Суперкомпьютер с «бесконечным» масштабированием
В эпоху цифровой экономики и всеобщей цифровизации вычислениям отводится ключевое место. На создание суперкомпьютеров крупнейшие государства выделяют многомиллионные суммы. Эти вложения должны быть постоянными, так как производительность суперкомпьютеров удваивается каждые полтора года. Сегодня Россия находится только в начале построения национальной сети сверхмощных машин.
Структуры Ростеха в числе прочих российских предприятий вносят свой вклад в создание отечественной киберинфраструктуры. В сентябре 2019 года холдинг «Росэлектроника» объявил о запуске суперкомпьютера «Фишер» с пиковой производительностью 13,5 Тфлопс и практически неограниченными возможностями для масштабирования. Машина разработана специалистами холдинга для Объединенного института высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН). Новый суперкомпьютер поможет ученым-физикам в создании цифровых моделей веществ и прогнозе поведения материалов в экстремальных состояниях.
Суперкомпьютер «Фишер» состоит из 24 вычислительных узлов с 16-ядерными процессорами. Для улучшения терморегуляции вычислительного кластера «Фишера» используется иммерсионная (погружная) система охлаждения. Благодаря ей суперкомпьютер не требует специально оборудованных помещений и может работать при температурах от ‒50 °С до +50 °С. Подобные системы охлаждения применяются сегодня на самых высокопроизводительных машинах мира.
«Фишер» создан на основе коммуникационной сети «Ангара» − первого российского интерконнекта, позволяющего объединять группы машин в мощные вычислительные кластеры. С помощью «Ангары» можно соединять тысячи компьютеров разных производителей и с разной архитектурой центральных процессоров. Коммутаторное исполнение «Фишера» позволяет компоновать компьютеры с большей плотностью и в целом облегчает сборку и использование всей системы за счет уменьшения числа кабелей. Модульный характер системы позволяет масштабировать мощность «Фишера» под любые нужды.
Ученые из ОИВТ РАН уже несколько лет используют суперкомпьютер DESMOS мощностью 52,24 Тфлопс, созданный на базе предыдущего поколения сети «Ангара». Его вычислительные мощности оказались настолько востребованы, что было принято решение о создании «младшего брата» этого суперкомпьютера уже на базе нового поколения коммутационной сети.
Нужны ли нам супер мощные компьютеры?
Впервые термин «суперкомпьютеры» был использован в 60-х годах прошлого века. Это были основные вычислительные машины, применяемые для различных академических, правительственных и научных проектов США. В 90-е годы вовсю шла речь о «крахе суперкомпьютеров», поскольку многие компании ушли с этого рынка. Но, например, компания Cray, которая ещё с 60-х годов выпускала высокопроизводительные компьютеры, и до нашего времени продолжает свои разработки.
Изначально суперкомпьютеры служили в военных целях, с их помощью происходила разработка ядерного оружия. Сейчас они востребованы там, где используется компьютерное моделирование и требуется обработка огромных массивов данных в реальном времени. Если задача может быть решена методом перебора большого числа значений, такие устройства показывают высокую эффективность в её решении.
Суперкомпьютеры, или как их ещё называют, «числодробилки», в наше время используются в следующих науках и направлениях:
- биология;
- физика;
- метеорология;
- криптография;
- лингвистика;
- проектирование в машиностроении, строительстве, авиастроении;
- искусственные нейросети и искусственный интеллект и т.д.
Развитие информационных технологий и устройств со сверхвысокими вычислительными возможностями привело к появлению таких наук, как вычислительная химия, вычислительная лингвистика и др.
Благодаря эффективной работе самых мощных суперкомпьютеров в мире мы получаем точные прогнозы погоды и революционные медицинские возможности. В частности, возможность диагностирования и лечения рака. С их помощью удаётся быстро обрабатывать миллионы историй болезней и диагнозов, выявлять новые закономерности течения болезни, вследствие чего — создавать новые методики лечения. Расчёт огромного количества химических соединений позволяет создавать основу для производства инновационных медицинских препаратов.
Более стремительному развитию экстремально мощных компьютеров и системных блоков способствует диджитализация и эпоха цифровой экономики. На разработку и создание суперкомпьютеров выделяются многомиллионные суммы, вследствие чего производительность таких машин заметно возрастает с каждым годом.
