Superarvuti
 |
See artikkel vajab toimetamist. Lisainfot võib leiduda arutelulehel. Palun aita artiklit toimetada. |
Superarvuti on arvuti, mis kuulub esimeste hulka oma töötlemissuutlikuse, eriti arvutuskiiruse poolest.
Superarvuteid hakati looma 1960. aastatel, Seymore Cray oli üks peamine superarvutite kavandaja Control Data Corporationis (CDC)[1]. 1972. aastal lahkus Cray CDC-st, et luua oma firma, Cray Research, mis võttis üle superarvutite turu, hoides superarvutamise esikohta 5 aastat (1985–1990). 1980. aastatel sisenes turule hulk väiksemaid konkurente, kuid paljud neist kadusid 1990. aastate keskel toimunud "superarvutituru krahhi" käigus. Tänapäeva superarvutid on tavaliselt ainulaadsed lahendused, mis on loodud "traditsiooniliste" firmade poolt nagu Cray, IBM ja Hewlett-Packard, kes ostsid paljud 1980. aastate arvutitega tegelevatest firmadest ja omandasid sellega vajalikud kogemused.
2011. aasta keskpaigast on maailma kiireim superarvuti K Computer, mis asub Jaapanis ja ületab eelmist rekordiomanikku (Tianhe-I) kolmekordselt.
Mõiste superarvuti on aja jooksul palju muutunud ja tänane superarvuti kipub olema homne tavaarvuti. CDC varased masinad olid lihtsalt väga kiired skalaarprotsessorid, mõned kümme korda kiiremad kui teiste firmade poolt pakutavad. 1970. aastatel enamus superarvuteid olid loodud töötama vektorprotsessoril. 1980. aastate esimesel poolel loodi masinad, kus paralleelselt töötasid mitmed, tavaliselt 4 kuni 6, vektorprotsessorit. 1980. aastate lõpus ning 1990. aastatel pöördus tähelepanu vektorprotsessoritelt massiivsele paralleeltöötlussüsteemidele, mis sisaldasid tuhandeid „tavalisi“ protsessoreid. Tänapäeva paralleelsüsteemid põhinevad tavakasutuses olevatel serveriklassi mikroprotsessoritel nagu PowerPC, Opteron või Xeon ja kaasprotsessoritel nagu NVIDIA Tesla GPGPUs, AMD GPUs, IBM Cell, FPGAs. Enamus tänapäeva superarvutitest on kõrgtasemel seadistatud klastrid, mis kasutavad tavakasutuses olevaid protsessoreid eriotstarbeks loodud omavaheliste ühendustega.
Superarvuteid kasutatakse väga palju arvutusi nõudvate ülesannete lahendamiseks, näiteks kvantfüüsikas, ilmaennustamises, kliimauuringutes, molekulide modelleerimiseks ja füüsikaliste simulatsioonide jaoks.[2]
Sisukord |
Riistvara ja tarkvara superarvutites [muuda]
Kohandatud protsessoreid kasutavad superarvutid saavutasid traditsiooniliselt suurema kiiruse üle tavaarvutite innovaatilisete disainidega, mis lubasid neil teha mitut ülesannet paralleelselt. Tavaliselt on superarvutid spetsialiseeritud teatud tüüpi arvutustele, tavaliselt numbrilistele arvutustele, ning tänu sellele töötavad halvemini üldisemate andmetöötlus ülesannete puhul. Nende mälu hierarhia on väga hoolikalt disainitud, et tagada, et protsessor saaks pidevalt infot ja juhendeid – tegelikult, suur erinevus aeglasemate arvutite ja superarvutite vahel tuleneb mälu hierarhiast. Nende sisend/väljund süsteemid on tavaliselt kavandatud toetama suurt ribalaiust ning latentsus ei ole nii tähtis, sest superarvuteid ei kasutata transaktsiooniliseks protsessimiseks.
Superarvutite väljakutsed ja tehnoloogiad [muuda]
Superarvuti toodab suurtes kogustes soojust ja seetõttu tuleb seda jahutada. Tüüpiline TOP500 superarvuti kasutab elektrit 1 ja 10 megavatti ning muudab peaaegu kõik selle soojuseks. Elektrikulu ja jahutus on tavaliselt üks faktoritest, mis limiteerib süsteemi suuruse. (Näiteks Tianhe-1A võiks kulutada iga aasta mitme miljoni dollari väärtuses elektrit.)
