Суперкомпьютер: прогресс
- Анатомия суперкомпьютера
Крис Маррокин залез по пояс в открытый на полу люк. Данный большой юноша среднего телосложения на данный момент выглядит коротышкой, а его рубаха раздута до шварценеггеровского количества вырывающимся из люка прохладным ветром. Сжимая в руках дюймовый шланг, он пробует растолковать мне устройство совокупности жидкостного охлаждения в суперкомпьютерах IBM нового поколения, но из-за плачущего ветра я практически ничего не слышу. Мы находимся на заводе IBM в Рочестере, штат Миннесота, в экспериментальном цеху.
Тут инженеры компании собирают и испытывают суперкомпьютеры Blue Gene. Воздушный поток, что на данный момент раздувает рубаху Маррокина, обязан охлаждать маленькую, собранную всего на четырех стойках совокупность Blue Gene/P. Ее производительность — 13,9 терафлопа в пересчете на одну стойку.
А вот шланг, что Маррокин держит в руках, — часть куда более продвинутой совокупности охлаждения. Через него идет деионизированная вода с бензотриазолом в качестве антикоррозионной добавки и маленькой дозой антисептика, и данный шланг тянется к прототипу сверхмощной новинки — компьютеру Blue Gene/Q.
Стойка Blue Gene/Q установлена как бы на немного поднятой трибуне и обеспечена собственной совокупностью охлаждения — это 250 м бронзовых трубок с контрольными клапанами, легкосъемными электронным монитором и резиновыми шлангами, что смотрит за скоростью потока, точкой и давлением росы. В случае если что-то в совокупности отправится наперекосяк, она обязана машинально отключиться.
Но, в разряд наивысших достижений современной техники данный аппарат попал не из-за собственной сверхсложной совокупности охлаждения, а благодаря неслыханной вычислительной мощности — в каждой стойке тут содержится 1024 процессорных чипа, и в каждом таком процессоре имеется по 16 ядер. Умножив, возьмём 16384 — это неспециализированное число действующих процессоров, каковые, трудясь совместно, выдают производительность 209 терафлопов (это в 15 раза больше, чем у компьютера Blue Gene/P).
В будущем году 96 наборов Blue Gene/Q отправятся в Калифорнию, в Национальную лабораторию им. Лоуренса в Ливерморе (LLNL), прямо в руки к Брюсу Гудвину. Будучи включены в единую сеть, эти 96 стоек превратятся в самый замечательный компьютер мира. Супермашина сможет предвещать пути перемещения ураганов, расшифровывать генные цепочки и вести анализ топографии дна океана в отыскивании нефтяных месторождений.
Действительно, у Гудвина для нее уготовлена по большей части вторая работа — его интересуют ядерные взрывы.
Раньше Гудвин подрывал ядерные заряды ветхим дедовским методом. С 1983 по 1991 год он создал и совершил пять ядерных испытания в Неваде на испытательном полигоне министерства энергетики. Вместе с сотрудниками он бурил колодец глубиной 600 м, укладывал боеголовку вместе с измерительным оборудованием в металлический контейнер высотой с 10-этажный дом и весом в 500 т и спускал данный контейнер на дно колодца.
Позже всем оставалось лишь отбежать подальше, скрестить пальцы и надавить на кнопку. «В то время, когда сидишь в пультовом бункере за 16 км от центра, ощущаешь себя как при землетрясении магнитудой 5 — 6 баллов», — говорит Гудвин.
В октябре 1992 года все переменилось — президент Джордж Буш заявил запрет на все виды ядерных опробований. Данный акт предшествовал «Всестороннему контракту 1996 года о запрете ядерных опробований». С этого момента, в случае если у страны появлялась потребность испытать какую-либо боеголовку в собственном многотысячном арсенале, она имела возможность обратиться лишь к компьютерному моделированию.
Так, потребность в замечательных компьютерах вышла в число национальных приоритетов.
Понятие «суперкомпьютер» существует практически так же продолжительно, как и само представление о компьютере, но данный термин вошел в оборот лишь во второй половине 70-ых годов двадцатого века, в то время, когда Сеймур Крей выстроил аппарат Cray-1. Он обошелся в $8,8 млн ($35 млн по нынешнему курсу) и трудился со скоростью 160 мегафлопов. Да уж! Современный ПК раз в 50 превосходит по быстродействию тогдашний Cray.
Приставка «супер» в этом контексте стала такой расплывчатой, что многие компьютерщики сейчас по большому счету избегают термина «суперкомпьютер» и именуют такие автомобили легко «высокопроизводительными компьютерами» (High-Performance Computers, HPC). Дабы внести хоть мало ясности в данный вопрос, с 1993 года личная несколько Top500 начала два раза в год публиковать перечень из 500 самых замечательных компьютеров мира.