Суперкомпьютеры
Компьютеры, сравнимые по мощности с десятками и даже сотнями самых производительных моделей домашних ПК, обычно называют «суперкомпьютерами».
Покупка такой техники доступна только для организаций с государственными источниками финансирования, а выполняемые задачи имеют значение для целой страны и даже всего мира.
В 2018-м году самым мощным суперкомпьютером в мире является китайский Sunway TaihuLight, в будущем на это название претендует сразу два проекта, которые должны завершиться в 2020–2021 году.
Самый мощный компьютер современности
Наиболее производительной моделью компьютера уже 2 года считается Sunway TaihuLight, рабочая производительность которого составляет 93 петафлопса – в тысячи раз больше, чем у самого мощного современного ПК.
Суперкомпьютер расположен в национальном компьютерном центре Китая и получил название в честь крупного пресноводного озера Тайху.
Пиковая мощность составляет 125 петафлопс.
Рис. 5. Китайский суперкомпьютер Sunway TaihuLight.
Следует знать: Скорость вычислений у модели Sunway TaihuLight в 2,5 раза выше по сравнению с предыдущим «самым мощным компьютером в мире».
Модель «Тяньхэ-2» тоже расположена в Китае и пока находится на втором месте рейтинга 500 лучших суперкомпьютеров мира.
Компьютер имеет следующие параметры:
- 40960 64-битных процессоров SW26010 (1,4 ГГц и 260 ядер у каждого) или 10,5 миллионов процессорных ядер с общим объёмом кэша 812,5 гигабайт;
- 1310 ТБ оперативной памяти;
- специально разработанную для него операционную систему Sunway Raise OS 2.0.5;
- потребление энергии 15270 кВт.
Аппаратная часть компьютера занимает 605 кв. м., размещаясь на 40 стойках, каждая из которых имеет производительность около 3 петафлопс.
Одновременно работает не больше 75% оборудования, остальная часть находится в резерве.
Суперкомпьютер используют для решения масштабных задач в области промышленного производства, медицины, метеорологии и горнодобывающей промышленности – поэтому, несмотря на высокую цену (около $270 млн.), Sunway TaihuLight уже окупился.
Суперкомпьютеры будущего
Проект «Тяньхэ-3», который должен быть завершён в 2020 году, позволит Китаю получить ещё один суперкомпьютер на первом месте рейтинга.
На втором Всемирном интеллектуальном конгрессе были представлены очередные результаты работы над компьютером, скорость которого достигнет 1000 петафлопс (1 эксафлопса).
Предполагается, что новая модель позволит ускорить решение глобальных проблем – загрязнения окружающей среды, энергетического кризиса и изменений климата.
Рис. 6. Прототип суперкомпьютера «Тяньхэ-3» на выставке.
Стоимость и большая часть характеристик суперкомпьютера пока не сообщаются.
Однако разработчики уже заявили о возможности экономии с его помощью около $1,49 млрд. ежегодно.
Единственным конкурентом «Тяньхэ-3» должен стать американский проект экзафлопсного компьютера, разработка которого завершится в 2021-м году.
Самым мощным или хотя бы вторым по производительности вычислительным устройством в мире может стать система из США, которой уже занимаются 6 компаний из США – IBM, Intel, AMD, HP, Cray и Nvidia.
Стоимость проекта должна составить около $258 миллионов, а производительность – более чем в 50 раз больше по сравнению с самым мощным современным американским суперкомпьютером Titan, считавшимся лучшим в 2011-м году и получившим 18688 16-тиядерных процессоров, 710 ТБ ОЗУ и 40000 ТБ дискового пространства.
Рис. 7. Зал проекта американского суперкомпьютера.
Cray CS-Storm
- Местоположение: США
- Производительность: 3,57 петафлопс
- Теоретический максимум производительности: 6,13 петафлопс
- Мощность: 1,4 МВт
Как и практически все современные суперкомпьютеры, включая каждый из представленных в данной статье, CS-Storm состоит из множества процессоров, объединенных в единую вычислительную сеть по принципу массово-параллельной архитектуры. В реальности эта система представляет собой множество стоек («шкафов») с электроникой (узлами, состоящими из многоядерных процессоров), которые образуют целые коридоры.
