Конвеєрна обробка

Як бачимо з цього прикладу час обробки п’яти команд скорочується майже втричі (за дев’ять машинних циклів). Кількість таких конвеєрів визначає глибину конвеєризації. Сучесні комп’ютери мають глибину конвеєризації у кілька десятків.

Більш того, у найдосконаліших конструкціях в чіп мікропроцесора вбудовується декілька самостійних (до 6-8) обчислювальних блоків з фіксованою та плаваючою арифметикою, надшвидка внутрішня пам’ять (кеш) та дивовижний пристрій управління. Цей пристрій пророчить можливий розвиток обчислювального процесу на декілька кроків уперед, і з урахуванням цього організує паралельну роботу кількох конвеєрів. Неминуча плата за таку організацію – значне підвищення складності та вартості схеми.

4. Багатопроцесорні конфігурації. Неважко прийти до висновку, що, якщо не можна використовувати можливості закону Мура на одному ядрі через виняткову складність такого ядра, то слід піти шляхом збільшення числа ядер. Саме так поступили в Sun Microsystems, випустивши 8-ядерний процесор Niagara. Під ядром розуміється процесорний елемент разом із власною кеш-памяттю.

Тобто, коли можливості одного кристала вичерпані, продуктивність комп’ютера у цілому може бути збільшена за рахунок багатопроцесорної організації. Аналіз реальних додатків показує, що довгі ланцюжки машинних команд, які повинні виконуватися строго послідовно, зустрічаються відносно рідко, в основному в наукових розрахунках. Як правило, обчислювальний процес можна розбити на декілька паралельних гілок, кожну з яких доцільно доручити самостійному мікропроцесору.

Зараз можна говорити про дві тенденції, що помітно різняться між собою у процесі збільшення кількості ядер. Одну зараз називають мультиядерність (multi-core), у цьому випадку передбачається, що ядра є високопродуктивними та їх відносно небагато. Зараз їхня кількість – два-чотири, і згідно закону Мура вона періодично має подвоюватися. Цей шлях має два основні колишні недоліки: перший – високе енергоспоживання, другий – висока складність чіпа і, як наслідок, низький відсоток виходу готової продукції. При виробництві 8-ядерного процесора IBM Сell лише 20% кристалів, які виробляються, є придатними. Інший шлях – багатоядерність (many-core). У такому випадку на кристалі збирається на порядок більша кількість, але при цьому простих ядер, які споживають мілівати. В осяжному майбутньому з’являться процесори з тисячами та десятками тисяч ядер.

В принципі кількість процесорів у комп’ютері нічим не обмежена. Відомі конструкції з сотнями і навіть тисячами процесорів, проте сумарна продуктивність багатопроцесорної системи зростає далеко не лінійно з кількістю процесорів, оскільки у кожній програмі є деяка межа розпаралелювання, до того ж у багатопроцесорних системах різко зростають накладні витрати на диспетчеризацію обчислювального процесу. Практика показала, що на стандартних комерційних завданнях продуктивність системи зростає як sqrt(n), тобто чотирипроцесорна конфігурація лише у два рази продуктивніше однопроцесорної, проте на спеціальних завданнях, що припускають багаторазове розпаралелювання (наприклад, аналіз варіантів ходу у шаховій партії), багатопроцесорні комп’ютери можуть показувати рекорди продуктивності.

8.5. Toп-500 – рейтинг супер-ЕОМ

На закінчення цього розділу наведемо деякі дані по розробках нових супер-ЕОМ. На першу половину 2008 року найшвидшим суперкомп’ютером на землі був BlueGene L з піковою продуктивністю в 478,2 Терафлоп (478,2 трильйона операцій за секунду). Він очолював рейтинг Toп-500 (Top-500). Топ-500 (www.top500.org) – рейтинг п’ятисот найпотужніших супер-ЕОМ, що оновлюється кожні півроку.

