich biopaliw[19],
- symulacje procesu spalania w silnikach spalinowych, w celu zwiększania ich wydajności[20],
- symulacje aerodynamiki projektowanych samolotów[21] i samochodów ciężarowych[22],
- symulacje zachowania plazmy w tokamakach w badaniach nad kontrolowaną syntezą termojądrową[23],
- symulacje oddziaływań pomiędzy kwarkami a gluonami aby uzyskać dokładniejsze dane o parametrach cząstek elementarnych[24],
- badanie właściwości nanomateriałów w celu opracowania wydajniejszych superkondensatorów[25],
- symulacje zachowania elektronów wewnątrz nanostruktur w celu opracowania przyszłych układów elektronicznych[26].
Superkomputery w Polsce [edytuj]
Najszybszym superkomputerem w Polsce jest Zeus[27] z ACK Cyfronet na Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Maszyna działa pod kontrolą systemu operacyjnego Scientific Linux, jej efektywna moc obliczeniowa wynosi ponad 234 TFLOPS i jest wykorzystywana do obliczeń naukowych, m.in. z zakresu chemii i fizyki.
Kolejne największe superkomputery w Polsce to[27]:
- BlueGene/Q w ICM w Warszawie, o wydajności 173 TFLOPS,
- Farma serwerów Grupy Allegro, o wydajności 93 TFLOPS,
- Klaster obliczeniowy w PCSS w Poznaniu, o wydajności 90 TFLOPS,
- Galera Plus w TASK w Gdańsku, o wydajności 65 TFLOPS,
- Boreas w ICM w Warszawie, o wydajności 64 TFLOPS,
- Supernova w WCSS we Wrocławiu, o wydajności 57 TFLOPS.
Alternatywne rozwiązania [edytuj]
W zależności od typu problemu obliczeniowego, rozwiązanie go w sposób rozproszony może nakładać różne ograniczenia na architekturę i wydajność komunikacji pomiędzy poszczególnymi węzłami. W niektórych przypadkach superkomputery nie są najefektywniejszym rozwiązaniem i stosuje się rozwiązania alternatywne.
Projekty internetowe [edytuj]
Istnieje szereg problemów obliczeniowych, które można podzielić na wiele niezależnych, mniejszych zadań do wykonania. Takie problemy można rozwiązywać przy użyciu dużej ilości zwykłych komputerów, podłączonych do Internetu. Powstało kilka projektów działających na tej zasadzie. Uczestnicy takich projektów ściągają na swoje komputery odpowiedni program, który uruchamia się w czasie gdy komputer nie jest wykorzystywany i wykonuje zadania zlecone przez system zarządzający. W największych takich projektach biorą udział setki tysięcy ochotników, tworząc wirtualne superkomputery przewyższające wydajnością największe pojedyncze maszyny. Największe takie projekty to:
- Folding@home – projekt badania procesów zwijania białek. W 2011 roku dysponował mocą ponad 6 PFLOPS[28] i jest odnotowany w Księdze Guinnessa jako największy klaster komputerowy na świecie[29].
- BOINC – projekt łączący komputery do różnych obliczeń, zapoczątkowany przez projekt SETI@home. Pracuje równolegle nad kilkunastoma niezależnymi zagadnieniami. Sumaryczna moc obliczeniowa jaką dysponuje, to ponad 5 PFLOPS[30].
- GIMPS – projekt poszukiwania liczb Mersenne’a. Dysponuje mocą obliczeniową 60 TFLOPS[31]
- Distributed.net – projekt obliczeń teorioliczbowych, w szczególności badania możliwości łamania współczesnych szyfrów blokowych.
Farmy serwerów i botnety [edytuj]
Farma serwerów to zbiór luźno powiązanych ze sobą serwerów, współpracujących w celu realizacji jednego zadania. Stosuje się je w różnorodnych zastosowaniach komercyjnych, takich jak wyświetlanie spersonalizowanych stron w wyszukiwarkach internetowych i serwisach społecznościowych, czy rendering filmów 3D. Moc obliczeniowa takich farm może znacznie przewyższać moce obliczeniowe największych superkomputerów. Google i Microsoft posiadają setki tysięcy serwerów[32], których łączna moc obliczeniowa jest szacowana na dziesiątki PFLOPS[33]. Również największe botnety mają większą moc obliczeniową niż liderzy TOP500 (np. Storm botnet składający się z 1,9 mln komputerów[34]).
Systemy dedykowane [edytuj]
Na liście TOP500 umieszczone są jedynie komputery ogólnego zastosowania, na których można efektywnie wykonywać testy LINPACK. Do konkretnych zastosowań buduje się jednak czasem urządzenia dedykowane, efektywne w rozwiązywaniu tylko jednego, wybranego problemu. Pozwala to uzyskać większość efektywność i zmniejszyć koszty, za cenę uniwersalności. Przykładem takich urządzeń są:
- EFF DES cracker[35] wybudowany w 1998 roku do łamania szyfrów DES.
- MDGRAPE-3 (2006)[36] i Anton (2008)[37][38] – do symulacji dynamiki molekularnej.
Zobacz też [edytuj]
Adnotacje [edytuj]
- ↑ Pierwsze komputery wykonywały tylko operacje na liczbach całkowitych, dlatego ich szybkość podana jest w operacjach na sekundę (OPS). Współcześnie jednak znaczna większość zastosowań superkomputerów wymaga wykonywania operacji na liczbach zmiennoprzecinkowych, dlatego porównuje się je używając miary FLOPS. Nie ma oczywistego przelicznika pomiędzy tymi miarami, choć każda operacja zmiennoprzecinkowa może w szczególności być użyta jako całkowitoliczbowa.