Cray CS-Storm – это целая серия суперкомпьютерных кластеров, однако один из них все же выделяется на фоне остальных. В частности, это загадочный CS-Storm, который использует правительство США для неизвестных целей и в неизвестном месте.
Известно лишь то, что американские чиновники купили крайне эффективный с точки зрения потребления энергии (2386 мегафлопс на 1 Ватт) CS-Storm с общим количеством ядер почти в 79 тысяч у американской компании Cray.
На сайте производителя, впрочем, сказано, что кластеры CS-Storm подходят для высокопроизводительных вычислений в области кибербезопасности, геопространственной разведки, распознавания образов, обработки сейсмических данных, рендеринга и машинного обучения. Где-то в этом ряду, вероятно, и обосновалось применение правительственного CS-Storm.
CRAY CS-STORM
Piz Daint
Суперкомпьютер Piz Daint достаточно долго (с 2013 до 2018 года) занимал третье место в рейтинге самых мощных вычислительных систем в мире. В то же время он остается самым производительным компьютером Европы. Стоимость проекта составила около 40 млн швейцарских франков.
Модель получила название в честь одноименной территории в Швейцарских Альпах и находится в национальном суперкомпьютерном центре. Оборудование, из которого состоит СуперЭВМ, располагается в 28 стойках. Для работы техники требуется 2,3 МВт электричества, и по этому показателю Piz Daint обеспечивает лучшую удельную производительность – 9,2 Пфлопс/МВт.
В составе ЭВМ есть другой суперкомпьютер Piz Dora, сначала работавший отдельно. После объединения мощностей швейцарские разработчики получили вычислительную систему с 362 тысячами ядер (процессоры Xeon E5-2690v3) номинальной производительностью 21,23 Пфлопс. Максимальная скорость работы – 27 Пфлопс.
Основные задачи суперкомпьютера – расчеты для исследований в области геофизики, метеорологии, физике и климатологии. Одно из приложений для ЭВМ, COSMO, представляет собой метеорологическую модель и используется метеослужбами Германии и Швейцарии для получения высокоточных прогнозов погоды.
Tianhe-2
Но нашего непосредственного внимания заслуживает самый мощный компьютер в мире – Tianhe-2 расположился на этом месте благодаря высокой – 33,86 петафлопс – скорости вычислений, что равнозначно миллиону миллиардов вычислений в секунду! Такую цифру сложно осознать человеческим разумом. Чтобы было более понятно, представьте, что могущественная техника в тридцать три миллиона раз мощнее любого iPad.
В машине находится в общей сложности 16 тысяч вычислительных узлов, каждый из которых состоит из трех двенадцатиядерных процессоров марки Xeon Phi E5-2692 и двух процессоров Intel Xeon IvyBridge. В свое оправдание китайские конструкторы заявили, что процессоры Интел использовались лишь для вычислительной части машины, в то время как вся остальная начинка – интерконнект, оперативка, вторичные процессоры и ПО – являются исключительно плодами китайского производства.
Объем памяти самого мощного компьютера в мире 1 тыс. 24 Тбайта, что превышает результаты обычного ПК в 12 раз. Для работы суперкомьютеру требуется порядка 18 тыс. КВт энергии. Общее количество ядер машины 3 млн. 120 тыс. Теоретически возможная работоспособность Tianhe-2 порядка 55 тысяч терафлопс.
Работает эта вычислительная техника на операционной системе Kylin Linux. Расположен суперкомпьютер в оборонном научно-техническом университете Народно-освободительной армии Китая.
Разработан он был Национальным университетом оборонных технологий КНР в сотрудничестве с компанией Inspur. В данный момент машина производит вычисления в области климата, моделирования мощных взрывов. В общем, занимается всем тем, чем и его коллеги. Его исследования были применены в разработке крупного авиалайнера С919, с его помощью можно наблюдать за Землей, определять последовательность генов. Он нашел свое применение в области административного управления, облачных вычислений и информационных услуг.