Informatsiooni kahe arvuti vahel ei ole võimalik liigutada kiiremini kui valguskiirus. Selletõttu superarvuti, mille osad on üksteisest palju meetreid eemal, peab omama latentsust vähemalt kümneid nanosekundeid. Seymore Gray superarvuti kavandid üritasid selletõttu hoida kaableid nii lühikesena kui võimalik. Modernsetes superarvutites, mis on ehitatud paljudest paralleelselt töötavatest tavaprotsessoritest, on tavaline latentsus kahe protsessoril vahel 1 kuni 5 mikrosekundit.
Superarvutid tarvitavad ja toodavad väga lühikese aja jooksul väga suurtes kogustes andmeid. Ken Batcher'i on öelnud: „Superarvuti on seadeldis, millega pöörata arvutuspiirangud sisend/väljund piiranguteks.“ Palju tööd on vaja teha andmekandjate ribalaiuse kallal, et teha kindlaks, et informatsioon saab kiiresti toimetatud ja talletatud või vastuvõetud korrektselt.
Tehnoloogiad, mis on arendatud superarvutite jaoks, sisaldavad:
- Vektortöötlust
- Vedelikjahutust
- NUMA (Non-Uniform Memory Access)
- Andmete paigutamine korraga kahele füüsilisele kettale, et neid kiiremini kasutada. (Esimene etapp sellest, mida hiljem hakati kutsuma RAID'iks)
- Paralleelsed failisüsteemid.
Töötlemistehnikad [muuda]
Vektortöötluse tehnikad olid esmalt arendatud superarvutitele ja edaspidi olid spetsiaalsetes kõrgvõimsusega programmides. Vektortöötluse tehnikad on jõudnud massina turule DSP arhitektuurina ja SIMD (Singe Instruction Multiple Data) töötlemisjuhenditena tavaarvutitele.
Eriti tänapäeva videomängu konsoolid kasutavad SIMD'd ja selletõttu mõned tootjad väidavad, et nende mängumasinad on superarvutid. Mõnedel graafikakaartidel on arvutusvõimsus isegi kuni mõni teraflops. Koht, kuhu seda võimsust kasutada saab oli piiratud varase videoprotsessimise iseloomu pärast. Videoprotsessimine on arenenud, graafikaprotsessor (GPU ehk graphics processing unit) on edasi arenenud ning nüüd on nad kasulikumad tavaliste vektorprotsessoritena ja sellest on välja arenenud täiesti uus arvutiteaduse alaliik: tavaotstarbeline arvutus graafikaprotsessoritel (GPGPU – General-Purpose Computing on Graphics Processing Unit).
Operatsioonisüsteemid [muuda]
Tänapäeval kasutavad superarvutid kõige enam erinevaid variante Linux'it.[3] 1980. aastate esimeses pooles ohverdasid superarvutid juhendite ühilduvuse ja koodi teisaldatavuse, et saada paremaid tulemusi (protsessimise- ja mälu kättesaamise kiirusi). Selle ajani olid superarvutitel enamasti väga erinevad operatsioonisüsteemid. Cray-1'l üksi oli vähemalt 6 erinevad operatsioonisüsteemi, mis olid suuresti tundmatud tavalisele arvutikogukonnale. Sarnaselt olid olemas erinevad ja mitteühilduvad vektoriseerivad ning paralleeliseerivad kompilaatorid Fortranilt. Selline trend lõppes kui loodi ühilduv juhendite komplekt Cray-1 ja Cray X-MP vahel ja võeti kasutusele arvutisüsteemid nagu Cray' Unicos või Linux.