Перші петафлопові (1 петафлопс – квадриллион (10¹⁵), або тисяча трильйонів, операцій за секунду) суперкомп’ютери з’явилися у цьому списку у червні 2008 року. Згідно з рейтингом суперкомп’ютерів за станом на листопад 2008 року лідирував суперкомп’ютер Roadrunner з Аламосской національної лабораторії у Нью-Мексіко (США) з продуктивністю, яка дорівнювала 1105 Терафлоп.

Табл. 8.1. Десятка найпотужніших комп’ютерів з ТОР-500

На 22 жовтня в списку Топ-500 першу десятку місць займали найбільш «круті» у світі машини петафлопсного діапазону. 291 машини з цього топового списку працювали у США, причому американські машини займали перші два місця рейтингу. Третій за потужністю суперкомп’ютер у світі належав Об’єднаній Європі, яка на той час мала 140 топових супер-ЕОМ. З четвертого по дев’яте місця – знов у США. У Китаї – 21 машина (найпотужніша зійшла з конвеєра 16 вересня 2008 – «Шугуан 5000A», продуктивністю більше 100 трильйонів операцій за секунду), в Японії було 15 суперобчислювачів, найпотужніший з них – на 22-му місці. Росія вище за 36-е місце в цьому списку ніколи не піднімалася. У неї на той час було лише п’ять машин з Топ-500. Найпотужніший суперкомп’ютер в Росії – МВС-100К з Міжвідомчого суперкомп’ютерного центру РАН – займав 36-й рядок світового рейтингу (71 Терафлоп).

В наведеній таблиці представлена перша десятка 35-ої за рахунком редакції списку Toп-500 за станом на червень 2010.

Новини про китайську розробку з’явилися у жовтні 2010 року і, як результат створення цієї системи, попередній лідер списку Toп-500 – Cray XT5 "Jaguar", який був створений для міністерства енергетики США і має продуктивність 1,75 петафлоп, тепер займає друге місце. Третє місце займає китайський суперкомп’ютер Nebulae.

Географічно суперкомп’ютери розподілилися таким чином: 274 суперкомп’ютерів знаходяться у США (282 у попередньому 35-му списку Toп-500 за червень), 124 в Європі (144 раніше), 84 (збільшення з 57) в Азії. У порівнянні з минулим випуском кількість суперкомп’ютерів в Росії не змінилося і як раніше складає 11 систем. Загальний розподіл по кількості суперкомп’ютерів в різних країнах виглядає таким чином (у дужках зміна у порівнянні з минулою редакцією рейтингу) :

• США: 274 (- 8);

• Китай: 41 (+17, Китай вирвався з 5 на 2 місце);

• Франція: 26 (- 1);

• Німеччина: 26 (+2);

• Японія: 26 (+8);

• Велика Британія: 25 (- 13);

• Росія: 11;

• Канада: 6 (- 1);

• Італія: 6 (- 1);

• Польща: 6 (+1);

• Саудівська Аравія: 6 (+2);

• Швеція: 6 (- 2).

Представники Top-500 оголосили про вихід 36-го (листопад 2010 г) видання списку 500 найшвидших суперкомп’ютерів планети, який підтвердив інформацію про те, що Китай побудував найпотужнішу на сьогодні систему Tianhe-1A, працюючу на основі шестиядерних центральних процесорів Intel X5670 та графічних прискорювачів NVIDIA Tesla. Продуктивність цього суперкомп’ютера сягає 2.57 петафлоп, він оснащений 229 Tерабайт ОЗУ.

Новини про китайську розробку з’явилися у жовтні 2010 року і, як результат створення цієї системи, попередній лідер списку Top-500 – Cray XT5 "Jaguar", створений для міністерства енергетики США, і який має продуктивність 1,75 петафлоп, тепер займає друге місце. Третє місце займає китайський суперкомп’ютер Nebulae.