Чтобы создать самый мощный компьютер в мире, Китай потратил 390 миллионов долларов. На него возлагаются большие надежды – суперкомпьютер должен ускорить процесс развития таких областей как материаловедение, информационные технологии, военная, космическая техника, авиастроение.
В данный момент активно идут разработки противоспутниковых лазерных систем, ведется поиск новых источников энергии, и много других перспективных разработок, за которыми будущее.
Sunway TaihuLight
Китайская СуперЭВМ удерживала лидирующую позицию в рейтинге TOP500 с 2016 до 2018 года. В соответствии с тестами LINPACK ее считали самым производительным суперкомпьютером, минимум в полтора раза превосходящим ближайшего конкурента и втрое опережающим самую производительную американскую модель Titan. Разработка и строительство вычислительной системы обошлось в 1,8 млрд. юаней или 270 млн долларов. Инвесторами проекта были правительство Китая, администрация китайской провинции Цзянсу и города Уси.
Суперкомпьютер потребляет 15,3 МВт электроэнергии и занимает площадь 605 кв.м. Расположен он на территории города Уси, в национальном суперкомпьютерном центре. Название модели дали в честь расположенного рядом озера Тайху, третьего по величине пресноводного водоема Китая.
Наличие в конструкции ЭВМ 41 тысячи процессоров SW26010 и 10,6 миллиона ядер позволяет ей проводить расчеты со скоростью 93 Пфлопс. Максимальная производительность – 125 Пфлопс. Переход на чипы китайского производства потребовал от разработчиков создания полностью новой системы. До этого предполагалось в 2 раза повысить производительность другой китайской СуперЭВМ Тяньхэ-2, но эти намерения пришлось изменить из-за проблем с поставками процессоров Intel из США.
Модель Sunway TaihuLight применяется для выполнения сложных вычислений в области медицины, горнодобывающей промышленности и производстве. С помощью вычислительной машины прогнозируют погоду, исследуют новые лекарства и анализируют «большие данные» – массивы информации, обработать которые не получится даже у самого мощного серийного компьютера.
Топ-500
Как утверждают составители данного рейтинга, отслеживающие появление самых мощных компьютеров в мире, десятка лидеров остается неизменной с 2013 года. В рейтинге находятся 233 представителя США, 73 – китайских модели, по три десятка суперкомпьютеров британского и японского производства, на три меньше у Франции, и Германию представляют 23 вычислительных машины.
Россию в данном рейтинге представляют пять машин, одна из которых – суперкомпьютер «Ломоносов», находящийся в МГУ им. М. В, Ломоносова, с производительностью 0,9 петафлопса по состоянию на ноябрь 2014 года находится на 58 месте.
От чего зависит цена
С каждым годом производительность компьютеров и ноутбуков растет, как и стоимость техники. Ценообразование зависит от нескольких факторов:
- Технические характеристик.
- Назначения электроники (игровая, офисная, для масштабных вычислений).
- Тип компьютера (портативный, стационарный).
- Бренд.
Основным определяющим фактором стоимости компьютера являются технические характеристики:
- Тип и мощность процессора.
- Объем оперативной памяти.
- Параметры материнской платы.
- Объем жесткого диска.
- Параметры видеокарты.
- Частота разрешения и размер монитора.
В зависимости от назначения, ключевые характеристики могут изменяться. Например, в игровых ПК упор сделан на скорость вычислений, качественное изображение и звук, емкость жесткого диска. А вот стационарные машины для масштабных вычислений могут вовсе не иметь видеокарты, сравниваясь по стоимости с сотней Ламборджини. Но среднестатистическому пользователю ПК едва ли понадобится такой компьютер дома.
Сегодня на рынке представлены портативные компьютеры (ноутбуки) с куда более высокими техническими показателями, чем стационарные. Куда меньшие габариты делают их дороже ПК такой же мощности.
Бренд играет в формировании стоимости компьютера не последнюю роль. Наценка за надкушенное яблоко на корпусе может составить 30-40% от базовой стоимости.
С каждым годом стоимость производительного ПК растет. Пользователи стремящиеся идти в ногу со временем не жалеют денег на надежного «помощника». Тем не менее, реально найти чуть более слабые модели, стоящие существенно дешевле топовых версий.