Перечень Top500 публикуется уже 18 лет, и в течение 17 из них первые места делились между американскими и японскими автомобилями. Но вот пришел 2010 год, и Китай заявил претензию на первое место, представив аппарат Tianhe-1A мощностью 2,6 петафлопа. В большинстве случаев компьютерные эксперты, разрабатывающие и воплощающие эти технические ответы, проходят службу в транснациональных компаниях, а потому не спешат объявлять о собственных достижениях как о предлоге для национальной гордости.
Однако суперкомпьютер стал знаком технического уровня страны. Сейчас космическая гонка как бы продолжилась, но уже в форме состязаний на поприще транзисторных разработок. В этих гонках фавориты и догоняющие поминутно изменяются местами. Не прошло и восьми месяцев, как Япония опять обошла Китай, показав в июне 2011 года K Computer мощностью 8 петафлопов.
В августе китайцы ответили публикацией собственной «дорожной карты», ведущей к компьютерным разработкам уровня exascale (это значит увеличение быстродействия еще на три порядка — от «пета» до «экза»). В течение ближайших 10 лет обещано 125-кратное повышение компьютерного быстродействия. В этом контексте Tianhe-1A возможно разглядывать как китайский аналог первого советского спутника.
Тогда проект exascale будет подобен полету на Луну.
Роль суперкомпьютеров в поддержании боеготовности американского ядерного потенциала снабжает им приоритетный статус. Сейчас, в то время, когда Китай бросает вызов западному компьютерному превосходству, многие специалисты, равно как и многие специалисты по политической части, заговорили о том, что суперкомпьютеры должны играться большую роль и в обеспечении национальной экономической безопасности.
Эти автомобили многократно умножают мощь американской науки, коммерческого планирования и инженерных разработок, так что обладатели самых замечательных компьютеров имеют фору в экономической гонке. Суперкомпьютеры не просто отражают достигнутый уровень интеллектуальной и технологической мощи — они сами способны повышать данный уровень.
В Рочестере, на заводе IBM, сотрудники не через чур много думают о претензиях Китая на мировое господство в области суперкомпьютеров. Их дело — решать инженерные задачи при создании Blue Gene/Q, так что в центре их внимания не политика, а конструкция, над которой они трудятся. Это настоящие технари, и их звания в соответствии с штатному расписанию звучат по-бюрократически коряво и ничего не могут сказать посторонним об их настоящих полномочиях. «Отечественное дело , закатав рукава, — растолковывает Пат Маллиган, глава экспериментального цеха в совокупности Global Server Integration (у него вправду были закатаны рукава, что подкрепляло честность его слов). — Мы не через чур интересуемся вопросами национального приоритета и просто стараемся делать компьютеры как возможно лучше».
Само строение, в котором Маррокин, Маллиган и остальные сотрудники IBM конструируют самые замечательные компьютеры XXI века, можно считать монументом корпоративному честолюбию в стиле середины ХХ века. Его проектировал известный архитектор Ээро Сааринен (Мост Сан-Луи — это также его работа), раскинувшаяся во все стороны постройка облицована темно-синим стеклом. В строения цеха проходы практически на километр.
Когда-то компания, старающаяся постоянно быть на переднем крае технического прогресса, заложила под полом этих комнат электрические кабели — дабы роботы имели возможность самостоятельно перевозить детали и прочую технику из цеха в цех. Роботов тут уже нет — мечта о полной механизации не устояла под натиском действительности. Роботы были через чур медлительны и без того довольно часто ломались, что на заводе решили возвратиться к простым погрузчикам с ручным управлением.
Те компьютеры Blue Gene/Q, каковые мне продемонстрировали в июле, еще нельзя назвать частью суперкомпьютера Брюса Гудвина (ему дано имя Sequoia). Это были до тех пор пока еще лишь тестовые модели, каковые употребляются для поиска и испытаний неточностей в аппаратной и программной части. Производство тех 96 стоек, из которых будет собрана Sequoia, должно начаться позднее. Гудвин со своей командой в лаборатории им.
Лоуренса в Ливерморе уже что-то вводит в эту еще не до конца собранную машину, что-то собственный подстраивает, действуя из собственного далекого далека. На одной из стоек в сборочном цеху Рочестера красуется табличка «LLNL, блок удаленного доступа».
