У світі технологій іноді найбільші дива приховані у глибинах сталевих коробок, де десятки тисяч процесорів здійснюють магію обчислень. Мова про суперкомп'ютери, витвори людського розуму, завдяки яким стають можливими найсміливіші наукові відкриття та технологічні досягнення.

У цій статті ми розповіли, що таке суперкомп'ютер, яка його потужність та яке у нього майбутнє.

Що таке суперкомп’ютер

Суперкомп'ютер ― це потужний комп'ютер, який може виконувати найскладніші обчислювальні завдання ― від прогнозування погоди до наукового моделювання та досліджень у галузі штучного інтелекту. За секунду він виконує мільярди чи трильйони операцій.

Суперкомп'ютери створюються зі спеціалізованими конфігураціями апаратного та програмного забезпечення, що дозволяє їм виконувати паралельну обробку даних і забезпечувати безпрецедентну продуктивність.

Різниця між звичайним комп’ютером та суперкомп’ютером

На відміну від звичайних комп'ютерів, суперкомп’ютери складаються не з одного, а тисяч чи мільйонів процесорів або вузлів, які паралельно працюють для вирішення складних завдань. Вони також мають спеціалізовану архітектуру та технології взаємозв'язку, які дозволяють ефективно обмінюватися даними між вузлами, забезпечуючи безперешкодну спільну роботу над завданнями.

Задачі, які звичайний ПК робитиме тиждень, суперкомп’ютер зробить за години. Його основна ціль ― провести максимальну кількість обчислень за мінімум часу.

Історія суперкомп’ютерів

Перші машини

У 1960-му році корпорація Control Data Corporation (CDC) побудувала CDC 6600. Він виконував більше мільйона операцій за секунду. Машину використовували для наукових досліджень, і вона відіграла важливу роль у розвитку прогнозування погоди, ядерної фізики та аерокосмічної інженерії. CDC 6600 заклав основу для сучасних суперкомп'ютерів і надихнув інші компанії на розробку власних машин.

Суперкомп’ютер Cray-1, спроєктований Сеймуром Креєм

Векторні суперкомп'ютери

У 1970-1980-х роках стали популярними векторні суперкомп'ютери. Ці машини були призначені для виконання складних математичних операцій і використовувалися в таких галузях, як фізика, хімія та інженерія. Cray-1 був одним з найпопулярніших векторних суперкомп'ютерів того часу. Він міг виконувати до 250 команд і мав унікальний дизайн, який вирізняв його з-поміж інших комп'ютерів. Cray-1 використовувався багатьма установами, в тому числі Національним центром атмосферних досліджень та Лос-Аламоською національною лабораторією.

Connection Machine виник в результаті докторських досліджень Денні Хілліса в Массачусетському технологічному інституті

Масово паралельні суперкомп'ютери

З’явилися вони у 1990-х роках. Ці машини були розроблені для одночасного виконання багатьох обчислень і використовувалися для прогнозування погоди, секвенування геному та винайдення ліків. Connection Machine була одним з найпопулярніших масово паралельних суперкомп'ютерів того часу. Він мала до 65 536 процесорів і міг виконувати до 131 000 команд. Connection Machine використовувалася багатьма організаціями, зокрема Агентством національної безпеки та Національним центром суперкомп'ютерних досліджень.

Frontier ― перший у світі ексафлопсний суперкомп'ютер

ТОП500 суперкомп’ютерів сьогодення

З 1993 року існує рейтинг ТОП500, який оновлюється двічі на рік. Наразі найпотужніший суперкомп'ютер у світі — Frontier з продуктивністю 1,194 екзафлопси. На другому місці ― Aurora (585 петафлопс). На третьому — Eagle від Microsoft (561 петафлопси). Сучасні суперкомп'ютери необхідні для просування наукових досліджень та розширення меж можливого.

Як вимірюється продуктивність суперкомп'ютерів

Потужність суперкомп’ютерів вимірюється у FLOPS (FLoating-point Operations Per Second). Ця величина означає кількість операцій над числами з рухомою комою на секунду.

Спочатку продуктивність вимірювали у мегафлопсах, згодом — гігафлопсах, а ще пізніше — терафлопсах. З 2008 року використовують петафлопси. Зараз вже також є машини з потужністю в ексафлопсах.

Продуктивність суперкомп'ютерів

Типи суперкомп'ютерів

Діляться на дві великі категорії:

Суперкомп'ютери загального призначення. Існує три підкатегорії:

• З векторною обробкою. Використовують векторні або масивні процесори ― антиподи скалярних процесорів, які можуть обробляти лише один елемент за один раз. Вони ефективно функціонують як центральний процесор, що може швидко виконувати математичні операції над величезною кількістю даних.
• Кластерні. Сукупність пов'язаних між собою комп'ютерів, які функціонують як єдине ціле. Це можуть бути паралельні кластери, кластери на основі директорів, двовузлові кластери або багатовузлові кластери. Відомим прикладом є кластер комп'ютерів під управлінням операційної системи Linux та вільного програмного забезпечення для створення паралелізму. Також кластерними є Grid Engine від Sun Microsystems та Open SSI.
• Товарні. Складаються з великої кількості звичайних комп'ютерів, з'єднаних високошвидкісними локальними мережами з низькою затримкою.

Комп'ютери спеціального призначення

Створені спеціально для виконання певної діяльності або мети. Вони часто використовують спеціалізовані інтегральні схеми (ASIC), які забезпечують відмінну продуктивність. Декілька відомих прикладів: Belle, Deep Blue і Hydra, які були розроблені для гри в шахи, а також Gravity Pipe для астрофізики, MDGRAPE-3 для обчислення структури білків та молекулярної динаміки.

Навіщо використовують суперкомп’ютери

• Дослідження погоди та клімату. Прогнозування впливу екстремальних погодних явищ і розуміння кліматичних закономірностей.
• Розвідка нафти та газу. Збір великих обсягів геофізичних сейсмічних даних для пошуку та розробки запасів нафти.
• Авіаційна та автомобільна промисловість. Розробка симуляторів польотів та імітаційних автомобільних середовищ, а також застосування аеродинаміки для досягнення найнижчого коефіцієнта аеродинамічного опору.
• Дослідження ядерного синтезу. Створення реакторів ядерного синтезу та віртуальних середовищ для тестування ядерних вибухів і балістики зброї.
• Медичні дослідження. Розробка нових ліків, методів лікування раку, рідкісних генетичних захворювань, COVID-19, а також дослідження генезису та еволюції епідемій і хвороб.
• Розробка додатків у режимі реального часу. Для підтримки працездатності онлайн-ігор під час турнірів та створення нових ігор.
• Високопродуктивні обчислення (HPC). Дозволяють синхронізувати обчислення з великими обсягами даних між декількома об'єднаними в мережу суперкомп'ютерами. В результаті, складні обчислення з використанням великих масивів даних можуть бути оброблені за набагато менший час, ніж це було б можливо на звичайних комп'ютерах.

Майбутнє суперкомп'ютерів

Зараз основна увага приділяється перегонам на ексафлопсні обчислювальні можливості. Очікується, що ексафлопсні суперкомп'ютери зможуть створити точну модель людського мозку, включаючи нейрони і синапси. А це матиме величезний вплив на нейроморфні обчислення.