Лучшие бюджетные компьютеры
Недорогие компьютеры, предназначенные для выполнения базовых задач – хороший выбор для студентов или офисных работников.
Lenovo ThinkCentre M720
4.8
★★★★★
оценка редакции
90%
покупателей рекомендуют этот товар
Компания Lenovo производит широкую линейку компьютеров для офисной работы и бизнеса. Лучшей бюджетной моделью бренда можно назвать ThinkCentre M720. Этот настольный компьютер выпускают в нескольких форм-факторах.
Самый компактный вариант (Tiny) выступает в качестве идеальной замены ноутбука и показывает неплохую производительность. Более крупные варианты SFF и Tower отличаются простым дизайном и хорошо впишутся в офисную обстановку.
Общими достоинствами серии стоит назвать надежность компьютеров в условиях интенсивной работы, наличие достаточного количества портов и разъемов на корпусе, а также технологии Smart USB Protection и Chassis E-Lock, позволяющие защитить компьютер от злоумышленников.
Плюсы:
- Три вида форм-фактора (Tower, SFF и Tiny).
- Множество вариантов конфигурации.
- Надежность.
- Компактность.
- Дополнительные функции безопасности.
- Бесшумная работа.
Минусы:
Комплектацию компактной версии невозможно дополнить из-за ограниченных габаритов корпуса.
Недорогой универсальный компьютер, оснащенный специальными защитными технологиями. Надежность и компактность делают модель отличным выбором для офисов или мест с ограниченным рабочим пространством.
Acer Aspire TC-885
4.8
★★★★★
оценка редакции
88%
покупателей рекомендуют этот товар
Aspire TC-885 необходим тем, кому требуется недорогой настольный компьютер с достаточной производительностью для дома или работы.
Эта модель оснащается процессором Intel 8-го поколения с технологией Optane, 8 гигами DDR-4 оперативной памяти и дискретной видеокартой от Nvidia.
Благодаря этому компьютер хорошо справляется не только с легкими задачами, вроде серфинга в интернете, но и подходит для развлекательных целей: просмотра фильмов и нетребовательных игр.
Для офисных работников (и не только) несомненным плюсом будет обилие разъемов и портов, позволяющее подключить внешние периферийные устройства и пользоваться флешками.
Кроме того, в этой модели очень прост доступ к комплектующим, что дает возможность легко ремонтировать или обновлять компоненты ПК.
Плюсы:
- Выгодное соотношение цены и качества.
- Хорошая производительность.
- Широкие возможности обновления.
- Красивый дизайн.
- Компактность.
Минусы:
Самые дешевые конфигурации не справляются со сложными задачами.
Многофункциональная модель начального уровня отличается приличной производительностью, возможностью дальнейшей модернизации и большим набором портов для периферии. И все это предлагается за небольшие деньги.
Asus VivoMini VC66-C
4.7
★★★★★
оценка редакции
85%
покупателей рекомендуют этот товар
Этот мини-компьютер обладает несколькими весомыми достоинствами, позволяющими включить модель в тройку лучших ПК бюджетной категории. VC66-C подходит для выполнения широкого ряда задач.
Устройство может использоваться в качестве развлекательного центра, как компьютер для показа презентаций или обычный персональный ПК.
Опционально устанавливаемый DVD или Blu-ray привод в сочетании с поддержкой формата 4K дает возможность сделать из компьютера настоящий домашний кинотеатр.
Компактность и бесшумность в работе позволяет с удобством разместить компьютер дома или в рабочем помещении, а при необходимости VC66-C можно относительно легко разобрать.
Плюсы:
- Стильный дизайн.
- Компактные размеры.
- Многофункциональность.
- Бесшумная работа.
Минусы:
Возможны проблемы с предустановленным программным обеспечением.
Стильный и тихий мини-компьютер, способный выступить в качестве замены обычного ПК или стать бюджетным медиацентром для домашнего использования.
Победители TOP500
За прошедшие пять месяцев список претерпел существенные изменения, что лишний раз демонстрирует скорость развития данной отрасли. Прежний лидер – система Sequoia Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, покорившая в июне планку в 16,32 петафлопс, оказалась на втором месте.
