Superpočítač

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání
Superpočítač „Columbia“

Superpočítač je v informatice označení pro velmi výkonný počítač, v poslední době též pro počítačový cluster (spojení mnoha počítačů dohromady). Nejrychlejším superpočítačem světa byl v listopadu 2012 americký superpočítač Titan od firmy Cray Inc., který dosahuje rychlosti až 17,59 petaflops.Tyto přístroje mají enormní spotřebu v řádech desetitisíců watt. Při takovém elektronovém toku se i supravodivý materiál musí chladit na teploty -265 stupňů. [1]

Charakteristika[editovat | editovat zdroj]

Podíl operačních systémů na 500 nejvýkonnějších superpočítačích.

Hranice pro označení superpočítač není přesně daná. V některých pramenech se hovoří o minimálně desetinásobně vyšším výkonu oproti běžně dostupným počítačům, avšak za superpočítače jsou s jistou mírou nadsázky označovány i méně výkonná, avšak zajímavá řešení (například superpočítač z Raspberry Pi).[2] Výkon superpočítačů je měřen v jednotkách FLOPS (FLoating Point Operations Per Second), přičemž se využívají SI násobky, např. "TFLOPS" (1012 FLOPS, napíšeme jeden teraflops). Měření je založené na benchmarku, který počítá operace s velkými maticemi.

Jak je možné vidět na obrázku, největší podíl v oblasti operačních systémů mají unixové systémy, speciálně pak Linux, což je způsobeno otevřeností těchto systémů.

Architektura moderních superpočítačů[editovat | editovat zdroj]

Architektura superpočítačů je v současné době založena na propojení velkého množství běžných počítačů prostřednictvím vysokorychlostní počítačové sítě (viz počítačový cluster). Tento způsob používá např. firma Google pro katalogizaci stránek z celého internetu. Cluster z běžných počítačů je nesrovnatelně levnější, než jeden specializovaný superpočítač obdobného výkonu. Prvních deset nejvýkonnějších superpočítačů v žebříčku TOP500 má stejnou základní architekturu. Každý z nich je clusterem MIMD (Multiple Instruction stream, Multiple Data stream) multiprocesorových sestav, přičemž každý z procesorů je architektury SIMD (Single Instruction/Multiple Data). Superpočítače se radikálně liší počtem multiprocesorových jednotek na cluster, počtem procesorů na jednu jednotku a počtem současně vykonavatelných instrukcí na jeden SIMD procesor.

  • Počítačový cluster je soubor počítačů propojených vysokorychlostní sítí, přičemž na každém z nich běží samostatné úlohy operačního systému.
  • Multiprocesorový počítač je počítač, na kterém běží jeden samostatný operační systém a používá víc, jako jeden CPU, přičemž počet uživatelských aplikací je jiný jako počet procesorů. Procesory sdílejí úlohy pomocí technologií SMP (Symmetric multiprocessing) a NUMA (Non-Uniform Memory Access).
  • SIMD procesor spouští stejné instrukce na více jako jednom souboru dat v tomtéž čase. Jsou to tzv. vektorové procesory. Jejich výhodou je větší efektivita s tím spojená nižší spotřeba při stejném výkonu.

Historie[editovat | editovat zdroj]

První superpočítače byly vytvořené v šedesátých letech Seymourem Crayem. Veřejnosti byly zpřístupněné prostřednictvím jeho firmy Cray Research. V osmdesátých a začátkem devadesátých let vstupovaly na trh se superpočítačem mnohé malé firmy. Ty však byly začátkem devadesátých let vytlačeny velkými "tradičními" společnostmi jako IBM a HP.

Nazývat nějaký výpočetní stroj superpočítačem můžeme jen při současné specifikaci doby, ve které byl navržen a sestrojen. Důvodem relativnosti tohoto přívlastku je rychlý vývoj v této oblasti, protože stačí několik let a běžné počítače se výkonem plně vyrovnají několik let starému superpočítači. V prvním Crayově stroji byly jednoduché a rychlé skalární procesory, přibližně 10krát rychlejší jako běžně používané v komerční sféře. V sedmdesátých letech se na trh dostávají levné stroje postavené na vektorových procesorech od malých výrobců s novou vlastní architekturou. Začíná se prosazovat paralelizace, čtyř až šestnácti výpočetních jader. Začátkem devadesátých let začala vlna enormní paralelizace. Toto vedlo k superpočítačům postavených na serverových procesorech architektur PowerPC, Intanium nebo x86-64. Zpočátku byly množstvím rovnocenných procesorů uspořádaných do navzájem propojených struktur. Dnes nastává éra hybridních řešení, ve kterých se využívají různé druhy procesorů na různé části výpočetního procesu. Jejím "zakladatelem" se stává IBM se systémem založeným na procesorech Cell a Opteron pro Los Alamos National Laboratory.

