Opracował Karol Rachwalski Superkomuptery Opracował Karol Rachwalski

Superkomputer, klaster - co to jest? Tak naprawdę trudno zdefiniować, którą maszynę należy nazwać "superkomputerem". Zależy to bowiem nie tylko od mocy obliczeniowej czy zajmowanej przez nią powierzchni, ale również od momentu, w którym jej się przyglądamy. Przeciętny pecet z procesorem AMD czy Intela taktowany zegarem 1 GHz byłby superkomputerem, gdyby przenieść go dwadzieścia lat wstecz.  Wydaje się, że jednym z rozsądniejszych kryteriów jest branie pod uwagę pochłanianej przez maszyny mocy. Choć granica nawet tutaj jest płynna, mówi się, że gdy do chłodzenia komputerów wymagane jest stworzenie osobnego, klimatyzowanego pomieszczenia, możemy mówić przynajmniej o zarodku superkomputera. Oczywiście tak wielka konsumpcja energii elektrycznej ma swoje negatywne skutki - amerykańska agencja AFCOM bije na alarm, że każdego roku centra obliczeniowe pochłaniają więcej i więcej mocy

Przedrostek "super-" nie bierze się wyłącznie z zastosowania bardzo wydajnych procesorów. Każda supermaszyna to innowacyjny, projektowany często od zera układ, chciałoby się powiedzieć: organizm. Można by rzec, że przypomina ona procesor RISC w dużo większej skali: mamy olbrzymią ilość jednostek obliczeniowych i trzeba je tak połączyć, by wszystkie dało się nakarmić optymalną ilością danych. Służą do tego specjalne magistrale łączące CPU, chipy przydzielające dostęp do pamięci czy zapewniające komunikację itd. Infrastruktura zapewniająca procesorowi kontakt ze światem zewnętrznym (w typowym pececie zwana chipsetem) wpływa na spowolnienie operacji wykonywanych przez CPU, ale jest absolutnie niezbędna. A przynajmniej tak się wydawało, póki Cisco - firma znana z produkcji urządzeń sieciowych - nie wystąpiła z koncepcją spinania w sieci nie wielkich maszyn, lecz – procesorów Super- czy hiperkomputery rzadko pracują w pojedynkę. Zwykle spina się je w wielkie układy połączone sieciami o olbrzymich przepustowościach (np. Ethernet 1 Gbit czy Infiniband), które tworzą klastry. Klaster jest samodzielną jednostką, której można przypisać określone zadanie obliczeniowe albo który można wirtualnie podzielić w celu równoległego zajmowania się więcej niż jedną złożoną kalkulacją. 

Polskie superkomputery, superprocesory na kartach graficznych Ostatni raz polski superkomputer trafił na listę TOP 500 w 2003 roku - była to maszyneria należąca do Politechniki Gdańskiej. Klaster składał się ze 128 serwerów Optimusa, każdy z dwoma procesorami Intel Itanium 2 1,3 GHz oraz 2 GB pamięci RAM. Poszczególne serwery połączono gigabitowym Ethernetem   Zupełnie niedawno superkomputer na PG został zmodernizowany. W teście HPLinpack - używanym do benchmarkowania wydajnych maszyn - uzyskał wynik 1,117 teraflopa. Warto zwrócić uwagę, że to mniej niż wspominany na początku komputer z kartami ATI na pokładzie ! Oczywiście jest w tym pewien haczyk: moc obliczeniową komputera wyznaczono teoretycznie sumując wydajność wchodzących w jego skład chipów, w tym także GPU firmy ATI; procesory graficzne są wydajne, ale nadają się tylko do pewnych typów operacji matematycznych. W superkomputerach natomiast sumuje się moc procesorów - układów zwykle bardziej uniwersalnych (czytaj: mniej specjalizowanych) niż procesory graficzne. 