- ↑ Koszt budowy komputera Tianhe-1A wyniósł około 88 milionów dolarów, podczas gdy inwestycje w zaprojektowanie i wdrożenie do produkcji procesorów Itanium 2 wyniosły 3 miliardy dolarów.
Przypisy
- ↑ New Japanese supercomputer is the world’s most powerful. geek.com, 20 czerwca 2011. [dostęp 24 listopada 2011].
- ↑ Oak Ridge Claims No. 1 Position on Latest TOP500 List with Titan (ang.). TOP500, 2012-11-12. [dostęp 2012-11-13].
- ↑ Apple iPad 3 benchmark tests (ang.). PhoneArena, 2012-03-20. [dostęp 2012-07-05].
- ↑ Najszybsze superkomputery świata w czerwcu 1993, miejsca 200-500 (ang.). TOP500.
- ↑ Historyczne superkomputery w Computer History Museum. Computerhistory.org. [dostęp 2010-10-31].
- ↑ Listy najszybszych superkomputerów w kolejnych latach na Top500.. Top500.org. [dostęp 2012-11-13].
- ↑ Cray scales to over 100 petaflops with 'Cascade' XC30 behemoth (ang.). TheRegister, 08-11-2012. [dostęp 13-11-2012].
- ↑ Fujitsu Unveils Post-K Supercomputer (ang.). HPC wire, 7 listopada 2011. [dostęp 24 listopada 2011].
- ↑ Announcing IBM Blue Gene/Q (ang.). IBM. [dostęp 24 listopada 2011].
- ↑ IBM’s Blue Gene/Q; petaflops on low power (ang.). EE Times, 17 listopada 2011. [dostęp 24 listopada 2011].
- ↑ China breaks ground on futuristic supercomputer complex (ang.). Computerworld, 30 listopada 2010. [dostęp 9 września 2011].
- ↑ Projected Performance Development (ang.). TOP500. [dostęp 9 września 2011].
- ↑ Patrick Thibodeau: IBM breaks petaflop barrier. W: InfoWorld [on-line]. 2008-06-10.
- ↑ IDF: Intel says Moore’s Law holds until 2029 (ang.). W: Heise Online [on-line]. The H, 2008-04-04. [dostęp 9 września 2011].
- ↑ Tiffany Trader: IDC: Supercomputing Spending Jumps 30 Percent (ang.). HPC Wire, 2013-03-25. [dostęp 2013-03-26].
- ↑ China Makes World’s Fastest Supercomputer (ang.). International Business Times, 28 października 2010. [dostęp 9 września 2011].
- ↑ Intel strengthens investment in Intel Itanium architecture with hiring of HP design team (ang.). 16 grudnia 2004. [dostęp 9 września 2011].
- ↑ Otwarte granty ICM. Interdyscyplinarne Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego Uniwersytetu Warszawskiego. [dostęp 9 września 2011].
- ↑ The Problem with Cellulosic Ethanol (ang.). Oak Ridge National Laboratory. [dostęp 8 listopada 2011].
- ↑ Simulating Turbulent Combustion Speeds Design of Power and Propulsion Devices (ang.). Oak Ridge National Laboratory. [dostęp 8 listopada 2011].
- ↑ Boeing Uses Jaguar to Validate Aircraft Modeling Applications (ang.). Oak Ridge National Laboratory. [dostęp 8 listopada 2011].
- ↑ BMI Uses Jaguar to Overhaul Long-Haul Trucks (ang.). Oak Ridge National Laboratory. [dostęp 8 listopada 2011].
- ↑ Breakthrough Fusion Simulations Shed Light on Plasma Confinement (ang.). Oak Ridge National Laboratory. [dostęp 8 listopada 2011].
- ↑ Supercomputers Aid in Understanding the Basic Building Blocks of Nature (ang.). Oak Ridge National Laboratory. [dostęp 8 listopada 2011].
- ↑ Packing the ions (ang.). Oak Ridge National Laboratory. [dostęp 8 listopada 2011].
- ↑ Gordon Bell Prize Awarded to Research Group Using K Supercomputer (ang.). HPC wire, 21 listopada 2011. [dostęp 24 listopada 2011].
- ↑ 27,0 27,1 Najszybsze superkomputery na świecie w rankingu top500 (ang.). TOP500, 2012-11-12. [dostęp 2012-11-12].
- ↑ Six native petaFLOPS (ang.). [dostęp 13-11-2012].
- ↑ Joshua Topolsky: Folding@Home recognized by Guinness World Records (ang.). Engadget, 31 października 2007. [dostęp 9 września 2011].
- ↑ Statystyki BOINC (ang.). [dostęp 9 września 2011].
- ↑ Strona domowa projektu GIMPS (ang.). [dostęp 9 września 2011].
- ↑ Rich Miller: Who Has the Most Web Servers? (ang.). Data Center Knowledge, 14 maja 2009. [dostęp 9 września 2011].
- ↑ Brough Turner: Google Surpasses Supercomputer Community, Unnoticed? (ang.). 20 maja 2009. [dostęp 9 września 2011].
- ↑ Gaudin, Sharon. "Storm Worm Botnet Attacks Anti-Spam Firms", InformationWeek, 18 września 2007
- ↑ „DES Cracker” Machine (ang.). Electronic Frontier Foundation. [dostęp 9 września 2011].
- ↑ Tetsu Narumi: MDGRAPE (Molecular Dynamics GRAvity PipE) (ang.). 31 października 2006. [dostęp 9 września 2011].
- ↑ John Markoff: Herculean Device for Molecular Mysteries (ang.). The New York Times, 8 lipca 2008. [dostęp 9 września 2011].
- ↑ Mariusz Błoński: Superkomputer Anton - mistrz zaginania białek. KopalniaWiedzy, 18 października 2010. [dostęp 9 września 2011].