Суперкомпьютер IBM Sequoia (BlueGene/Q) — второе место в ноябрьском рейтинге TOP500 2012 (фото: IBM)
На третьем месте с результатом 10.51 петафлопс в бенчмарке LINPACK находится созданный компанией Fujitsu японский суперкомпьютер K Computer, установленный в Институте физико-химических исследований RIKEN (г. Кобе).
Суперкомпьютер Fujitsu K Computer — третье место (фото: Fujitsu)
Пятое и шестое место принадлежат Германии. Разработанные в IBM суперкомпьютеры JUQUEEN (самый быстрый в Европе) и SuperMUC продемонстрировали производительность на уровне 4,14 и и 2.89 петафлопс соответственно.
Китайский суперкомпьютер Tianhe-1A, созданный в оборонном научно-техническом университете города Тяньцзинь, переместился на восьмое место рейтинга с результатом 2,57 петафлопс.
Суперкомпьютер Tianhe-1A (фото: National Supercomputing Center of Tianjin)
Девятое место занимает итальянский Fermi (1,73 петафлопс), а десятое – DARPA Trial Subset (1,52 петафлопс).
Самый быстрый российский суперкомпьютер «Ломоносов», принадлежащий МГУ, оказался на 26 месте с результатом 0,9 петафлопс.
Суперкомпьютер «Ломоносов» (фото: «Т-Платформы»)
Возглавляющий список Titan (Cray XK7) расположен в Национальной Лаборатории Окриджа – ведущем вычислительном центре министерства энергетики США. Он стал не просто самым быстрым суперкомпьютером. Его архитектура и оригинальные технические решения заслуживают самого пристального внимания.
Неоспоримое превосходство ARM
Рейтинг суперкомпьютеров Top500 по результатам тестов производительности возглавил японский Fugaku, основанный на процессорных ядрах с архитектурой ARM. Рейтинг существует с июня 1993 г. и обновляется дважды в год (в июне и ноябре), и это первый за всю его историю случай, когда первое место занимает именно ARM-суперкомпьютер.
Fugaku разработан японской компанией Fujitsu и управляется операционной системой Red Hat Enterprise Linux (RHEL). Примечательно, что компания IBM, с 2019 г. владеющая Red Hat и всеми ее наработками, в новой 55 редакции Top500 заняла лишь второе место со своим суперкомпьютером Summit.
Японский ARM-суперкомпьютер Fujitsu Fugaku
По результатам теста производительности High Performance Linpack (HPL) у IBM Summit не было и шанса занять первую строчку рейтинга. Результат творения Fugaku составил 415,5 петафлопса, и это в 2,8 раза больше показателя Summit. При этом потенциальная пиковая производительность суперкомпьютера Fujitsu равна почти 513,9 петафлопса.
Основу японского суперкомпьютера составили 48-ядерные однокристальные ARM-системы Fujitsu A64FX, и общее число ядер в суперкомпьютере составило почти 7,3 млн.
Для сравнения, производительность IBM Summit равна 148,6 петафлопс (потенциальная пиковая – около 200,8 петафлопс). Суперкомпьютер основан на процессорах IBM Power9 22C и дискретных видеоускорителях Nvidia Tesla V100 и работает на RHEL.
Следует отметить, что компания Apple тоже оценила все преимущества однокристальных систем на базе ARM-архитектуры с точки зрения возможностей и производительности. С 2020 г., как сообщал CNews, она переводит все свои компьютеры с процессоров Intel на ARM-чипы собственной разработки.
Назначение суперкомпьютеров
Суперкомпьютеры решают разнообразные задачи – от сложных математических расчетов и обработки огромных массивов данных до моделирования искусственного интеллекта. Есть модели, воспроизводящие «архитектуру» человеческого мозга. На СуперЭВМ проектируют промышленное оборудование и электронику, синтезируют новые материалы и делают научные открытия.
Автомобилестроительные компании используют суперкомпьютеры для имитации результатов краш-тестов, экономя средства на настоящих испытаниях. Подходит такая мощная техника и для разработки новых двигателей, позволяя моделировать специальный температурный режим и процессы деформации. С ее же помощью можно прогнозировать метеорологические явления и даже землетрясения.