Programmeerimine [muuda]
Paralleelse arhitektuuri tõttu superarvutites kasutati tihti spetsiaalseid programmeerimistehnikaid, et kasutada ära superarvutite kiirust. Baaskeel superarvutite jaoks on üldiselt Fortran või C, kasutades spetsiaalseid teeke, et jagada infot sõlmede vahel. Kõige tavalisemal juhul, keskkonnad nagu PVM ja MPI, olid kasutuses lõdvalt ühendatud klastrite vahel ja OpenMP tihedalt koordineeritud jagatud mäluga masinates. Märkimisväärseid jõupingutusi on vaja teha, et optimeerida probleem antud ühenduste iseloomu jaoks, millel masin jooksma hakkab. Eesmärk on hoida ära võimalus, et mõni protsessor kulutab aega andmetele teistest sõlmedest. Uued massiivselt paralleelsed GPGPU'd omavad sadasid protsessorituumi ja on programmeeritud kasutades programmeerimismudeleid nagu CUDA ja OpenCL.
Hetke kiireimad superarvutid [muuda]
Superarvuti kiiruste mõõtmine [muuda]
Üldiselt kasutatakse superarvuti kiiruse mõõtmiseks ühikut „FLOPS“ (Floating Point Operations Per Second ehk ujuvkoma arvutuste arv sekundis). Kiiruse mõõtmiseks kasutatakse üldiselt jõudlustesti LINPACK, kus tuleb arvutil lahendada tihe lineaarvõrrandite süsteem.
TOP500 nimekiri [muuda]
1993. aastast alates on superarvutid pandud järjekorda nende LINPACK jõudlustesti tulemuste alusel ja avaldatud TOP500 nimekirjas. Kuna LINPACK näitab vaid ühtesorti arvutuste kiirust, ei pruugi see nimekiri olla täpne, kuid tihti nimetatakse kiireimaks hetke superarvutiks just seda nimekirja juhtivad superarvutit.
Hetke kiireimad superarvutid [muuda]
Jack Dongarra on väitnud, et Tianhe-1A superarvuti Hiina Rahvuslikus Superarvutuskeskuses Tianjinis on 1,4 korda kiirem kui AMD-Opteron'il põhinev Cray XT5 Jaguar. Nvidia väidab, et Tianhe-1A on saavutanud töötlemiskiiruse 2,507 petaflops LINPACK'i jõudlustestis. Tianhe-1A koosneb 14336 Intel Xeon Protsessorist ja 7168 Nvidia Tesla M2050 GPU'st koos uute Hiinast pärit ühendustega. Tianhe-1A asub 103 korpuses, kaalub 155 tonni ja tarvitab 4,04 megavatti elektrit. Eelmine kiirem superarvuti Cray XT5 Jaguar on saavutanud kiiruse 1,759 petaflops'i.
Ettevõtte Fujitsu ja Jaapanis paikneva RIKEN-i instituudi teadlaste poolt loodud superarvuti K Computer saavutas aga 2011. aastal kiiruseks juba 8,162 petafloppi ning kukutas sellega hiinlaste superarvuti maailmas teisele kohale. K Computeri kokkupanekut alustati 2010. aasta oktoobris ja plaanide kohaselt peaks superarvuti valmis olema 2012. aasta juunikuuks. Fujitsu ja RIKENi pressiteate kohaselt koosneb superarvuti 672 arvutikapist, milles on kokku 68 544 keskprotsessorit.[4]
Omamoodi superarvutid [muuda]
Mõned väga suuremahulised hajussüsteemid, mis on ehitatud probleemide jaoks, mida on väga lihtne paralleelselt erinevate masinate vahel lahendada, viivad klastris superarvutamise mõiste äärmusteni. Kõige kiirem klaster, Folding@home, on detsembri 2009 seisuga saavutanud arvutusvõimsuse 7,8 petaflops'i. Sellest 2,3 petaflops'i andsid arvutid, mis kasutasid NVIDIA GeForce GPU'sid, AMD GPU'sid või PlayStation 3 süsteeme ja ülejäänud 5,1 petaflopsi tuli nende hiljuti väljalastud GPU2 kliendist.
Üks teine hajussüsteemarvutuse projekt on BOINC platvorm, mis majutab nii mõndagi hajussüsteemarvutuste projekti. 2010. aasta aprilli seisuga on BOINC saavutanud arvutusvõimsuse üle 5 petaflops'i läbi 580 000 aktiivse võrgus oleva arvuti. Kõige aktiivsem projekt (mõõdetuna arvutusvõimsuse järgi) BOINC'is on MilkyWay@home, mille võimsuseks on teatatud 1,4 petaflops'i läbi 30 000 aktiivse arvuti.