Установка моделирования терамасштаба (TSF), которая стоит у Гудвина в Ливерморе, — это один из двух министерства и (центров энергетики), делающих работы по ядерному компьютерному моделированию и являющихся частью программы Stockpile Stewardship (второй таковой центр находится в Нью-Мексико, в Национальной лаборатории в Лос-Аламосе). Чтобы проводимое моделирование отражало настоящие физические процессы с приемлемой точностью, в лаборатории Гудвина строят трехмерную модель 50-микросекундного фрагмента взрыва с пространственным разрешением до 10 микрон. «Задача делается сверхсложной, — говорит Гудвин. — Вещество тут и сжимается, и взрывается, а вам необходимо отслеживать всю динамику в этих потоках с точностью швейцарских часов».
Любой раз, в то время, когда в американских боеголовках заменяют либо модернизируют тот либо другой компонент, на TSF выполняют новую серию виртуальных тестов, дабы убедиться, что обновленная бомба взорвется как раз в необходимый момент. При компьютерном моделировании всплывают такие нюансы ядерной реакции, каковые изначально кроме того и не предполагались, так что сложность и число применяемых методов непрерывно растут.
При современных разработках за один цикл моделируется только какая-то часть полного взрыва, а также при таком разделении самые сложные программы, каковые прогоняют в лаборатории Гудвина, смогут содержать до миллиона строчек кода. Если бы у нас была в запасе тысяча лет, все эти расчеты возможно было бы совершить и на простом ноутбуке, та совокупность Blue Gene/P, которая стоит на данный момент в Ливерморе и имеет мощность 500 терафлопов (ей присвоено имя Dawn), управляется с задачами моделирования высокой степени сложности за один месяц. В то время, когда в 2012 году запустят совокупность Sequoia быстродействием в 20 петафлопов, время прогона одного теста снизится до нескольких суток".
Математика, воплощенная в суперкомпьютерах, обретает невиданную силу. Так, компьютер Blue Gene/P сравнительно не так давно просчитал число «пи» до миллиардного символа. Весьма интересно еще да и то, что конструкция современного суперкомпьютера позволяет без проблем поменять его масштаб. Разглядим эту возможность на примере компьютера Sequoia, что складывается из 96 отдельных стоек с процессорами. Как говорит врач Джордж Л.Т.
Чу, один из ведущих исследователей в компании IBM, совершив довольно несложную перестройку в аппаратной части и программном обеспечении, Blue Gene/Q можно раздуть до агрегата, содержащего 32768 отдельных стоек. Наряду с этим его быстродействие должно достигнуть 6848 петафлопов. «Сейчас вас может ограничивать лишь сумма в долларах, которую вы готовы израсходовать, — говорит Чу. — Ну и само собой разумеется, вам потребуется приличный источник энергии».
Да, мы чуть не забыли об электричества. Тут суперкомпьютеры сталкиваются с значительной проблемой. Sequoia станет самым замечательным суперкомпьютером в мире, но наряду с этим она будет и самым прожорливым аппаратом.
На пиковых нагрузках Sequoia обязана потреблять больше 9 МВт — это энергозапросы приблизительно 7200 частных жилых домов. Иначе, та же Sequoia обещает стать и самым экономичным компьютером, поскольку в удельном пересчете картина выглядит значительно оптимистичней. Эта машина на один израсходованный ватт электричества будет делать 2 гигафлопа вычислений.
Сравним с японским рекордсменом по имени K Computer — тот на 1 Вт электричества делает всего 800 мегафлопов, другими словами в 2,5 раза меньше. Напомним, что, наращивая вычислительную мощность для того чтобы компьютера, мы прямо пропорционально увеличиваем и его энергопотребление. Берем компьютер Sequoia и удваиваем в нем количество стоек. В следствии возьмём в два раза более высокую производительность, но новый компьютер будет потреблять в два раза больше энергии.
Доведя энергоэффективность до отметки мирового рекорда, мы, само собой разумеется, смягчаем эту проблему, но решенной ее вычислять запрещено.
Китай — не единственная страна, замахнувшаяся на exascale. В министерстве энергетики США уверены в том, что американская технологическая конкурентоспособность зависит от достижений в области суперкомпьютеров. Такие компании, как Intel и Nvidia, уже к концу этого десятилетия обещают выйти на уровень exascale.
Это настоящий технический вызов, что необходимо встретить во всеоружии, в то время, когда не обойдешься несложным наращиванием вычислительных мощностей. «Чтобы создавать автомобили уровня exascale, нужно предвидеть, как будут смотреться программы и прикладные задачи через 10, 15 либо 20 лет», — говорит Дэйв Турек, вице-президент IBM, занимающийся работами в направлении exascale. Турек прекрасно воображает себе отечественное будущее, в то время, когда количества данных и скорость их поступления на автомобили повысятся на пара порядков, в то время, когда потребуется радикальный пересмотр всех баз компьютерной техники — таких, как правила хранения данных, организация работы сетей, системы энергопитания и программное обеспечение.