Využití[editovat | editovat zdroj]

Superpočítače jsou používány pro složité výpočetní úlohy, např. výzkum genomu, fyzikální modelování (např. modelování jaderných výbuchů, předpovídání počasí), kryptoanalýzu apod. Pro některé úlohy se vytvářejí specializované superpočítače (viz níže).

Mezi superpočítače lze zařadit i spojení velkého množství běžných osobních počítačů pomocí internetu. To je výhodné u výpočtů, které lze snadno paralelizovat a nevyžadují rychlou komunikaci mezi jednotlivými uzly. Jedním z nejznámějších projektů tohoto druhu je SETI@home, který se zabývá analýzou signálů z radioteleskopu a dosahuje výkonu přibližně 250 teraflops (biliónů operací za sekundu).[3] Tento způsob využívání volného procesorového času počítačů po celém světě pomocí internetu se nazývá grinding.

Superpočítače se dnes využívají téměř ve všech vědních oblastech. Používají se na tvorbu a testování modelů sledovaných nebo zkoumaných jevů.

  • modely kvantové fyziky, předpovídání počasí, modely organické chemie
  • kryptoanalýza, modely dopravní situace

Superpočítače se speciálním určením[editovat | editovat zdroj]

Mnoho superpočítačů nebylo postavených, aby uspokojovaly potřeby vědecké komunity, ale pro řešení konkrétní úlohy. Například:

Hardware a software[editovat | editovat zdroj]

Výpočetní síla superpočítačů s sebou přináší extrémní složitost po hardwarové i softwarové stránce.

Napájení a chlazení
Napájení a chlazení je nejviditelnějším problémem. Superpočítače sestavované z velkého množství paralelně zapojených procesorů se spotřebou podobnou jako mají běžně dostupné počítače na trhu. Vzhledem na velikost celého systému je jejich spotřeba enormní, což klade velké nároky na interní elektrické rozvody, které musí být chlazené. V některých případech jsou využívány supravodivé materiály v kombinaci s chlazením na teplotu blízkou absolutní nule. Chlazení samotných procesorů je také náročná úloha. Dnes nejrozšířenější metodou je využití kapalinového okruhu. Někdy se využívá dusíkové nebo héliové chlazení.
Velký objem přenášených dat
Velký objem přenášených dat je dalším problémem. Sítě musí mít obrovskou datovou propustnost a zároveň musí být dostatečně rychlé. Jejich rychlost je však limitovaná rychlostí šíření elektromagnetického impulzu. Zdali už se jedná o optickou nebo metalickou síť, rychlost přenosu dat je limitovaná rychlostí světla.
Vysoké frekvence
Vysoké frekvence v řádech GHz jsou dalším problémem. Při vysokých elektrických frekvencích impuls ztrácí schopnost šířit se i po velmi krátkých vodičích. Je to způsobeno tím, že každý vodič se stává téměř dokonalou anténou, pokud je jeho délka rovna alespoň polovině vlnové délky el. signálu v tomto vodiči. Proto je nutné všechny spoje realizovat pomocí vedení nebo vlnovodů, což však klade velké nároky na konstrukci a použití materiálů.

Technologie ze světa superpočítačů[editovat | editovat zdroj]

Software[editovat | editovat zdroj]

Softwarové nástroje na distribuované procesy standardně obsahuje API jako MPI, PVM nebo opens source a to Beowulf, WareWulf, openMosix. Tyto nástroje umožní vytvoření superpočítače z několika propojených pracovních stanic. Technologie ZeroConf (Rendezvous/Bonjour) se využívají na vytvoření jednoúčelových clusterů pro specializovaný software jako například Apple's Shake (úprava a tvorba obrazu). V této oblasti je free software na stejné úrovni jako komerční.

Programování[editovat | editovat zdroj]

Paralelní architektura si přímo vynucuje použití speciálních metod a nástrojů, aby bylo možné maximálně využít dostupný výkon. Často se používají speciální překladače pro jazyk Fortran, které generují rychlejší kódy jako kompilátory jazyků C a C++. Programovací jazyk Fortran je přímo určený na vědeckotechnické výpočty. Pro rozvinutí paralelizmu se používají prostředí jako PVM, MPI nebo OpenMP.

Žebříček TOP500[editovat | editovat zdroj]

Od roku 1993 jsou superpočítače řazené do žebříčku TOP500 OS, podle výsledku v benchmarku LINPACK. Současný (od června 2013) nejvýkonnější superpočítač je čínský "Tianhe-2" o výkonu 33,862 590 TFLOPS od společnosti NUDT. Druhou příčku zabírá "Titan" od Cray Inc. o výkonu 17,590 324 TFLOPS. Český nejvýkonnější počítač "Anselm" neobsadil v tomto testu žádné místo. Žebříček TOP500 se obnovuje dvakrát do roka.

