Доклад что такое суперкомпьютер
Суперкомпьютер что это?
Суперкомпьютер – это компьютер, способный производить сотни миллиардов операций за 1 с. Такие большие объёмы вычислений нужны для решения задач в аэродинамике, метеорологии, физике высоких энергий, геофизике. Суперкомпьютеры так же нашли своё применение в финансовой сфере при обработке больших объёмов сделок на биржах. Сверхвысокое быстродействие суперкомпьютера обеспечивается параллельной работой множества микропроцессоров.
Суперкомпьютеры – это не выдумка. Хотя суперкомпьютеры не используются обычными людьми в повседневной жизни, их влияние, как на все человечество, так и на каждого из нас очень заметно. Вернее, стало бы заметно, если бы они в один миг исчезли или сломались.
Суперкомпьютеры – это современные вычислительные машины с высокой мощностью и скоростью обработки данных. Они не выпускаются большими партиями и не продаются в магазинах. Каждый суперкомпьютер уникален, так как разрабатывается и изготавливается под конкретный заказ, для решения определенной задачи. Суперкомпьютеры могут быть как микроскопически малы, так и занимать несколько комнат или даже этажей, все зависит от функций и задач, которые будет решать электронная техника.
Изобретателем суперкомпьютера является американский инженер С.Крей. В 1972 году он открыл свою фирму под названием «Крей Ресерч Инкорпорейтед». Эта фирма занималась разработкой самых высокоскоростных компьютеров в мире. Изобретением стали мультипроцессорные компьютеры, способные осуществлять одновременную обработку данных. В 1976 году был выпущен первый суперкомпьютер под названием «Крей-1», который мог осуществлять 240 млн. вычислений в одну секунду.
Он применялся для научных исследований, таких, например, как моделирование сложных физических явлений. Такие компьютеры приобретались правительственными учреждениями и университетскими лабораториями. Следующие модели Крея – «Крей 1-М» и «Крей X-МР» обладали ещё большим быстродействием.
В 1985 г. появился «Крей-2», который мог выполнить 1 200 млн. операций за 1 с. Представленный в 1988 г. «Крей Y-MP» обладал быстродействием 2 670 млн. операций за 1 с.
Позднее были созданы суперкомпьютеры с ещё большим быстродействием.
Развитие суперкомпьютеров .
Шло время, и производители выпускали всё более и более новыесуперкомпьютеры, которые задавали новые стандарты производительности. Символический барьер в один ПФЛОПС (читается «пентафлопс»; 1 ПФЛОПС = 1000 ТФЛОПС) был преодолён в 2008 году компьютером Roadrunner от IBM. Характеристики данной машины, мягко говоря, шокируют: почти 100 Тб оперативной памяти, около 20 000 процессоров. Удивляет и то, что всё это работает под управлением Linux-систем RedHat и Fedora, причём тех же самых версий, что устанавливаются на домашние компьютеры.
Разновидности параллельных числовых систем
В соответствии с классификацией, предложенной М.Флинном еще в начале 60-х годов прошлого столетия, параллельные вычислительные системы имеют несколько разновидностей.При этом в основу данной классификации заложено два возможных вида параллелизма: независимость потоков заданий (команд), существующих в системе, и независимость (отсутствие логической связанности) данных, обрабатываемых в каждом потоке:
- Магистральные(конвейерные),в которых процессоры одновременно выполняют разные операции.Над последовательным потоком обрабатываемых данных; по принятой классификации такие системы относятся к системам с многократным потоком команд и однократным потоком данных МКОД (MISD MultipleInstructionSingleData);
Векторные, в которых все процессоры одновременно выполняют одну команду. Над различными данными однократный поток команд с многократным потоком данных ОКМД (SIMD SingleInstructionMultipleData);
Матричные, в которых процессоры одновременно выполняют разные операции. Над несколькими последовательными потоками обрабатываемых данных многократный поток команд с многократным потоком данных МКМД (MIMD MultipleInstructionMultipleData).
В суперЭВМ используются все три варианта архитектуры параллельных вычислительных систем.