Z innych polskich ośrodków naukowych na pewno należy wymienić znane Interdyscyplinarne Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego (ICM) Uniwersytetu Warszawskiego (które zakupiło w 2003 roku komputer Cray X1) czy Uniwersytet Jagielloński. Praktycznie jednak każda większa uczelnia może się poszczycić bardzo wydajnym zespołem obliczeniowym. Krążą również pogłoski, że w sieci Era obsługą połączeń zajmują się maszyny IBM DeepBlue. -Farma serwerów nk.pl, o wydajności 46 TFLOPS. -Farma serwerów QXL Poland, o wydajności 40 TFLOPS. -Galera w TASK w Gdańsku, o wydajności 38 TFLOPS. -Klaster Reef w PCSS w Poznaniu, o wydajności 37 TFLOPS. -Nova w WCSS we Wrocławiu, o wydajności 34 TFLOPS. -Nautilus w ICM w Warszawie, o wydajności 18,5 TFLOPS. Komputer ten w listopadzie 2008 roku znalazł się na pierwszym miejscu listy Green500, jako najbardziej energooszczędny superkomputer na świecie (z wynikiem 536 MFLOPS/wat)

A co na świecie? Prymat IBM-a i Stanów Zjednocznych w dziedzinie wydajnych maszyn jest bardzo widoczny. Na przykład Japonii przeszkadzał on tak bardzo, że zapowiedziała, iż do 2011 roku uruchomi superkomputer, który przebije wydajnością wszystkie stworzone w USA maszyny. I nie tylko te: Japończycy planują uruchomienie hiperkomputera, który pod względem mocy obliczeniowej przewyższy wszystkie maszyny z listy TOP 500 razem wzięte. Takie podejście nie powinno dziwić. Choć wydajne maszyny stają się coraz popularniejsze, tylko kraje będące potęgami obliczeniowymi są w stanie utrzymać się w czołówce pod względem rozwoju. Bez wydajnych klastrów nie ma bowiem nowoczesnych lekarstw, oszczędnych samochodów, symulowania zjawisk pogodowych, przewidywania trzęsień ziemi czy... potężnych bomb.

Najszybsze komputery w historii

FLOPS- co to takiego FLOPS (ang. FLoating point Operations Per Second) – liczba operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę Jest jednostką wydajności układów realizujących obliczenia zmiennoprzecinkowe, np. komputerów. Większość współczesnych mikroprocesorów zawiera koprocesor, który jest odpowiedzialny za wykonywanie obliczeń zmiennoprzecinkowych. Dlatego też parametr FLOPS pokazuje głównie wydajność jednostki FPU. Jednym z częściej wykorzystywanych sposobów testowania wzorcowego mierzącego wydajność jest LINPACK napisany w języku Fortran. Linpack jest wykorzystywany m.in. w projekcie TOP500, który zajmuje się testowaniem najbardziej wydajnych superkomputerów.

Jak zbudowane są superkomputery? W przeciwieństwie do większości domowych pecetów, w których znajduje się procesor, twardy dysk i pamięć operacyjna, nowoczesne superkomputery są zespołami pojedynczych jednostek komputerowych, tak zwanych węzłów (ang. nodes). Każdy węzeł zawiera z reguły kilka procesorów, przy czym są to zwykłe, dostępne w sprzedaży procesory, często z serii Xeon firmy Intel lub Opteron z AMD. Pojedyncze węzły są połączone ze sobą szybką siecią i wspólnie osiągają gigantyczną moc. Taki układ nazywa się komputerami równoległymi, a ich najważniejszym zadaniem jest podział zadań obliczeniowych na wiele procesorów równocześnie i zwielokrotnienie w ten sposób tempa pracy. Najważniejszymi graczami w tym segmencie rynku są firmy Hewlet-Packard i IBM, które w sumie zbudowały 400 z 500 najszybszych superkomputerów. Pewną rolę odgrywają też firmy Cray i SGI, które wprawdzie budują mniej komputerów, ale za to szczególnie wydajnych.

Jugene z Jülich Na przykładzie Jugene z Jülich omówię budowę nowoczesnego superkomputera. Jugene może wykonywać biliard operacji rachunkowych na sekundę (1 petaflops) i należy tym samym do najszybszych superkomputerów świata. Używa do tego 294 912 procesorów znajdujących się w 72 chłodzonych cieczą szafach. W hali obliczeniowej Jülich Supercomputer Centre stoją 72 szafy z 294 912 procesorami. Razem tworzą superkomputer Jugene.

Węzeł Węzeł danych (ang. node) składa się z jednego procesora czterordzeniowego, 2 gigabajtów pamięci operacyjnej i podzespołów do komunikacji i wymiany danych z innymi węzłami. Moduł główny 32 węzły obok siebie mieszczą się na module głównym (ang. node card). Ponieważ w węzłach znajdują się procesory nieemitujące zbyt wiele ciepła, można je ustawić ciasno obok siebie.

Szafa Grupy 32 modułów głównych tworzą szafy (ang. rack), które składają się na cały system. Poszczególne szafy są połączone ze sobą kłębowiskiem przewodów przesyłających dane.

