Что такое суперкомпьютеры и зачем они нужны?

Суперкомпьютеры обсуждаются уже несколько десятилетий. Эта тема вызывает неизменный интерес не только у IT-специалистов, но даже и людей которые не имеют к IT никакого отношения. И это понятно — ведь сам префикс „супер” говорит, что речь идет про что-то необыкновенное и выдающееся.

Что такое суперкомпьютер?

Однозначную формулировку найти нужно. Определение этого понятия не раз было предметом многочисленных дискуссий, но конечный результат не достигнут до сих пор.

Собственно, понятие „суперкомпьютер” возникло в середине 1960-х лет, когда компьютеров стало достаточно много и они начали различаться мощностью и предназначением, отсюда и возникла необходимость их класификации.

На разных этапах развития компьютерной техники под определение „суперкомпьютер” подпадали разные виды компьютеров. Несомненно, некоторые варианты классификации уже устарели, другие же нуждаются в уточнении.

К примеру, существует определение суперкомпьютера как „компьютера с продуктивностью больше  Х Y-флопсов”. Сразу возникает проблема, как определить это Х? К тому же понятно, что с каждым годом нужно как-то корректировать Х и каждые 2-3 года изменять Y.

Другая проблема более сложна – что такое „производительность”? Ведь „производительность системы” (как характеристики процесса решения конкретных задач) и „быстродействие процессора” (количество операций, выполняемых процессором) – далеко не одно и то же. Не говоря о том, что команда для одноадресной архитектуры и команда для трехадресной – это разные вещи. И что производительность многопроцессорной системы не всегда равна сумме продуктивностей отдельных ее процессоров.

К тому же возникает вопрос: не попадает ли в категорию суперкомпьютеров современный ЦОД, особенно если его серверы объединены средой виртуализации? Можно ли считать GRID-систему  суперкомпьютером? А может быль, наиболее мощным суперкомпьютером является Интернет?

В 1989 году Гордон Бел и Дон Нельсон шутя предложили считать суперкомпьютером любой компьютер, который весит больше тоны. Несмотря на шутливость этого определения, оно выглядит достаточно реальным и понятным для четкого выделения суперкомпьютеров (конкретные весовые показатели можно уточнять).

По аналогии с привычными определениями персонального компьютера как такого, которого можно разместить на письменном столе, и ноутбука, как такого, который влезает в портфель, можно классифицировать компьютеры не по техническими характеристиками, а по их назначению.

Тогда получим достаточно современные категории:

• Рабочие станции (ПК) – поддержка индивидуальной работы.
• Серверы и мейнфреймы – многопользовательские системы коллективного доступа.
• Суперкомпьютеры – решение уникальных сложных расчетных задач.

Для чего нужные суперкомпьютеры?

Простой ретроспективный анализ – где и зачем использовались такие машины – однозначно свидетельствует, что речь идет о решении сложных математических вычислительных задач в пределах фундаментальных исследований и о реализации проектов национального или международного масштаба.

Расшифровка секретных кодов и баллистические расчеты – вот основное применение вычислителей во время Второй мировой войны. Первые прообразы современных компьютеров создавались в пределах ядерных проектов. Например, наиболее известные советские суперкомпьютеры „Эльбрус” были разработаны для реализации противоракетной обороны страны в 1970-80-ые годы.

Можно вспомнить о геофизических исследованиях, прогнозировании погоды, расшифровке генома человека, создании новых лекарств, и тому подобное.

Что касается больших мировых бизнес-корпораций, то они уже давно поняли преимущества и необходимость суперкомпьютеров и создали собственные мощности.

В рейтинге Топ500 наимощнейших компьютерных систем мира уже более 60% инсталляций принадлежит корпорациям, а не исследовательским центрам. В действительности эта пропорция еще больше сдвинута в сторону бизнеса, поскольку не каждая компания стремится афишировать свои IT-ресурсы. Наиболее яркий пример бизнеса, который использует суперкомпьютерные масштабы IT, – поисковая система Google.

В Google не раз хвастались, что их компания в сущности огромный суперкомпьютер. Ее серверные кластеры в разных странах состоят из сотен тысяч узлов, всего около миллиона машин. Если бы Google захотел довести свою производительность тестами Linpack, то потеснил бы в рейтинге немало достаточно известных компьютерных систем.