Классический тип суперкомпьютерной архитектуры (однопроцессорная и конвейерная) использует общую оперативную память. Обращение, к которой осуществляется через системную шину. Единое пространство оперативной памяти значительно упрощает программирование за счет более удобных механизмов синхронизации между задачами. Но с ростом числа процессоров наличие общей памяти приводит к возрастанию нагрузки на системную шину, которая в конце концов перестает обслуживать обмен данными между оперативной памятью и процессорами в требуемом темпе. Добавление локальной кэш-памяти в каждый процессор несколько снижает остроту проблемы. Тем не менее, вне зависимости от наличия локальной кэш-памяти системная шина все равно является уязвимым местом такой архитектуры при 8 и более процессорах.
Параллельная архитектура (векторная и матричная) позволяет избежать проблем с системной шиной за счет отсутствия общей для всех процессоров оперативной памяти. Каждый процессор снабжается своей локальной памятью. Чтобы осуществить доступ к локальной памяти другого процессора, используется сеть связи, объединяющая процессоры в систему. Таким образом, в параллельной архитектуре удается снизить нагрузку на шину, ведущую к локальной памяти процессоров, поскольку здесь она обслуживает только запросы на доступ именно к этой памяти, а не каждый запрос на доступ к общей оперативной памяти. Это позволяет строить суперкомпьютеры из сотен и даже тысяч процессоров.
Основным недостатком параллельной архитектуры является сложность программирования, особенно для задач, которым необходима память, превышающая размер локальной оперативной памяти одного процессора. Синхронизация также затруднена, особенно если ее требуется осуществить между параллельными ветвями алгоритма, выполняемыми процессорами, которые разделяет значительное расстояние в сети связи.
Сферы применения суперкомпьютеров
Применение суперкомпьютеров
Для кого разрабатываются сверхмощные и сверхумные машины и где они используются? Компьютеры используются учеными при решении задач квантовой физики и механики.
Исследование ядерных процессов, моделирование цепной реакции и ядерного взрыва дают ученым богатый материал для исследования этих удивительных, но опасных явлений.
Изучение молекулярной структуры белка помогает сделать немало важных и ценных для человечества открытий, определить причины и механизмы генетически обусловленных заболеваний. Такая работа под силу только суперкомпьютерам.
Виртуальные модели кровеносной системы человека исследуются врачами и биологами, чтобы получить эффективные способы борьбы с заболеваниями сердца и сосудов.
Но суперкомпьютеры нужны не только для проведения серьезных научных исследований, результаты которых принесут человечеству плоды только в будущем. Прикладное применение суперкомпьютеров можно обнаружить во многих сферах нашей жизни.
Биология и медицина.
Современные медицинские исследования, новейшие разработки и научные открытия стали возможны именно благодаря суперкомпьютерам, которые позволяют проводить своевременную диагностику, с большим процентом вероятности прогнозировать ход болезни и реакцию организма на лечение. Суперкомпьютеры позволяют моделировать процессы, происходящие в жизненно важных органах, чтобы понять основной принцип их работы и эффективно бороться с патологиями.
В биологии суперкомпьютеры, микрочипы и электронные микроскопы используются для изучения процессов, происходящих на клеточном уровне, что дает большие возможности для серьезнейших научных открытий, способных изменить современную науку.
В медицине и биологии суперкомпьютеры больше нужны именно для исследовательской работы, хотя, некоторые крупные клиники могут позволить себе использовать такие машины и для решения прикладных задач: диагностики и лечения.
Космическое пространство.
Суперкомпьютеры нужны не только для фиксирования данных на борту космических станций и обеспечения эффективности работы этих грандиозных сооружений. Мощнейшая вычислительная техника позволяет проектировать новые орбитальные и межпланетные станции, выстраивать данные оптимальной траектории движения станций, изучать процессы, влияющие на геомагнитный фон Земли, отслеживать и предугадывать всплески солнечной активности и выявить их закономерности.
При разработке новых моделей космических станций и искусственных спутников, суперкомпьютеры проводят серьезную работу по моделированию и прогнозированию всех возможных ситуаций, обеспечивая, таким образом, безопасность полета.