Разработка суперкомпьютеров — это такое хобби, которое влетает стране в копеечку. В министерстве энергетики оценивают неспециализированную цена разработки компьютера Sequoia и Blue Gene/P Dawn приблизительно в $250 млн. Плюс к этому годовые энергорасходы на работу компьютера петауровня составляют от 5 до 10 млн.
Специалисты уже знают, что запрещено и дальше повышать затраты, сохраняя надежду, что они окупятся новыми вычислительными возможностями. Иначе, Гудвин и другие такие же потребители уже не мыслят судьбе без аналогичных компьютеров. Гудвин обращает отечественное внимание на то, что китайское правительство официально поставило перед собой цель применять суперкомпьютеры, дабы вывести страну на передовой промышленный уровень.
Конечно, никому не хочется отставать. «Применяя суперкомпьютер при разработке новой продукции, возможно заблаговременно предвидеть многие скрытые инженерные неприятности и довести продукт до рынка в пять раз стремительнее, чем это делалось раньше, в то время, когда в работоспособности нового продукта необходимо было убеждаться собственными глазами, — говорит Гудвин. — Поразмыслите, как это скажется на национальной экономике, в случае если Boeing, Дженерал моторс либо General Electric будут производить на рынок новую продукцию, тратя не годы, а всего лишь месяцы. Это играется огромную роль, и в случае если кто-то успеет на рынок впятеро стремительнее, чем вы, вам нужно из бизнеса».
Понятна нынешняя потребность в аналогичных автомобилях, поскольку они необходимы для поддержания ядерных арсеналов в боеготовности, но строительство таковой техники в будущем напоминает нам недавнюю обстановку с гонкой ядерного оружия. Или у нас будут громадные вычислительные мощности, чем у соперников, или же они применяют против нас собственный технологическое превосходство. Какой же компьютер удовлетворил бы Гудвина с его моделированием ядерных взрывов?
В случае если компьютер с быстродействием 500 терафлопов решает такие задачи за месяц, а компьютер с быстродействием 20 петафлопов управляется за считанные дни, сможет ли компьютер с экзафлоповой производительностью проводить моделирование в реальном времени? Ответ самого Гудвина таков: «Для моделирования в реальном времени экзафлоповая машина все еще через чур медлительна». Он растолковал, что для режима настоящего времени потребуется компьютер с производительностью 100 йоттафлопов — это указывает 100 х 1024 вычислений в секунду, другими словами в 100 млн раз стремительнее, чем обязана трудиться «экзафлоповая» машина.
Что такое флоп?
Это количество операций с плавающей запятой, проводимых в одну секунду. В противном случае говоря, флопы отражают математические манипуляции с десятичными дробями, что радикально отличается от операций с целыми числами. В то время, когда речь заходит об адекватной оценке производительности компьютера, флопы оптимальнее отражают то, что происходит в процессора.
Высокопроизводительные компьютеры делают немыслимое количество флопов в секунду — так, 20 петафлопов (производительность аппарата Sequoia) свидетельствует 20 квадрильонов операций в секунду.
Итак, компьютерное моделирование основывается на знании, что многие из самых непростых земных задач возможно свести к чистой математике. Среди проблемы и этих задач нацбезопасности, и повседневные заботы типа предсказания погоды. Суперкомпьютеры незаменимы не только в научных изучениях, но и в таких коммерческих приложениях, как разработка новых лекарств, поиск нефтяных месторождений, авиа- и автостроение и по большому счету каждые научные разработки.
Так, например, аризонская компания Ping применяла суперкомпьютеры Cray при проектировании новых клюшек для гольфа. Суперкомпьютеры оказывают помощь производственным компаниям ускорить прохождение товаров через стадию разработки, переведя многие отладки и аспекты испытаний в"виртуальную сферу". Применение высокопроизводительных компьютеров может повлечь и очень грозные последствия — отыщем в памяти Тёмный вторник 6 мая 2010 года, обваливший биржевой индекс Доу-Джонса практически на тысячу пунктов.
Одной из его обстоятельств именуют цепную реакцию нескольких суперкомпьютеров, каковые употребляются многими биржевыми игроками.
Сущность суперкомпьютера пребывает в организации параллельной работы множества процессоров. Он устроен так, дабы исходную задачу возможно было разбить на большое количество отдельных частей. Затем в параллельную работу включаются сходу все процессоры суперкомпьютера.
Любой из чипов в процессоре Sequoia имеет личный выход в неспециализированную «бортовую» сеть, так что может обмениваться данными с любым вторым чипом, трудящимся в той же стойке.
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№112, февраль 2012).
<
h4>