Ликбез RnD.CNews: все, что нужно знать о суперкомпьютерах

Само понятие «суперкомпьютер» появилось в 1960-х годах, оно обозначает мощные вычислительные машины, которые намного опережают по производительности обычные ПК. При этом до сих пор нет четкого разграничения между просто компьютерами и суперкомпьютерами. Имеется только шуточное определение, данное Гордоном Беллом и Доном Нельсоном в 1989 году, согласно которому любой компьютер, весящий больше тонны, –  суперкомпьютер. Это отчасти верно – такие устройства могут весить несколько тонн.

Но все же главным критерием считается производительность или скорость вычислений. Но есть и нюанс: быстродействие обычного ПК измеряется в MIPS (Million Instructions Per Second) – количестве миллионов операций в секунду, а суперкомпьютера – во FLOPS (FLoating-point OPerations per Second), то есть количестве операций над числами с плавающей точкой в секунду. Дело в том, что простые компьютеры чаще оперируют целыми числами, а суперкомпьютеры – вещественными числами (например, π, е, √2 и другими).

Потому настоящее сравнение производительности обычного устройства и суперкомпьютера невозможно, зато FLOPS позволяет эффективно сравнивать мощность разных суперустройств.

Еще суперкомпьютеры нужно отличать от мейнфреймов, которые также могут быть высокопроизводительны и обладать огромным объемом памяти, но при этом решают только типовые задачи (например, обрабатывают базы данных). 

Создание суперкомпьютеров

Первым суперкомпьютером, по разным данным, считается либо CDC-6600, созданный в 1963 году, либо Cray-1, появившийся в 1974 году. Они оба намного превосходили по мощности устройства того времени и могли решать сложные вычислительные задачи. 

При этом производительность CDC-6600 составляла 1 миллион FLOPS – 1000 операций с плавающей точкой в секунду, а для Cray-1 уже достигала 180 миллионов FLOPS. Для сравнения: Frontier, самый мощный суперкомпьютер по состоянию на 2022 год, перешел рубеж в 1 квинтиллион FLOPS.

Устройство современных суперкомпьютеров

Ранние суперкомпьютеры были оснащены скалярными процессорами, которые обеспечивали высокую скорость работы. В 1970-е их заменили параллельно работающими векторными процессорами – обычно от 4 до 16 в одном устройстве. Но уже в конце 1980-х вновь стали использоваться скалярные процессоры в так называемых массово-параллельных системах, объединяющих огромное количество таких процессоров. Это позволило снизить стоимость производства и нарастить мощность.

Сейчас разработкой суперкомпьютеров занимаются Cray, IBM, Hewlett-Packard, NEC и другие крупные компьютерные компании. Причем по сути современные суперкомпьютеры состоят абсолютно из тех же частей, что и ПК на нашем рабочем столе, а их мощность обеспечивается большим количеством параллельно подсоединенных высокопроизводительных процессоров. И если в домашнем компьютере имеется один процессор, с 2-8 ядрами, то, например, в суперкомпьютере МГУ Ломоносов-2 на июнь 2022 года было 64 400 000 ядер.

Что касается операционной системы, то сейчас в подавляющем большинстве суперкомпьютеров применяется Linux, которая пришла на смену устаревшей UNIX OS.

Рейтинг суперкомпьютеров

Практически в каждой крупной стране есть один или несколько мощных суперкомпьютеров, которые входят в общий мировой рейтинг «Топ-500». Чаще всего они принадлежат государственным структурам, научным учреждениям и крупным IT-корпорациям. Самое большое количество таких устройств принадлежит Китаю – 162 компьютера из «Топ-500». А самый мощный на данный момент суперкомпьютер Frontier находится в США.

Также в этот рейтинг входит семь российских устройств – «Червоненкис», «Галушкин», «Ляпунов», «Кристофари Нео», «Кристофари», «Ломоносов-2» и «МТС GROM». Они принадлежат IT-компаниям и Московскому государственному университету. Самый мощный из них «Червоненкис» мощностью около 29 PFLOPS (петафлопсов) занимает 25 строчку в мировом рейтинге. 

Впрочем, стоит отметить, что есть также военные суперкомпьютеры которые не входят «Топ-500». Например, суперкомпьютер Национального центра управления обороной России, который по некоторым данным имеет производительность 16 PFLOPS.

Какие задачи выполняют суперкомпьютеры

За счет своей мощности суперкомпьютеры способны справиться с задачами, на которые обычному ПК понадобилось бы несколько лет. Они применяются для численного моделирования или для решения задач с помощью перебора огромного количества исходных параметров (например, методом Монте-Карло).

Среди конкретных сфер применения суперкомпьютеров: вычислительные версии наук (биологии, химии, медицины, лингвистики и других), криптография, статистика, ядерная физика. Кроме того, такие устройства могут сами использоваться как сервер для нейронных сетей.

Суперкомпьютеры способны предсказывать погоду с помощью вычислительных методов, прогнозировать землетрясения, создавать модели Вселенной или рассчитывать последствия ядерных взрывов. А потому они используются в науке, IT, кибербезопасности, оборонном комплексе, государственных структурах. В настоящее время существование человечества невозможно без таких устройств.

Недостатки суперкомпьютеров

Но в комплекте с возможностями суперкомпьютеров идут серьезные проблемы:

• высокая стоимость производства;

• огромные размеры и как следствие – необходимость в помещениях для них; 

• высокий расход электроэнергии;

• выделение большого количества тепла и потребность в мощной системе охлаждения.

Кроме того, на них также влияет закон Мура, и для увеличения мощности суперкомпьютерам приходится расти в размерах, что усугубляет имеющиеся проблемы.