Aprill 2010 seisuga on GIMPS'i Mersenne'i algarvude otsing saavutas umbes 45 teraflops'i.
Ka Google'i otsingumootori süsteem on „omamoodi superarvuti“, mille arvutusvõimsust hinnatati aprill 2004 seisuga 126 ja 316 teraflops'i vahele[5]. Juunis 2006 hindas „New York Times“ Googleplex'i ja selle serverifarmide serveritehulgaks 450 000.[6] Mai 2008 hinnati Google'i arvutusvõimsuseks 20 kuni 100 petaflops'i.[7]
PlayStation 3 „Gravity Grid“ kasutab võrku, mis koosneb 16 masinast ja kasutab ära Cell protsessorit täitmaks ülesandeid, milledeks on astrofüüsikalised simulatsioonid suurtest supermassiivsetest mustadest aukudest, mis neelavad väiksemaid kompaktseid objekte. Cell protsessoril on põhiprotsessor ja 6 ujukoma vektorprotsessorit, andes masinale võrgu, mis koosneb 16 tavaarvutist ja 96 vektorprotsessorist. See klaster ehitati 2007. aastal Dr. Guarav Khanna pool ja seda toetas Sony Computer Entertainment ja see on esimene PlayStation 3-dest koosnev klaster, mis andis numbrilisi tulemusi, mis publitseeriti teaduslikus kirjanduses.
Uurimistöö ja arendus [muuda]
IBM arendab Cyclops64 arhitektuuri, millega loodetakse luua „superarvutit kiibil“.
Mais 2008 teatati NASA, SGI ja Inteli koostöö projektist ehitada 1 petaflops'ne superarvuti Pleiades aastaks 2009 ning aastaks 2012 suurendada arvutusvõimsus 10 petaflops'ni.[8]. IBM ehitab 20 petaflops'ist arvutit nimega Sequoia Lawrence Livermore'i Rahvuslaboratooriumisse, mis peaks tööle hakkama aastal 2011.
Praegust arengukiirust arvestades peaksid superarvutite kiirused jõudma exaflops'ni (1018 flops'i) aastal 2019.[9]
Erik P. DeBenedictis Sandia Rahvuslaboratooriumist arvab, et täieliku ilmamodelleerimise jaoks, millega oleks võimalik täpselt ennustada kahe nädala ilma, on vaja zettaflops'st (1021 flops'i) superarvutit. Praegust arengukiirust arvestades luuakse selline süsteem aasta 2030 paiku[10]
Superarvutite kiirused ajas [muuda]
See on nimekiri kiireima superarvuti tiitlit hoidnud superarvutitest läbi aegade koos aastaga, millal antud masin rekordi tegi. Aastani 1993 kasutab see tabel andmeid erinevatest allikatest[11]. Aastast 1993 alates pärinevad andmed TOP500 nimekirjast[12] ja tabelis on ära toodud suurim kiirus nagu seda näitab Rmax hinnang.
Viited [muuda]
- ↑ Bradley Mitchell: "Supercomputers - A Brief History"
- ↑ "What Are the Uses of a Supercomputer?" ehow.com
- ↑ Top500 OS tabel Top500.org
- ↑ "Jaapanlaste superarvuti sai maailma kiireimaks" Novaator, 21. juuni 2011
- ↑ How many Google machines 30. aprill 2004
- ↑ John Markoff, Saul Hensell: "Hiding in Plain Sight, Google Seeks More Power" New York Times, 14. juuni 2006
- ↑ "Google Surpasses Supercomputer Community, Unnoticed?" 20. mai 2008
- ↑ "NASA collaborates with Intel and SGI on forthcoming petaflops super computers" Heise online, 8. mai 2008
- ↑ Patrick Thibodeau: "IBM breaks petaflop barrier" InfoWorld, 10. juuni 2008
- ↑ DeBenedictis, Erik P. (2005). "Reversible logic for supercomputing", Proceedings of the 2nd conference on Computing frontiers, 391–402. ISBN 1595930191.
- ↑ CDC ajaline järjestus Computerhistory.org
- ↑ TOP500 nimekirjad alates aastast 1993 Top500.org