České superpočítače[editovat | editovat zdroj]

Národní superpočítačové centrum IT4Innovations[editovat | editovat zdroj]

Na Vysoké škole báňské - Technické univerzitě Ostrava vzniklo v roce 2011 Národní superpočítačové centrum IT4Innovations. To bude provozovat dva superpočítače: tzv. malý a velký klastr. Malý klastr je v provozu od května 2013. Protože ještě není postavena budova Národního superpočítačového centra, je malý klastr umístěn do speciálních kontejnerů v areálu VŠB-TU Ostrava. Druhá, finální část superpočítače, tzv. velký klastr, bude uveden do provozu v roce 2015, přičemž by se v té době měl zařadit mezi 100 nejvýkonnějších superpočítačů na světě.[4]

Amálka[editovat | editovat zdroj]

Amálka je český paralelní superpočítač umístěný v Ústavu fyziky atmosféry Akademie věd ČR (ÚFA AV ČR).[5] Jeho úkolem je provádění náročných výpočtů, numerických experimentů a vizualizací v rámci kosmického výzkumu. Využití tohoto superpočítače se přitom neomezuje pouze na české projekty, ale spolupracuje se i na výzkumné činnosti pro Evropskou kosmickou agenturu a NASA. Používaným operačním systémem je Linux Slackware.

Současný výpočetní výkon Amálky je 6,38 TFLOPS (6. generace), což znamená, že superpočítač zvládne zpracovat 6,38 bilionu operací v plovoucí řádové čárce za sekundu. „Co Amálka zvládne vypočítat za jednu sekundu, by na běžném stolním počítači v roce 2007 trvalo odhadem devět hodin. Průměrná úloha, kterou Amálka řeší, jí odhadem trvá šest dní“.[5]

Na Amálce byly například analyzovány výsledky pozorování sond Cassini nebo MESSENGER.[6]

Vývoj Amálky[editovat | editovat zdroj]

Generace Rok Výkon Počet počítačů Počet procesorů Počet jader Další parametry
1 1998 jednotky MFLOPS 8 8 8
2 2000 desítky GFLOPS 16 16 16
3 2003 téměř 1 TFLOPS 96 188 188
4 2006 2,6 TFLOPS 138 272 360 180 GB RAM, 20 TB HDD, 40 kW
5 2007 4,07 TFLOPS 326 572
6[7] 2009 6,38 TFLOPS 356 800

Současné složení[editovat | editovat zdroj]

Typ procesoru Počet procesorů Počet jader Od generace
Intel Pentium III Xeon 700 16 16 2
Intel Xeon 2,80 GHz 172 172 3
Intel Xeon 5140 84 168 4
Intel Xeon E5345 54 216 5
Intel Xeon L5520 64 256 6

Dorje[editovat | editovat zdroj]

Dorje[8] ([:dordže:] – z tibetštiny, rituální žezlo, v překladu Diamantový klín, doslovně Pán kamene) je v současné době třetí nejvýkonnější český superpočítač, který je umístěn ve Fyzikálním ústavu Akademie věd. Jeho výpočetní výkon dosahuje 4,2 TeraFlops.

MetaCentrum[editovat | editovat zdroj]

MetaCentrum sdružuje superpočítače a výpočetní clustery tří superpočítačových center a několika dalších organizací. Ke konci března 2009 sdružovalo počítače:

MetaCentrum není homogenním clusterem jako Amálka, je tvořeno propojením více clusterů páteřní 10Gb/s sítí CESNETu. Nicméně dohromady MetaCentrum sdružuje k 30.3.2009 stroje s celkem 1365 jádry procesorů.

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. TOP500: TOP 10 Sites for November 2012
  2. http://www.zive.cz/bleskovky/britove-postavili-superpocitac-z-raspberry-pi-a-lega/sc-4-a-165422/default.aspx Živě.cz: Britové postavili superpočítač z Raspberry Pi a Lega
  3. http://www.boincstats.com/stats/project_graph.php?pr=sah
  4. web projektu IT4Innovations - národní superpočítačové centrum
  5. a b http://hpc.sprinx.cz/files/Tiskova_Zprava_Amalka_2007.pdf
  6. PACNER, Karel. Češi v kosmu. Praha : Academia, 2011. 191 s. ISBN 978-80-200-2033-8. Kapitola 10. Nové astronomické projekty, s. 113–114.  
  7. http://www.mediakom.cz/intel/2009_11_11-Amalka/ – 6. generace
  8. http://www-hep2.fzu.cz/twiki/bin/view/VS/VsDorje – Dorje

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]

Logo Wikimedia Commons
Wikimedia Commons nabízí obrázky, zvuky či videa k tématu