Суперкомпьютеры

С начала пятидесятых годов быстродействие больших компьютеров для научных исследований удваивалось в среднем каждые два года. Возрастание быстродействия привело к увеличению емкости памяти, необходимой для хранения данных и результатов. Высокий уровень мощности суперкомпьютеров определяется успехами быстро развивающейся микроэлектроники и принципиально новыми концепциями в архитектуре компьютеров.

Архитектурой называется логическая организация вычислительной машины в представлении программиста. Важнейшими из нововведений в архитектуре компьютерной техники оказались те, которые позволили одновременно (параллельно) выполнять множество похожих операций. Если в середине XX в. программистам приходилось разбивать решаемую задачу на ряд последовательно выполняемых элементарных шагов, современная компьютерная техника позволяет при программировании выделить множество выполняющихся одновременно различных элементарных шагов.

Какие задачи оказываются не под силу персональным компьютерам и высокопроизводительным серверам? Среди областей применения суперкомпьютеров:

• метеорология;

• аэродинамика;

• сейсмология;

• различные военные исследования;

• атомная и ядерная физика;

• физика плазмы;

• математическое моделирования сплошных сред.

Основная причина использования суперкомпьютеров в данных областях заключается в следующем. Моделирование процессов ведется с целью изучения изменения параметров вычислений от точки к точке в условиях внешнего воздействия в течение времени. А так как любая область пространства содержит бесконечное множество точек, то для полного описания материальной среды требуется бесконечное число данных. Рассматривая среду как сетку, состоящую из конечного множества точек или узлов, распределенных по всей области, ученые концентрируют свое внимание на изменении параметров среды только в узлах сетки. Для того, чтобы получить более точное решение, необходимо в значительной степени увеличить объем арифметических вычислений.

Производительность суперкомпьютеров измеряется в миллионах операций с «плавающей точкой» в секунду, так называемых, «мегафлопах». Термин «плавающая точка» относится к двоичной версии представления чисел, когда число записывается в виде произведения, где один множитель имеет величину между 0,1 и 1, а другой является степенью числа 10. К примеру, число 12000 записывается как 0,12х105. В компьютерах принимается двоичная форма представления чисел с плавающей точкой, когда вычисления представляются последовательностью нулей и единиц. Операции с плавающей точкой: сложение, вычитание, умножение, деление, в результате которых также получаются числа с плавающей точкой. В разрабатываемых суперкомпьютерах постоянно увеличивается объем мультипроцесссирования.

Развитие суперкомпьютеров сдерживает два фактора. Первый из них заключается в ограниченности возможности разбиения данных для одновременного выполнения на потоке. Второй фактор – увеличение объема вычислений ограничивается стоимостью используемых процессорных систем для параллельной обработки данных. Стоимость такой системы линейно растет с увеличением числа простых процессоров, производительность ее увеличивается медленнее из-за возникающих здесь связей и низкой эффективности использования составляющих систему процессоров.

Эффективность разработки и использования суперкомпьютеров зависит от времени их создания, стоимости изготовления, степени удовлетворения насущных нужд науки, возможности обмена информацией с другими суперкомпьютерами.

Разработка сети передачи данных, объединяющей суперкомпьютеры, является важной и насущной задачей для многих научных и коммерческих организаций. Кроме того, данные сети позволяют получить доступ индивидуальных пользователей к суперкомпьютерам из разных точек планеты.

Приведем практические примеры применения суперкомпьютеров в различных областях науки и техники.

Важное мирное использование суперкомпьютеры находят при предсказании погоды. Таким примером может быть 1024-процессорный компьютер Cray T3E-900 фирмы SGI, показавший производительность 69 Гфлоп (миллиардов операций с плавающей точкой в секунду) на программе HILARM - прогнозировании погодных катаклизмов. Этот компьютер, оснащённый 1328 процессорами, показал производительность до 1,195 Тфлоп. Такая производительность позволила увеличить время предсказания стихийных бедствий с 30 минут до 6 часов. Cray ТЗЕ-900 используют не только в области мереорологии, а также для создания трёхмерных моделей гелиосферы, моделирования процессов, протекающих в земной коре и решения медицинских задач в сфере молекулярной динамики.

Французская комиссия по атомной энергетике (СЕА) также заинтересовалась возможностью использования супервычислений и предложила компании Compaq создать суперкомпьютер производительностью пять трлн. операции в секунду. Таким образом, в 2001 г. будет создан один из самых мощных суперкомпьютеров в мире, состоящий из 2000 процессоров Alpha.

В амстердамском Центре прикладных исследований (NWO) в 2000 г. начал использоваться суперкомпьютер, созданный компанией SGI. Его производительность достигает одного трлн. операций в секунду.