Климат и погода.
Благодаря суперкомпьютерам стало возможно очень точно предсказывать погоду. Цифровая обработка данных, полученных на метеорологических станциях, производится в кратчайшие сроки, что дает шанс заглянуть в будущее и предупредить людей о возможных погодных неприятностях. Эта работа суперкомпьютеров тесно связана с прогнозами стихийных бедствий, которые способны спасти жизнь многих людей.
Стихийные бедствия и экологические катастрофы.
Современные мощные суперкомпьютеры дают возможность с большой долей вероятности прогнозировать природные катаклизмы: землетрясения, цунами, пожары, наводнения и штормы. Чем раньше люди получат информацию о надвигающейся беде, чем больше у них шансов спастись.
Промышленность.
Благодаря суперкомпьютерам наша жизнь становится более комфортабельной и безопасной, ведь именно эти машины помогают разрабатывать новые модели автомобилей и самолетов. Исследование аэродинамических свойств, устойчивости, маневренности, способы сочетать эти качества в оптимальной пропорции могут только суперкомпьютеры.
Как устроены суперкомпьютеры и что они умеют
Какой компьютер является мощнейшим на сегодняшний день?
В конце июня 2020 года был опубликован ежегодный рейтинг из 500 самых мощных суперкомпьютеров в мире. Первую строчку в нем занял японский Fugaku. Он в 2,8 раз мощнее, чем прошлогодний лидер — Summit от IBM (он теперь на втором месте). Впервые рейтинг возглавил компьютер на базе процессоров ARM.
Fugaku разработала компания Fujitsu — та самая, что выпускала популярную фото- и видеотехнику Fuji. Разработки велись на базе Института Кобе в составе Института физико-химических исследований (RIKEN). Концепцию придумали еще в 2010 году, а на создание и сборку ушло более шести лет.
Пишут, что Fugaku сможет помочь в борьбе с коронавирусом. Но на самом деле суперкомпьютеры способны решать самые амбициозные задачи, которые приходят нам в голову.
Чем суперкомпьютер отличается от обычного?
Суперкомпьютеры называют «числодробилками» или «числогрызами»: они нужны для супербыстрых вычислений. Главное отличие в том, что обычный компьютер выполняет задачи последовательно, хотя и на высокой скорости — вплоть до доли секунды, поэтому мы этого не замечаем. Суперкомпьютер делает это одновременно и обрабатывает огромный массив данных.
Для этого им нужны тысячи супермощных процессоров. В результате вычисления, на которые у мощного игрового компьютера уйдет неделя, суперкомпьютер выполняет за день. Однако важно, чтобы программы работали корректно, с учетом технических особенностей машины. Иначе то, что корректно работает на 100 процессорах, сильно замедлится на 200.
Современные смартфоны работают так же быстро, как самый мощный суперкомпьютер 1994 года.
Суперкомпьютеры работают на специальном ПО. Например, у Fugaku операционная система Red Hat Enterprise Linux 8 c гибридным ядром, состоящим из одновременно работающих ядер Linux и McKernel. В качестве программных средств используют API — то есть интерфейсы или платформы для программирования — и открытое ПО, которое позволяет создавать виртуальные суперкомпьютеры на базе обычных. Часто суперкомпьютер — это несколько высокомощных компьютеров, которые объединены высокоскоростной локальной сетью.
Обычно производительность компьютеров оценивается во флопсах (FLOPS — FLoating-point Operations Per Second) — то есть количестве операций над числами с плавающей точкой в секунду. Для суперкомпьютеров сначала использовали мегафлопсы — MIPS, количество миллионов операций в секунду, а с 2008 года петафлопсы — то есть количество миллионов миллиардов вычислений в секунду. К примеру, у суперкомпьютера Fugaku производительность составляет 415 петафлопс, а у Summit — 148.
Кто придумал суперкомпьютер?
Сам термин появился в конце 1960-х годов в Ливерморской национальной лаборатории США и компании-производителе компьютеров CDC. Но впервые о «супервычислениях» заговорили еще в 1920-х годах, когда IBM собрала для Колумбийского университета свой табулятор — первую ЭВМ, работавшую на перфокартах.
