Суперкомпьютеры – что это, какие задачи они выполняют и какое будущее их ждет
Суперкомпьютеры по праву можно назвать современными двигателями прогресса, ведь они способны мгновенно обрабатывать колоссальный объем данных и проводить сложнейшие вычисления. Например, один из новейших суперкомпьютеров Aurora может за одну секунду выполнить такую операцию, с которой человеческий мозг справился бы лишь за 31.7 трлн. лет. Результаты работы этого оборудования используются во множестве отраслей, включая авиастроение, медицину, фармакологию и т.д.
Содержание:
1. Что такое суперкомпьютер и чем он отличается от обычного ПК?
2. История появления и развития суперкомпьютеров
3. Что такое рейтинг суперкомпьютеров? Какие устройства туда входят?
4. Сферы применения суперкомпьютеров
5. Перспективы суперкомпьютеров в будущем
6. Подводя итоги
В нашей новой статье мы расскажем о том, что представляют собой суперкомпьютеры, когда они появились и как развивались, какие у них есть задачи и сферы применения. Также вы узнаете о мощнейших суперкомпьютерах мира и о перспективах их дальнейшего развития.
Что такое суперкомпьютер и чем он отличается от обычного ПК?
Суперкомпьютер в современной интерпретации – это комплекс высокопроизводительных компьютеров, работающих параллельно через высокоскоростную сеть. Они включают в себя сотни и тысячи процессоров, модулей памяти, разнообразных плат, систем охлаждения и модулей бесперебойного питания.
Такое оборудование может находиться в одном помещении, занимая значительное пространство, или быть рассредоточенным на определенном расстоянии друг от друга. Основная идея, заложенная в суперкомпьютеры, заключается в суммировании мощности обширной сети оборудования для параллельной обработки большого объема данных. В некоторых случаях этот комплекс создается для выполнения лишь одной программы, которая нагружает все его мощности. В других же ситуациях суперкомпьютер работает в условиях многозадачности.
Суперкомпьютеры оснащены не только специальным сверхмощным «хардом», но и соответствующим «софтом». Например, на комплексе Fugaku (считающимся сейчас самым мощным суперкомпьютером в мире) установлена операционная система Red Hat Enterprise Linux 8, которая обладает гибридным ядром в виде комбинации ядер Linux и McKernel. Очень часто на такие системы загружают API (интерфейсы программирования приложений) на базе MPI и PVM. Нередко энтузиасты создают суперкомпьютеры из обычных мощных ПК, используя для этого особые разновидности открытого ПО (OpenMosix, Beowulf).
Производительность суперкомпьютеров оценивают в специальных значениях, называемых флопсами (FLOPS — FLoating-point Operations Per Second). Оно означает количество вычислений чисел с плавающими точками, выполняемых каждую секунду. Так как мощность подобной техники постоянно увеличивается, то для расчета ее производительности сначала использовали мегафлопсы (миллион операций в секунду), а с 2008 года перешли на петафлопсы (миллиард операций в секунду). Из-за своих исключительных способностей к сверхбыстрым вычислениям суперкомпьютеры также называют «числодробилками» (number cruncher).
История появления и развития суперкомпьютеров
- Термин «суперкомпьютер» впервые начал употребляться в 60-х годах ХХ века одновременно в двух местах: в компании CDC (производитель компьютеров) и Ливерморской национальной лаборатории США, которая занималась разработкой ядерного оружия.
- Первый суперкомпьютер был создан в 1974 году американским инженером Сеймуром Креем и назван в его честь Cray-1. Устройство могло ежесекундно проводить до 180 миллионов операций, соответственно, его максимальная производительность равнялась 180 мегафлопсам.
- В основе Cray-1 находились уже существующие на тот момент компьютеры CDC 8600 и CDC STAR-100, а его процессор включал в себя более 144 000 микросхем с фреоновой системой охлаждения.
- В 1980-х годах Сеймур Крей разработал еще 2 модели суперкомпьютеров, один из которых (Cray X-MP) был многопроцессорным.
- Начиная с 90-х годов, свои «числодробилки» стали выпускать многие крупные IT-корпорации, в том числе Hewlett-Packard, NEC, IBM и т.д.
- В 2020 году в Японии был введен в эксплуатацию суперкомпьютер Fugaku, производительность которого составляет 442 петафлопса. По состоянию на июнь 2021 года он считается самым мощным суперкомпьютером в мире – в соответствии со специализированным рейтингом топ 500 суперкомпьютеров.
Что такое рейтинг суперкомпьютеров? Какие устройства туда входят?
Начиная с 1993 года, существует рейтинг самых производительных вычислительных систем, который обновляется два раза в год (в июне и ноябре). В нем публикуют список из 500 мощнейших суперкомпьютеров мира, а для определения их показателей используют программную библиотеку LINPACK (HPL).
Она представляет собой комплекс программ для решения больших плотных СЛАУ (линейных алгебраических уравнений) – то есть, является оптимальным «тренажером» для высокопрозводительных расчетов. В качестве единиц мощности здесь указываются уже известные нам флопсы.
Рейтинг суперкомпьютеров меняется дважды в год в соответствии с обновляющимися данными. При этом составители этого списка не проводят каких-либо независимых замеров мощности «числодробилок», а лишь учитывают те сведения, которые им предоставляют компании-производители или пользователи устройств.