Jakie oprogramowanie zarządza pracą superkomputerów? Superkomputery wymagają superprogramów. Dla szybkiego i rzetelnego wykonania obliczeń są one prawie tak samo ważne jak sprzęt. Windows zainstalowany na superkomputerze nie byłby ani odrobinę szybszy niż na domowym pececie, bo wykorzystywałby tylko dwa procesory. Wieloprocesorowe komputery wymagają więc dedykowanego oprogramowania. Z reguły stosuje się w nich specjalistyczne systemy operacyjne, na przykład Scientific Linux.

Co obliczają superkomputery? Superkomputery stosowane są tam, gdzie trzeba przetworzyć gigantyczne ilości danych. Wciąż rośnie ich rola w naukach przyrodniczych, ale superkomputerów używają również firmy i siły zbrojne. Badania nad klimatem: superkomputery służą do tworzenia modeli pozwalających na badanie globalnych zmian klimatycznych i obliczają regionalne prognozy pogody na wiele dni. W najnowszych obliczeniach dotyczących pogody uwzględnia się nawet takie czynniki, jak chłodzące działanie szybujących w powietrzu cząstek, procesy chemiczne w atmosferze i wpływ roślin. Medycyna: badacze wykorzystują superkomputery do symulowania eksperymentów. Dzięki temu nie trzeba wykonywać wielu prób na zwierzętach, a opracowywanie nowych leków trwa krócej. Odkodowanie ludzkiego genomu bez superkomputerów nie byłoby możliwe.

Co obliczają superkomputery? cd. Gospodarka: w przemyśle samochodowym, lotniczym i stoczniowym testy na wirtualnych prototypach przyspieszają opracowywanie nowych modeli. Superkomputery symulują zużycie materiałów i zachowanie podczas wypadków. Airbus A380 został w dużej części skonstruowany za pomocą superkomputera. Siły zbrojne: armie używają superkomputerów przede wszystkim do obliczeń wyników możliwych konfliktów oraz do opracowywania i symulacji działania nowych rodzajów broni. Roadrunner - najszybszy komputer świata - oblicza między innymi skutki eksplozji ładunków jądrowych.

W jaki sposób steruje się superkomputerami? W zasadzie tak samo, jak każdym innym komputerem, a więc za pomocą myszy i klawiatury, jednak naukowcy nie sięgają bezpośrednio do superkomputera, a do zarządzających superkomputerem programów zainstalowanych na pecetach, a następnie przez sieć kopiują dane do superkomputera. Zanim ten przystąpi do wykonania pracy, administrator przyznaje programowi określony czas na obliczenia - superkomputery mają na ogół wielu użytkowników. W instytucjach naukowych badacze muszą często rezerwować terminy na wiele miesięcy z góry, a ilość przyznanego czasu zależy od znaczenia projektu.

Czy są również superkomputery do użytku domowego? Cray CX1 Od niedawna specjalizująca się w budowie superkomputerów firma Cray ma w ofercie CX1 - mały superkomputer. W zależności od wyposażenia może on mieć do 16 procesorów czterordzeniowych i 64 GB pamięci operacyjnej, a jego moc obliczeniowa osiągająca 786 gigaflopsów pozostawia wszystkie pecety daleko w tyle. CX1 jest niewiele większy od domowego komputera, ale jego pobór mocy wynosi 1600 watów. W zależności od wyposażenia CX1 kosztuje od 100 000 do 220 000 złotych, a jego systemem operacyjnym jest Windows HPC Server 2008 lub Red Hat Enterprise Linux.

Komputery ze specjalną kartą graficzną Absolutną nowością są superkomputery, w których priorytetem jest moc obliczeniowa karty graficznej. Powód: procesory graficzne wykonują obliczenia matematyczne znacznie szybciej niż zwykłe procesory pecetów. Takie specjalne komputery mają wbudowane nawet osiem kart graficznych, a ich moc obliczeniowa sięga 8 teraflopsów. Działają pod kontrolą specjalistycznego oprogramowania, opracowanego z myślą o optymalnym wykorzystaniu właściwości kart graficznych - na przykład programów do symulacji przepływów. Ceny takich bolidów obliczeniowych rozpoczynają się od 45 000 złotych.