Первой супер-ЭВМ считают Cray-1, созданную в 1974 году. Ее разработал Сеймур Крей — американский инженер в области вычислительной техники и основатель компании Cray Research. Cray-1 выполняла до 180 млн операций в секунду.
За основу Крэй уже имеющиеся разработки — компьютеры CDC 8600 и CDC STAR-100. Он построил процессор, который быстро выполнял и скалярные и векторные вычисления: предшественники хорошо справлялись либо с первыми, либо со вторыми.
Скалярные вычисления — те, где используется одна характеристика, величина и знак. В векторных используют вектора, то есть величину и направление (угол).
Для этого инженер использовал небольшие модули памяти, расположенные близко к процессору, чтобы увеличить скорость. Так был создан новый принцип работы с памятью — «регистр-регистр». Центральный процессор берет и записывает данные в регистры, а не в память, как у предыдущих моделей — это тоже увеличило скорость обработки. Сам процессор состоял из 144 тыс. микросхем, которые охлаждались фреоном.
В 1980-х годах Крэй выпустил еще две модели суперкомпьютеров нового поколения, включая многопроцессорный Cray X-MP. Начиная с 1990-х лидерство перехватили NEC, Hewlett-Packard и IBM, причем компьютеры последней регулярно занимают верхние строчки того самого ТОП-500.
Где и для чего используют суперкомпьютеры?
Главная задача суперкомпьютеров — выполнять максимум вычислений за минимум времени. Это полезно для многих областей: начиная от создания лекарств и заканчивая разработками новых продуктов и технологий,
Суперкомпьютер Fugaku изучает пути распространения вируса и его диагностику. Для этого он обрабатывает данные статистики, коэффициент заражения вируса, его состав и модель поведения. А еще ему поручат прогнозирование и симуляцию природных катастроф, разработку и совершенствование «зеленых» технологий.
Но суперкомпьютеры не просто вычисляют, а моделируют реальность. То есть просчитывают все возможные варианты развития событий и строят прогнозы. Поэтому с их помощью астрономы и астрофизики воспроизводят самые разные события и процессы во Вселенной.
В марте этого года астрономы из Технологического университета Суинберна (Австралия) и Калифорнийского технологического университета (США) смоделировали на суперкомпьютере эволюцию Млечного Пути. Для этого они использовали все данные о звездных скоплениях в нашей галактике.
Нанокомпьютер, квантовый компьютер и суперкомпьютер: в чем разница?
Все это — вычислительные устройства с выдающимися характеристиками.
Нанокомпьютер — это компьютер микроскопических размеров. Он запрограммирован на определенные химические свойства и поведение. Он может быть очень мощным и высокопроизводительным, но пока что не таким, как суперкомпьютер. В будущем они смогут заменить обычные устройства, так как потребляют намного меньше энергии.
Группа инженеров и ученых из Гарвардского университета и компании Mitre создала простейший нанокомпьютер, который состоит из множества крошечных проводников диаметром 15 нанометров (нанометр = 1 миллиардная метра). Их ядро из германия, а внешняя оболочка — из кремния.
Свой нанокомпьютер есть и у IBM, но уже покрупнее: 1х1 мм. Это полноценный ПК с процессором, памятью и блоком питания. По производительности его можно сравнить с x86-совместимыми процессорами из 1990-х годов. Его можно будет применять для работы с ИИ, сортировки данных, логистики, обнаружения краж.
Квантовый компьютер — это устройство, которое работает по принципам квантовой механики. Он обрабатывает данные не в битах, а в кубитах, которые одновременно равны 0 и 1. В теории, такой компьютер может обрабатывать все возможные состояния одновременно.
Пока что квантовые компьютеры существуют в виде концепций и моделей. Одна из таких принадлежит «Росатому»: проект рассчитан на срок до 2024 года и предполагает финансирование ₽24 млрд.
Какое будущее ждет суперкомпьютеры?
Очевидно, что производительность суперкомпьютеров будет разгоняться до космических цифр, их размеры — уменьшаться, а потребление энергии — сокращаться. Но самое интересное кроется в задачах, которые они смогут решать.
