Superarvuti

Allikas: Vikipeedia
IBM Roadrunner oli esimene superarvuti, mis suutis teha üle petafloppi ehk kvadriljoni arvutuse sekundis.

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]

Riistvara ja tarkvara superarvutites[muuda | redigeeri lähteteksti]

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 | redigeeri lähteteksti]

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:

  1. Vektortöötlust
  2. Vedelikjahutust
  3. NUMA (Non-Uniform Memory Access)
  4. Andmete paigutamine korraga kahele füüsilisele kettale, et neid kiiremini kasutada. (Esimene etapp sellest, mida hiljem hakati kutsuma RAID'iks)
  5. Paralleelsed failisüsteemid.

Töötlemistehnikad[muuda | redigeeri lähteteksti]

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 (GPGPUGeneral-Purpose Computing on Graphics Processing Unit).

Operatsioonisüsteemid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Superarvutid jooksevad enamasti Linuxil.

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 | redigeeri lähteteksti]

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 | redigeeri lähteteksti]

Superarvuti kiiruste mõõtmine[muuda | redigeeri lähteteksti]

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 | redigeeri lähteteksti]

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 | redigeeri lähteteksti]

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 | redigeeri lähteteksti]

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 | redigeeri lähteteksti]

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 | redigeeri lähteteksti]

Kiireimad superarvutid: kiiruse sõltuvus ajast

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.

Aasta Superarvuti Suurim kiirus
(Rmax)
Asukoht
1938 Zuse Z1 1 OPS Konrad Zuse, Berliin, Saksamaa
1941 Zuse Z3 20 OPS Konrad Zuse, Berliin, Saksamaa
1943 Colossus 1 5 kOPS Post Office Research Station, Bletchley Park, Suurbritannia
1944 Colossus 2 (Üks protsessor) 25 kOPS Post Office Research Station, Bletchley Park, Suurbritannia
1946 Colossus 2 (Paralleelne protsessor) 50 kOPS Post Office Research Station, Bletchley Park, Suurbritannia
1946
 
UPenn ENIAC
(enne 1948. aasta muudatusi)
5 kOPS Department of War
Aberdeen Proving Ground, Maryland, USA
1954 IBM NORC 67 kOPS Department of Defense
U.S. Naval Proving Ground, Dahlgren, Virginia, USA
1956 MIT TX-0 83 kOPS Massachusetts Inst. of Technology, Lexington, Massachusetts, USA
1958 IBM AN/FSQ-7 400 kOPS 25 USA õhujõududele kuuluvat paika USA-s ja üks Kanadas (kokku 52 arvutit)
1960 UNIVAC LARC 250 kFLOPS Atomic Energy Commission (AEC)
Lawrence Livermore National Laboratory, California, USA
1961 IBM 7030 "Stretch" 1,2 MFLOPS AEC-Los Alamos National Laboratory, New Mexico, USA
1964 CDC 6600 3 MFLOPS AEC-Lawrence Livermore National Laboratory, California, USA
1969 CDC 7600 36 MFLOPS
1974 CDC STAR-100 100 MFLOPS
1975 Burroughs ILLIAC IV 150 MFLOPS NASA Ames Research Center, California, USA
1976 Cray-1 250 MFLOPS Energy Research and Development Administration (ERDA)
Los Alamos National Laboratory, New Mexico, USA (80+ müüdud üle maailma)
1981 CDC Cyber 205 400 MFLOPS (~40 süsteemi üle maailma)
1983 Cray X-MP/4 941 MFLOPS U.S. Department of Energy (DoE)
Los Alamos National Laboratory; Lawrence Livermore National Laboratory; Battelle; Boeing
1984 M-13 2,4 GFLOPS Scientific Research Institute of Computer Complexes, Moskva, Nõukogude Liit
1985 Cray-2/8 3,9 GFLOPS DoE-Lawrence Livermore National Laboratory, California, USA
1989 ETA10-G/8 10,3 GFLOPS Florida State University, Florida, USA
1990 NEC SX-3/44R 23,2 GFLOPS NEC Fuchu Plant, Fuchū, Tokyo, Jaapan
1991 INFN APE 100 (hiljem Quadrics) 100 GFLOPS INFN, Rooma, Itaalia
1993 Thinking Machines CM-5/1024 59,7 GFLOPS DoE-Los Alamos National Laboratory; NSA
1993 Fujitsu Numerical Wind Tunnel 124,50 GFLOPS National Aerospace Laboratory, Tōkyō, Jaapan
1993 Intel Paragon XP/S 140 143,40 GFLOPS DoE-Sandia National Laboratories, New Mexico, USA
1994 Fujitsu Numerical Wind Tunnel 170,40 GFLOPS National Aerospace Laboratory, Tōkyō, Jaapan
1996 Hitachi SR2201/1024 220,4 GFLOPS University of Tokyo, Jaapan
Hitachi/Tsukuba CP-PACS/2048 368,2 GFLOPS Center for Computational Physics, University of Tsukuba, Tsukuba, Jaapan
1997 Intel ASCI Red/9152 1,338 TFLOPS DoE-Sandia National Laboratories, New Mexico, USA
1999 Intel ASCI Red/9632 2,3796 TFLOPS
2000 IBM ASCI White 7,226 TFLOPS DoE-Lawrence Livermore National Laboratory, California, USA
2002 NEC Earth Simulator 35,86 TFLOPS Earth Simulator Center, Yokohama, Jaapan
2004 IBM Blue Gene/L 70,72 TFLOPS DoE/IBM Rochester, Minnesota, USA
2005 136,8 TFLOPS DoE/U.S. National Nuclear Security Administration,
Lawrence Livermore National Laboratory, California, USA
280,6 TFLOPS
2007 478,2 TFLOPS
2008 IBM Roadrunner 1,026 PFLOPS DoE-Los Alamos National Laboratory, New Mexico, USA
1,105 PFLOPS
2009 Cray Jaguar 1,759 PFLOPS DoE-Oak Ridge National Laboratory, Tennessee, USA
2010 Tianhe-IA 2,507 PFLOPS National Supercomputing Center, Tianjin, Hiina
2011 K Computer 8,162 PFLOPS RIKEN, Kōbe, Jaapan
2012 Cray Titan 17,59 PFLOPS DoE-Oak Ridge National Laboratory, Tennessee, USA
2013 NUDT Tianhe-2 33,86 PFLOPS National University of Defense Technology, Guangzhou, Hiina

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

Cray 2 s/n 2013
  1. Bradley Mitchell: "Supercomputers - A Brief History"
  2. "What Are the Uses of a Supercomputer?" ehow.com
  3. Top500 OS tabel Top500.org
  4. "Jaapanlaste superarvuti sai maailma kiireimaks" Novaator, 21. juuni 2011
  5. How many Google machines 30. aprill 2004
  6. John Markoff, Saul Hensell: "Hiding in Plain Sight, Google Seeks More Power" New York Times, 14. juuni 2006
  7. "Google Surpasses Supercomputer Community, Unnoticed?" 20. mai 2008
  8. "NASA collaborates with Intel and SGI on forthcoming petaflops super computers" Heise online, 8. mai 2008
  9. Patrick Thibodeau: "IBM breaks petaflop barrier" InfoWorld, 10. juuni 2008
  10. DeBenedictis, Erik P. (2005). "Reversible logic for supercomputing", Proceedings of the 2nd conference on Computing frontiers, 391–402. ISBN 1595930191. 
  11. CDC ajaline järjestus Computerhistory.org
  12. TOP500 nimekirjad alates aastast 1993 Top500.org

Välislingid[muuda | redigeeri lähteteksti]