У червні 2011 року опублікована 37-а редакція Top500 – список 500 найпотужніших комп’ютерів світу. У гонці суперкомп’ютерних потужностей знову змінився лідер. Японський суперкомп’ютер K став найпотужнішим у світі, обігнавши своїх найближчих переслідувачів з Китаю та США. Він досяг швидкості роботи у 8,162 квадрильйона (петафлоп) операцій за секунду, повідомляє його виробник Fujitsu.

Зараз комп’ютер складається з 672 спеціальних комп’ютерних корпусів, в яких знаходяться 68 544 процесори. Зрештою кількість процесорів збільшиться до 80 тис., а продуктивність – до 10 петафлопс.

Випробування, що проводились 7-8 жовтня 2011 року, підтвердили передбачувані результати, що і повідомляється на сайті компанії Fujitsu, розробника K комп’ютера. Тест Linpack, який традиційно застосовується для оцінки продуктивності суперкомп’ютерів, дав результат в 10,51 петафлопс. Таким чином, K комп’ютер побив власний рекорд продуктивності.

K комп’ютер у його нинішній конфігурації об’єднує 864 обчислювальних стойки та 88128 процесорів. Теоретична продуктивність системи складає 11,28 петафлопс.

Та все ж, найпотужніший суперкомп’ютер почав свою роботу у 2012 році. За повідомленням Оукриджской національної лабораторії (ORNL) Міністерства енергетики США (DOE) у 2012 році був введений у дію новий суперкомп’ютер – система Titan.

Проектуванням обчислювального комплексу займалася компанія Cray. Установка суперкомп’ютера здійснювалася у два етапи: складання першої черги (кінець 2011 року), а друга черги – 2012 рік.

Очікувалося, що швидкодія "Титану" складе до 20 квадриллионов операцій з плаваючою крапкою за секунду (20 петафлоп). Розрахункова вартість комплексу – біля $100 млн; використати його планується для проведення складного моделювання енергетичних систем.

Далі ми представимо ТОП-10 найпотужніших суперкомп'ютерів за версією 2013 року.

1. На першому місці, як і очікувалося, знаходиться суперкомп'ютер Titan. Цей мощній і дорогий суперкомп'ютер був створений за участю компаній Cray і Nvidia. Суперкомп'ютер знаходиться в Національній лабораторії Оук-Рідж, що в Теннесі. За одну секунду цей суперкомп'ютер може виконати до 17.58 квадрильйона операцій з плаваючою крапкою. Його продуктивність орієнтовно еквівалентна 17.59 петафлопс.

2. На другому місці розташувався суперкомп'ютер під назвою Sequoia. Він був створений співробітниками Ліверморської національної лабораторії (США), де він, власне, і знаходиться. Потенціал цього комп'ютера використовується для симуляції роботи ядерної зброї, адже його створення дозволило проводити ядерні випробування не на місцевості, а у віртуальному просторі. Його приблизна продуктивність дорівнює 16.32 петафлопс.

3. Трійку лідерів замикає японський суперкомп'ютер – «K computer», який був зібраний компанією Fujitsu. Комп'ютер знаходиться в будівлі Інституту фізико-хімічних досліджень (місто Коба). Потужності цього суперкомп'ютера використовуються для моделювання катастроф і прорахунків гіпотетично можливих землетрусів. Його продуктивність складає 10.51 петафлопс.

4. На четвертому місці суперкомп'ютер, який був зібраний в США компанією IBM. Комп'ютер був зібраний в 2011 році і знаходиться в Арагонською національною лабораторії. Його потенціал використовується вченими для оцінки кліматичних змін, а також моделювання електрокарів і оцінки розвитку нашого Всесвіту. Приблизна продуктивність 8.16 петафлопс.

5. На п'ятому місці закріпився німецький суперкомп'ютер, який був зібраний в Німеччині в 2012 році. На даний час комп'ютер перебуває в Дослідницькому центрі Юліха. Головним завданням комп'ютером є моделювання різних процесів, у число яких входять і кліматологія, і фізика. За версією TOP-500 даний суперкомп'ютер є найпотужнішим суперкомп'ютером в Європі.