Wygaszacze ekranu Nawet nasz pecet może stać się częścią superkomputera. Alternatywą dla stosowania drogich maszyn obliczeniowych stały się specjalne wygaszacze ekranu, które każdy użytkownik może zainstalować na swoim komputerze. Internet pozwala na połączenie tysięcy, a nawet milionów pecetów w jeden superkomputer. Naukowcy wykorzystują tę ogromną moc obliczeniową do rozmaitych projektów, takich jak SETI, którego celem jest wyszukiwanie pozaziemskich form życia, BIONC, który zajmuje się obliczaniem zmian klimatycznych (patrz ilustracja poniżej) czy Folding, badający zachowanie białek.

Porównanie peceta i superkomputera Jak poradzi sobie zwyczajny pecet ze sklepu w konfrontacji z najszybszym superkomputerem świata? Do tej nierównej walki przystępują komputer biurkowy i Roadrunner firmy IBM. Komputer ze sklepu ma szybkość porównywalną z najszybszym superkomputerem z 1993 roku (Thinking Machines CM-5/2024), ale wobec współczesnego superkomputera jest na straconej pozycji. Roadrunner liczy 27 500 razy szybciej niż komputer z supermarketu, ale jest 130 000 razy droższy, zajmuje cały duży budynek, zużywa prądu tyle co małe miasto i generuje piekielny hałas.

Jak wygląda przyszłość superkomputerów? Eksperci oceniają, że całkowita moc obliczeniowa 500 najmocniejszych superkomputerów podwaja się co 14 miesięcy, co z kolei odpowiada tysiąckrotnemu wzrostowi mocy co jedenaście lat. Jeśli ten kierunek utrzyma się, to w roku 2019 możemy spodziewać się pierwszego superkomputera o mocy 1 eksaflopsa, czyli wykonującego jeden trylion operacji obliczeniowych na sekundę. Eksa to liczba o 18 zerach. W blokach startowych jest już superkomputer Sequoia, który ma zostać uruchomiony w roku 2012. Jego producent, firma IBM, obiecuje maksymalną moc obliczeniową na poziomie 20 petaflopsów, czyli więcej niż 500 najszybszych aktualnie superkomputerów razem wziętych. Nowy potwór obliczeniowy ma mieć 1,6 miliona procesorów i 1,6 terabajta pamięci operacyjnej. Ta gigantyczna moc obliczeniowa ma umożliwiać tworzenie prognoz pogody z dokładnością do 100 m i pięćdziesięciokrotnie zwiększyć dokładność przewidywania trzęsień ziemi.

Czy superkomputery są inteligentniejsze od ludzi? Eksperci szacują wydajność ludzkiego mózgu na dokładnie 20 petaflopsów, a więc o wiele więcej niż w przypadku najszybszych aktualnie superkomputerów, ale największą część zasobów mózgu pochłania funkcjonowanie ludzkiego ciała i czynności takie jak ocena wrażeń zmysłowych. Zapotrzebowanie mózgu na energię wynosi około 20 watów, a więc mniej więcej tyle, ile potrzebuje oszczędny notebook. Superkomputer taki jak Roadrunner zużywa 2 350 000 watów energii, a więc ilość, jaką można by oświetlić małe miasto za pomocą 23,5 tysiąca 100-watowych żarówek. Czy sztuczna inteligencja przewyższa ludzki mózg? Próbę odpowiedzi na to pytanie podejmie w niedalekiej przyszłości telewizyjny show. Firma IBM planuje próbę sił pomiędzy człowiekiem a superkomputerem w popularnym show Jeopardy, znanym w Polsce pod nazwą Va banque.

W programie uczestnicy muszą do podanych odpowiedzi utworzyć pytania W programie uczestnicy muszą do podanych odpowiedzi utworzyć pytania. Jeszcze nie wiadomo, kiedy ten spektakularny pojedynek zostanie wyemitowany w telewizji ani kto będzie przeciwnikiem dla Blue Gene. W szachach superkomputery zdystansowały ludzi już dawno temu: w 2005 roku superkomputer Hydra jednoznacznie pokonał w pojedynku mistrza szachowego Michaela Adamsa, a rok później typowy pecet wyposażony w program do gry w szachy Deep Fritz pokonał ówczesnego mistrza świata Władimira Kramnika 4:2. Od tego czasu żaden mistrz szachowy nie odważa się na staczanie pojedynków z komputerem. W azjatyckiej grze planszowej GO, najlepsi gracze wciąż przewyższają komputery: rok temu zawodowy gracz Kim Myung Wan bez wysiłku pokonał superkomputer Huygens, chociaż ten ostatni miał siedem ruchów handicapu i dodatkowy czas do namysłu.

Dziękuję za uwagę 