Актуальная на сегодняшний день 57-я версия списка топ 500 суперкомпьютеров была составлена в июне 2021 года. Первое место в ней занимает японский комплекс Fugaku (442 петафлопс, 7,630,848 ядер), второе место принадлежит американскому суперкомпьютеру Summit (148 петафлопс, 2,414,592 ядра), а на почетном третьем месте находится еще одно устройство из США под названием Sierra (94 петафлопса, 1,572,480 ядер).
По информации из этого же рейтинга, 187 из 500 мощнейших суперкомпьютеров работают в Китае, 122 в США, 35 в Японии, 23 в Германии, по 16 во Франции и Нидерландах, по 11 в Канаде и Великобритании. Кроме того, такие комплексы еще есть в Италии, Бразилии, Саудовской Аравии, Польше, Южной Корее, Сингапуре и Российской Федерации.
Сферы применения суперкомпьютеров
Еще одним важным преимуществом суперкомпьютеров считается не только их высокая мощность, но и универсальность. Они могут обрабатывать большой объем сложных вычислений и проводить численное моделирование на основе этих данных. Способность моделировать существенно увеличивает количество выполняемых суперкомпьютерами задач. Они включают такие сферы, как:
- Медицина. Суперкомпьютеры способны быстро обрабатывать и анализировать огромное количество данных множества пациентов, включая диагнозы, истории болезни, результаты анализов и т.д. С их помощью можно точно определить причины и закономерности развития тех или иных заболеваний, выявить эффективные методы диагностики и лечения. Например, такие комплексы сделали настоящий прорыв в диагностировании и лечении некоторых видов рака, а также изучили атомную структуру, локализацию и распространение вируса COVID-19. Фармакология. С помощью суперкомпьютеров можно быстро и продуктивно вести расчеты различных химических соединений, что приносит немалую пользу при разработке новых лекарств. Также они активно используются при моделировании вирусов и создании вакцин (включая недавние разработки вакцин против COVID-19), а еще для оценки эффективности различных противовирусных препаратов.
- Научные исследования. Суперкомпьютеры являются незаменимыми ассистентами ученых, помогая им проводить сложные и масштабные исследования в разных науках и специализациях. Они позволили создать ряд новых научных дисциплин, включая вычислительную медицину и биологию, вычислительную химию, вычислительную лингвистику и т.д. Эти устройства внесли весомый вклад в исследования мозга человека, активно используются в генетике для анализа генома, физике, криптографии, статистике и ряде других сфер.
- Погода и климат. При помощи суперкомпьютеров можно повысить точность составления прогноза погоды, а также отслеживать климатические изменения, состояние морей и океанов. Они позволяют прогнозировать извержения вулканов и землетрясения путем моделирования состояния земной коры, анализировать данные георазведки, составлять модели разливов рек и т.д.
- Авиация и космос. Суперкомпьютеры не менее востребованы в авиастроении, они дают возможность создавать модели и симуляции для совершенствования конструкционных характеристик самолетов. Также эти устройства активно используются при исследовании космоса, например, не так давно суперкомпьютер помог составить модель эволюции Млечного пути.
- Искусственный интеллект и большие данные. «Числодробилки» – это полезные спутники и помощники технологий искусственного интеллекта, которые помогают им быстро анализировать большие массивы данных, благодаря своей максимальной вычислительной мощности. Кроме того, выполняемые суперкомпьютерами операции моделирования и симуляции активно используются в сфере Big Data. Важно, что области применения таких устройств для обработки больших данных поистине неограниченны – начиная от науки и медицины, заканчивая маркетингом и рекламой.
Перспективы суперкомпьютеров в будущем
Эксперты считают, что в будущем суперкомпьютеры получат более широкое распространение и при этом станут мощнее, экономичнее и компактнее. Кроме того, в перспективе им будут доступны новые типы вычислений (квантовые, нейроморфные) за счет использования дополнительного оборудования: графических процессоров и т.д.
Еще один из основных прогнозов состоит в том, что в будущем суперкомпьютеры будут в основном заниматься глубокой аналитикой данных на базе машинного обучения (machine learning), а не симуляцией и моделированием, как сейчас. Новые операции значительно расширят сферу применения этой техники, позволив использовать ее буквально повсеместно.
Подводя итоги
Суперкомпьютеры – это сверхмощные вычислительные комплексы, которые состоят из множества процессоров с миллионами ядер и другого оборудования. Первый суперкомпьютер появился в 1974 году, а на сегодняшний день существуют сотни устройств во многих странах мира. Для сравнения их показателей и выделения самого мощного суперкомпьютера был создан специальный рейтинг топ 500, первое место в котором с 2020 года занимает японский комплекс Fugaku.
Суперкомпьютеры оптимально подходят для быстрых вычислений больших массивов данных, что обеспечивает им множество сфер применения. Их используют в разных отраслях науки, медицине, фармакологии, авиакосмической отрасли, в погодно-климатических исследованиях и т.д. Считается, что в ближайшем будущем такие устройства принесут немалую пользу в областях, связанных с машинным обучением и искусственным интеллектом.
Apix-Drive — универсальный инструмент, который быстро упорядочит любой рабочий процесс, освободив вас от рутины и возможных денежных потерь. Опробуйте ApiX-Drive в действии и убедитесь, насколько он полезен лично для вас. А пока настраиваете связи между системами, подумайте, куда инвестируете свободное время, ведь теперь его у вас будет гораздо больше.