22.06.2012

Великая супер­компьютерная гонка

Суперкомпьютеры - один из важных показателей технологической вооружённости. Они позволяют предсказывать погоду и биржевые курсы, создавать новые лекарства и технологии, побеждать в войнах и планировать долгосрочное развитие экономики. Страны, успешно вкладывающие деньги в суперкомпьютеры, могут быстрее других развивать высокие технологии и существенно опережать тех, кто не располагает такими машинами.

Самые мощные

США непрерывно лидировали среди стран-производителей суперкомпьютеров в так называемом списке TOP500 начиная с 2004 года и до ноября 2010 года, когда система Cray Jaguar неожиданно для многих уступила пальму первенства машине Tianhe-1A, созданной в Национальном суперкомпьютерном центре в китайском городе Тяньцзинь. Наверное, для американцев особенно обидно, что этот агрегат был построен во многом на основе технологий, разработанных в США: в частности, в нём используются графические процессоры компании NVIDIA.

В июне 2011 года американцев оттеснила уже на третье место в мировой табели о рангах японская машина K Computer, сконструированная с использованием процессоров Fujitsu SPARC64 VIIIfx. Последний раз Японии удавалось занять вершину списка в 2004 году - это был суперкомпьютер "Симулятор Земли" фирмы NEC.

K Computer может похвастаться большей вычислительной мощью, чем все пять занимавших следующие ступени машины вместе взятые - даже несмотря на то что строительство её на тот момент даже не было закончено. По словам заказчика K Computer, Министерства образования, культуры, спорта, науки и технологии Японии, перед конструкторами была поставлена цель преодолеть барьер в 10 петафлопс (квадрильонов операций с плавающей запятой в секунду). Эта цель отражена и в самом названии: "К" - первая буква японского слова "кей", означающего 10 квадрильонов (квадрильон - миллион в четвёртой степени, то есть единица с 24 нулями).

По состоянию на июнь 2011 года, было возведено лишь 672 стоек из запланированных 800, при этом система из 68544 процессоров продемонстрировала в тесте Linpack производительность в 8,162 петафлопс. Барьер был взят в ноябре 2011 года: машина из 864 серверных стоек с 88000 процессорами показала в том же тесте производительность в 10,510 петафлопс, что составляет 93% от теоретической пиковой мощности в 11280 петафлопс.

18 июня 2012 года был представлен очередной список TOP500, первое место в котором снова занял суперкомпьютер из США - IBM Sequoia, установленный в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Ливерморе, штат Калифорния. Машина продемонстрировала в тесте Linpack производительность в 16,32 петафлопс.

Второе место осталось за K Computer с 10,51 петафлопс, а третье занял новичок из США IBM BlueGene/Q system с производительностью в 8,15 петафлопс.

В первой десятке остались две китайские машины: Tianhe-1A на пятом месте, а Nebulae - на десятом.

Самый мощный отечественный суперкомпьютер "Ломоносов", построенный в МГУ компанией "Т-Платформы", находится в новом списке на 22-м месте с производительностью чуть более 0,9 петафлопс по тесту Linpack и с пиковой производительностью порядка 1,7 петафлопс. К сожалению, это единственный российский суперкомпьютер, приблизившийся к двадцатке. Четыре прочих занимают 148, 182, 185 и 390 места.

Интересно деление по странам: США - бесспорный лидер списка, там разработано 253 суперкомпьютера из пятисот. Доля Азии - 121 машин, Европы - 107 систем. Китай представлен 68 агрегатами, Япония - 34-мя, у Великобритании 25 суперкомпьютеров, у Франции - 22, у Германии - 20, у России - 5.

372 суперкомпьютера (74,4%) построены на основе процессоров Intel, 63 системы (12,6%) - на базе чипов AMD Opteron, 58 машин - на процессорах IBM Power. В 58 машинах используются графические ускорители или сопроцессоры: в 53 из них - чипы NVIDIA, в двух - AMD Radeon, в двух - Cell и в одной - Intel MIC.

Китайская угроза

Сегодня у американцев вызывает осторожную озабоченность даже не внезапно прорвавшийся в 2010 году на первое место TOP500 Tianhe-1A, фактически изготовленный по технологиям из США. В октябре 2011 году Китай официально представил свой новый суперкомпьютер Sunway BlueLight MPP, который в новом списке занимает не самое высокое 26 место с 7,95 петафлопс по Linpack и теоретической пиковой производительностью в 10,7 петафлопс.

Озабоченность вызывает, разумеется, не производительность, а тот факт, что этот суперкомпьютер построен полностью из разработанных и изготовленных в Китае процессоров, а не из обычных чипов Intel или AMD. Более того, выяснилось, что по габаритам и энергоэффективности эта машина сравнима с двадцаткой лучших суперкомпьютеров мира, что свидетельствует о высочайшем уровне инженерной мысли и развития технологий.