Суперкомпьютерные технологии нашли применения и в современном спорте. Американская команда бобслеистов стартовала на Олимпиаде в Ванкувере-2010 на бобах, обсчитанных на суперкомпьютерах. Болиды Formula 1 уже не могут обойтись без суперкомпьютерных вычислений аэродинамики. У Renault есть большая серверная ферма в Енстоуне, у BMW – наибольший компьютер в автомобильной индустрии.

Конечно, область применений суперкомпьютеров не ограничивается этими отраслями, но на данном этапе развития промышленности и экономики все еще нечасто для вычислений и моделирования используют просто компьютеры, не говоря уже о суперкомпьютерах. Следовательно, проблема не только в недостаточном использовании супертехнологий, но и в низком уровне применения существующих средств автоматизации и моделирования процессов и объектов.

Суперкомпьютеры в Украине

По сравнению с другими старанами СНГ, Украина владеет не столь впечатлительными суперкомпьютерными мощностями, но и не плетется в хвосте. Два самых больших украинских суперкомпьютера входят в рейтинг Топ50 наимощнейших суперкомпьютеров СНГ.

Тор50 наимощнейших компьютеров СНГ
(Текущий рейтинг 13-тая редакция от 21.09.2010)

Но даже эти мощности пока еще не задействованы полностью. Формально задействовать суперкомпьютеры несложно – например, решая разные абстрактные тестовые задачи  вращения огромных матриц (чем и занимаются аспиранты, которым нужно защищать диссертации по точным наукам).

Понятно, что подобные операции имеют достаточно далекое отношение к решению практических задач. Но ведь эффективность применения компьютеров определяется не коэффициентом загруженности процессоров, а количеством развязанных задач конечных пользователей.

Например, «использование суперкомпьютера позволило сократить расходы на разведку нового месторождения нефти на 20%». Тогда рассчитать экономический эффект будет просто.

Следовательно, кроме увеличения суперкомпьютерных мощностей существует проблема недостаточной загруженности уже существующих суперкомпьютеров задачами производства и экономики.

Еще одна сложность заключается в том, что задействовать возможности суперкомпьютеров вовсе не так просто. Ведь основной эффект при их приложении достигается за счет распараллеливания вычислительных процессов, а возможности решения такой задачи автоматически, с помощью только программных средств, достаточно ограниченные, в том числе при работе с моделями, которые описываются уравнениями математической физики.

Таким образом, использование суперкомпьютеров нуждается, прежде всего, в достаточно серьезных инвестициях в развитие математического и программного обеспечения.

Тем не менее, на сегодняшний день в Украине уже достигнут мировой уровень разработки суперкомпьютеров, и большие мощности западных вычислительных систем определяются лишь финансовой, а не технической составляющей.

Например, Центр суперкомпьютерных вычислений НТУУ «КПИ» выполняет не только внутренние задания университету, но и задачи отраслевых институтов, учебных заведений Украины и GRID-пользователей, из любой точки мира. Он тесно сотрудничает в этом плане с Институтом теоретической физики и Институтом математики НАНУ, Национальным космическим агентством Украины и тому подобное.

В Институте кибернетики им. В.М. Глушкова Национальной академией наук Украины создан суперкомпьютерный вычислительный центр (СОЦ) на базе высокопродуктивных кластерных систем СКИТ.

Среди задач, которые решаются в настоящий момент в СОЦ НАНУ, - предупреждение экологических катастроф, обработка и интерпретация геофизических данных для разведки нефти и газа, моделирования и прогнозирования погоды, а также последствий вредных выбросов в атмосферу.

СОЦ успешно разрабатывает много других, более специфических технологий, начиная с  поиска оптимального расположения аварийных служб и станций скорой помощи, выявления прорывов нефтепроводов и прогнозирования повреждения посевов зерновых, до сложных технологий противоракетной обороны, предупреждения террористических акций, оценки инвестиционных проектов, рыночных исследований, и тому подобное.

Вычислительные мощности СОЦ также используются другими организациями для проведения более ресурсомистких расчетов, например, Институтом молекулярной биологии и генетики НАНУ.

Наши суперкомпьютерные вычислительные центры решают важнейшие для экономики Украины задания, многие из которых раньше считались почти невыполнимыми. Для большинства разработанных технологий скорость получения результатов вычислений является фактором, который полностью определяет их практическую ценность.

В этих условиях наращивания вычислительной мощности украинских суперкомпьютеров – задача первоочередной важности, ее решение обеспечит конкурентоспособность новой экономики Украины в ключевых отраслях.