Эксперты считают, что через 15 лет симуляции отойдут на второй план, а машинное обучение позволит суперкомпьютерам выполнять глубокую аналитику данных. В итоге их будут применять везде: от разработки бесконечных аккумуляторов до лекарства от рака.
Суперкомпьютеры: История и современность
СУПЕРКОМПЬЮТЕРЫ: История и современность.
Я учусь в информационно – математическом классе, где одним из основных направлений является изучение информатики. Мы изучаем компьютеры и их устройство, основы программирования, сферы применения ЭВМ. Каждый школьника сегодня знаком с компьютером, пользуется сотовым телефоном, операционные системы которых совершенствуются день ото дня. Меня заинтересовал вопрос: а есть ли предел этому совершенству? Какая машина на сегодняшний день является самой быстродействующей, и какие перспективы ожидают нас в этом направлении?
Первый в мире компьютер появился в 1943 г. во время Второй мировой войны. Изобретатели из Великобритании назвали его «Colossus», а предназначался он для раскодировки немецкой шифровальной машины «Энигма». «КОЛОСУС» насчитывал 2000 электронных ламп и работал с фантастической скоростью, обрабатывая около 25 000 символов в секунду. 
Время шло, прогресс не стоял на месте и более новые, скоростные, менее громоздкие ЭВМ изобретались людьми. И сегодня персональный компьютер, который есть дома почти у каждого, может сделать гораздо больше чем его предшественники.
С момента появления первых компьютеров одной из основных проблем, стоящих перед разработчиками, была производительность вычислительной системы. За время развития компьютерной индустрии производительность процессора стремительно возрастала, однако появление все более изощренного программного обеспечения, рост числа пользователей и расширение сферы приложения вычислительных систем предъявляют новые требования к мощности используемой техники, что и привело к появлению суперкомпьютеров.
3.Суперкомпьютер, флопс и закон Мура.
Началом эры суперкомпьютеров можно, пожалуй, назвать 1976 год, когда появилась первая векторная система Cray 1. Работая с ограниченным в то время набором приложений, Cray 1 показала настолько впечатляющие по сравнению с обычными системами результаты, что заслуженно получила название “суперкомпьютер” и определяла развитие всей индустрии высокопроизводительных вычислений еще долгие годы. 
Cray-1, был самым быстродействующим на тот момент времени. Память Cray-1 составляла 8 Мбайт, поделенных на 16 блоков, с суммарным временем доступа 12,5 нс. Имелась и внешняя память на магнитных дисках емкостью около 450 Мбайт, расширявшаяся до 8 Гбайт. Для машины был создан оптимизирующий транслятор с Фортрана, макроассемблер и специальная многозадачная ОС.
За последние 15 лет нормы быстродействия суперкомпьютеров менялись несколько раз. По определению Оксфордского словаря вычислительной техники 1986 года, для того, чтобы получить гордое название «супер ЭВМ», машине нужно было иметь производительность в 10 мегафлоп (миллионов операций в секунду).В начале 90-х была преодолена отметка 200 мегафлоп, затем 1 гигафлоп.
Все компьютеры на планете Земля подчиняются закону Мура: их производительность удваивается каждые полтора года. В 1965 году Гордон Мур, один из основателей Intel, обнаружил следующую закономерность: появление новых моделей микросхем наблюдалось спустя примерно год после предшественников, при этом количество транзисторов в них возрастало каждый раз приблизительно вдвое. Мур пришел к выводу, что при сохранении этой тенденции мощность вычислительных устройств за относительно короткий промежуток времени может вырасти экспоненциально. Это наблюдение и получило название закона Мура. Все развитие электронной промышленности за последние 45 лет только подтверждает правильность этого закона.
5.Современные стандарты суперкомпьютеров
Каковы же современные стандарты для суперкомпьютеров?
На последней международной конференции SC11 в Сиэтле был преодолен рубеж в 10 петафолопс, т. е. 10 квадриллионов вычислительных операций в секунду. Такую производительность показал K Computer японской корпорации Fujitsu, содержащий 705 024 процессорных ядра.