6. У золоту середину вписався SuperMUC, зібраний фахівцями з IBM, продуктивністю на рівні 3 петафлопс. Цей суперкомп'ютер містить 324 терабайта DDR3 пам'яті, а в якості ОС на комп'ютер встановлена ​​Linux.

7. На сьомому місці розташувався суперкомп'ютер Техаського університету (США) продуктивністю на рівні 2-3 петафлопс, ​​280 терабайт оперативної пам'яті і близько 20 петабайт дискового простору.

8. На восьмому місці знаходиться китайський суперкомп'ютер Tianhe-1A. Комп'ютер складається з 103 стійок і важить близько 160 тонн. Комп'ютер знаходиться в Національному університеті оборонних технологій Китаю. До складу суперкомп'ютера увійшли 7168 графічних процесорів від компанії Nvidia і 14556 центральних процесорів від компанії Intel. Продуктивність його – 2.507 петафлопс.

9. На дев'ятому місці ще одне творіння компанії IBM - суперкомп'ютер Fermi. Цей суперкомп'ютер розташований в Італії. Він вільно доступний для потреб 54 італійських університетів. Його продуктивність складає 2.1 петафлопс.

10. На десятому місці французький суперкомп'ютер розроблений і зібраний компанією Bull. Загальна кількість ядер – 80 000. Пікова продуктивність цього суперкомп'ютера наближається до показника в 2 петафлопса.

У Росії будується найпотужніший суперкомп'ютер в Європі МВС-10П, який повинен у 3 рази збільшить продуктивність обчислювального комплексу Міжвідомчого суперкомп'ютерного центру Російської академії наук (МСЦ РАН).

На квітень 2013 р. в МСЦ створений прототип майбутнього комп'ютера потужністю 523,8 Тфлопс. Він складається з 208 обчислювальних вузлів, кожен з яких включає по два 8-ядерних процесора (всього 3,3 тис. ядер). У 2013 р. планується довести продуктивність системи до 2 петафлопс.

Найпотужнішим на 2013 р. російським суперкомп'ютером є «Ломоносов», розташований в МДУ. В останній редакції рейтингу він посідає 26-місце. Його максимальна продуктивність складає близько 920 Тфлопс. У комп'ютері стоїть 78,6 тис. ядер.

Згідно списку рейтингу 2013 р. в США встановлено п'ять з десяти найбільш продуктивних обчислювальних систем в світі. На Європу припадає 105, Азію - 124, обидві Америки - 264 суперкомп'ютера зі списку.

Час іде і все змінюється. Вже на кінець 2013 р. (42-й випуск рейтингу був оприлюднений 18 листопада 2013 р.) ТОП-10 найпотужніших суперкомп'ютерів очолив ктайский суперкомп'ютер Tianhe-2 (Тяньхэ – Чумацький шлях), розроблений і виготовлений китайським Національним університетом оборонних технологій.  Спочатку планувалося закінчити проект в 2015 році, але його вдалося запустити достроково до кінця 2013 року.

Tianhe-2 состоит из 16 тысяч узлов, каждый из которых включает в себя 2 процессора Intel Xeon E5-2692 12 ядрами каждый (частота 2,2 ГГц) и 3 специализированных сопроцессора Intel Xeon Phi31S1P по 57 ядер на ускоритель (частота 1,1 ГГц), который в тесте Linpack продемонстрировал производительность 33.86 петафлоп за секунду (квадрильонов операций з плаваючею крапкой за секунду).

Японські вчені також планують в 2020 році створити новий суперкомп'ютер, здатний виконувати один квінтильйон (мільйон трильйонів) операцій з плаваючою крапкою за секунду (http://www.unn.com.ua).

Новий суперкомп'ютер буде в 30 разів перевищувати потужність самого потужного на даний момент суперкомп'ютера, китайської системи Tianhe-2. Такі суперкомп'ютери знайдуть своє місце в областях розробки лікарських препаратів, дослідження в галузі астрофізики, моделювання мозку та інших сферах, де потрібні дуже складні математичні обчислення.