Sunway BlueLight MPP собран из 1600 процессоров ShenWei SW-3, каждый из которых обладает шестнадцатью ядрами, основанными на 64-битной RISC-архитектуре MIPS, тактовая частота 975 МГц. По официальной версии считается, что микросхемы разработаны на базе микроархитектуры Loongson/Godson, работы над которой в Китае ведутся с 2001 года. По другим данным, это продукт "обратного инжиниринга" американского чипа DEC Alpha.

В любом случае, по мнению специалистов, эти чипы архитектурно на несколько поколений отстают от современных американских микросхем, но вряд ли есть сомнения в том, что китайское правительство очень щедро профинансирует разработки, чтобы в ближайшее время сократить разрыв.

Exascale computing

Пока не существует общепринятого перевода этого словосочетания на русский язык, но смысл его состоит в "вычислениях масштаба "экза", то есть квинтильонов (260). Цель инициативы Exascale computing, поддержанной Министерством энергетики США и входящим в его состав Национальным управлением ядерной безопасности, состоит в увеличении производительности суперкомпьютеров в тысячи раз по сравнению с современным уровнем 1-15 петафлопс.

Некоторые эксперты полагают, что прорыва можно ожидать уже к 2020 году, но пока существуют непреодолимые технические препятствия. Главное из них заключается в том, что чем выше производительность системы, тем больше её габариты, энергопотребление и, конечно же, тепловыделение. Даже современные суперкомпьютеры мгновенно превратятся в кучи расплавленного железа и пластика, если вдруг откажет их мощнейшая система охлаждения, больше напоминающая фабрику холода.

Вполне возможно, что потенциальным претендентом на звание самого энергоэффективного компьютера может стать описанный выше Sunway BlueLight MPP: по официальным данным, его энергопотребление составляет всего 1 (один) мегаватт. Для сравнения, другой "китаец" Tianhe-1A, построенный на базе американских чипов, потребляет уже 4 мегаватта, а американский Jaguar - более пяти.

При этом производительность Sunway составляет примерно 74% от мощности Jaguar, что даёт колоссальную экономию в эксплуатационных расходах, которые достигают миллиона долларов в год на один киловатт только на электропитание. Японский K Computer потребляет около 12,65 МВт, что означает уже почти 13 миллионов долларов в год.

Между тем, скачок масштаба "экза" к 2020 году действительно необходим, если принимать во внимание объемы данных с которыми мы будем иметь дело к этому времени. Судите сами: ещё в 2004 году общий объём данных, хранимых онлайн, оценивался примерно в пять экзабайт. Уже в 2009 году на столько же увеличивались объёмы загружаемых данных ежемесячно. Сегодня месячный объём составляет около 21 экзабайта. И это без учёта данных, поступающих из других сетей и источников - банковских карточных сетей, спутниковых систем слежения за погодой и множества других! Превратить эти грандиозные потоки данных в полезную информацию способны только суперкомпьютеры.

Одним из способов кардинально повысить производительность вычислений может стать использование нетрадиционных для суперкомпьютеров конструкций, компонентов и материалов. К примеру, в Суперкомпьютерном центре Сан-Диего была построена машина под названием Gordon с использованием флэш-памяти, а точнее, 1024 твёрдотельных SSD-накопителей Intel серии 710, которые способны выдавать данные на порядок быстрее обычных жёстких дисков. В списке TOP500 эта самая большая в мире "флэшка" ёмкостью 300 триллионов байт сейчас занимает 62-е место с производительностью 0,28 петафлопс по тесту Linpack.

Испанский суперкомпьютерный центр в Барселоне намерен использовать для постройки суперкомпьютера в 2014 году "телефонные" процессоры Tegra. Цель эксперимента - снизить энергопотребление на 4-10% по сравнению с лучшими энергоэффективными системами.

Не стоит сбрасывать со счетов и возможности, предоставляемые виртуальными "облачными" суперкомпьютерами, которые смогут получать в аренду все желающие. Amazon построила такую систему осенью 2011 года и сейчас она занимает 72-е место в TOP500. В сеть Amazon входит настолько много расположенных в разных частях света центров обработки данных, что их совместной мощности хватает для предоставления "облачных" суперкомпьютерных услуг множеству сторонних компаний.

Так или иначе, обладание суперкомпьютерами необходимо любой современной державе. Поэтому особенно печально видеть в списке пятисот самых мощных суперкомпьютеров мира всего пять российских.

Олег Нечай

Источники:

1. КОМПЬЮТЕРРА