Второе место в рейтинге с показателем 2,6 петафолопса занимает китайская установка Tianhe-1A из суперкомпьютерного центра города Тяньзиня. Всего лишь год назад она была на первом месте.
На третьем месте – мощнейший суперкомпьютер США с производительностью 1,8 петафолопса, который уже почти три года не модернизировался.
В 2005 году в Америке была представлена задача преодолеть барьер в 1 петафолопс. Эту задачу они выполнили к 2008 года. Но с началом кризиса развитие Американских суперкомпьютеров резко сократилось.
На конференции SC11 был поставлен мировой рекорд скорости передачи информации. Информация из Сиэтла в канадскую Викторию, расстояние между которыми 212 км, передавалась по прямому многомодемовому оптоволокну со скоростью 98 гигабит в секунду. При такой скорости скачивание фильма заняло бы время меньше секунды. Такие высокие скорости передачи данных необходимы для совместной международной обработки данных, получаемых ЦЕРН на Большом андронном коллайдере.
6. Рынок суперкомпьютеров в России.
Во всемирный процесс активизации рынка высокопроизводительных вычислений (HPC) все активнее включается и Россия. В 2003 компания «Paradigm», ведущий поставщик технологий для обработки геолого-геофизических данных и проектирования бурения для нефтегазовой отрасли, модернизировала свой расположенный в Москве центр обработки сейсмических данных, установив серверный кластер IBM из 34 двухпроцессорных серверов на базе процессоров Intel Xeon. Новая система ускорила работу ресурсоемких вычислительных приложений «Paradigm» за счет применения кластерных технологий на базе ОС Linux. Новые возможности проведения более точных расчетов, несомненно, увеличат конкурентоспособность российских нефтяных компаний на мировом рынке. 
Двумя важнейшими проэктами 2005 года стала установка суперкомпьютера МВС-15000BM отечественной разработки в Межведомственном Суперкомпьютерном Центре РАН (МСЦ) и установка на НПО кластера IBM eServer Cluster 1350, включающего 64 двухпроцессорных сервера IBM eServer xSeries 336. Последний является крупнейшей в России супер-ЭВМ, используемой в промышленности, и четвертым в совокупном рейтинге суперкомпьютеров на территории СНГ. НПО собирается использовать его в проектировании авиационных газотурбинных двигателей для самолетов гражданской авиации. Решаются вопросы и специального инженерного программного обеспечения для моделирования различных высокоэнергетических процессов в химической, атомной и аэрокосмической промышленности. Так, пакет IP-3D предназначен для численного моделирования газодинамических процессов в условиях экстремально высоких температур и давлений, невоспроизводимых в лабораторных условиях.
Еще одним крупнейшим отечественным проектом в области суперкомпьютеров являются российский проект МВС и российско-белорусский СКИФ. Разработка СуперЭВМ проекта МВС финансировалась за счет средств Минпромнауки России, РАН, Минобразования России, РФФИ, Российского фонда технологического развития. В настоящее время машины этой серии установлены в МСЦ РАН и ряде региональных научных центров РАН (Казань, Екатеринбург, Новосибирск) и используются преимущественно для научных расчетов. Так же одним из разработчиков ПО для МВС является фирма «InterProgma», работающая в Черноголовке в рамках уже существующего ИТ-парка. Компания в тесном сотрудничестве с ИПХФ РАН ведет разработку базового программного обеспечения для крупномасштабного моделирования на суперкомпьютерных системах.
Еще 10-15 лет назад суперкомпьютеры были чем-то вроде элитарного штучного инструмента, доступного в основном ученым из засекреченных ядерных центров. Однако развитие аппаратных и программных средств сверхвысокой производительности позволило освоить промышленный выпуск этих машин, а число их пользователей в настоящее время достигает десятков тысяч. Фактически, в наши дни весь мир переживает подлинный бум суперкомпьютерных проектов, результатами которых активно пользуются не только такие традиционные потребители высоких технологий, как аэрокосмическая, автомобильная, судостроительная и радиоэлектронная отрасли промышленности, но и важнейшие области современных научных знаний.