Великая гонка супермашин

 ВЛАДИМИР ГАКОВ, писатель, специалист по научной фантастике, журналист, лектор. Окончил физфак МГУ. Работал в НИИ. С 1984 г. на творческой работе. В 1990-1991 гг. – Associate Professor, Central Michigan University. С 2003 г. читает курс по истории бизнеса в Институте бизнеса и делового администрирования (ИБДА) Российской академии народного хозяйства и государственной службы (РАНХиГС). Автор 8 книг и более 2000 публикаций

Великая гонка супермашин

Размеры первого электронного компьютера ENIAC, занимавшего огромный зал, уставленный десятками «шкафов» с таинственно мерцающими лампочками, впечатляли и поражали воображение современников. И не перестают поражать нас сегодня, спустя более полувека

Затем, когда началась стремительная миниатюризация компьютеров, к ранним гигантам стали относиться как к каким-нибудь динозаврам – огромным, но фатально устаревшим. Кому тогда могло прийти в голову, что в первых десятилетиях нового века и тысячелетия гиганты возродятся и начнут соревноваться между собой за звание «самого-самого». Только сегодняшние суперкомпьютеры, также занимающие целые залы, мерятся не размерами, а быстродействием итехническими параметрами.

Просто супер!

Формально суперкомпьютер отличается от обычного компьютера тем, что намного быстрее считает и способен решать более широкий круг задач, невообразимо более широкий – на взгляд неспециалиста. И в этом смысле речь идет о непросто «больших» машинах, а об «о-о-очень больших».

А если перейти на про-фессиональный язык, то суперкомпьютер – это «большое число высокопроизводительных серверных машин, соединенных друг с другом локальной высокоскоростной магистралью для достижения максимальной производительности в рамках подхода распараллеливания вычислительной задачи». Производительность суперкомпьютеров измеряется числом операций с плавающей точкой в секунду – флопсами (FLOPS – floating-point operations per second).

Сеймур Крэй с легендарным суперкомпьютером Cray-1

ASCI Red (или ASCI Option Red или Intel TeraFLOPS) – суперкомпьютер с массово-параллельной архитектурой и разделенной памятью (DM-MIMD)

Numerical Wind Tunnel (рус. Цифровая аэродинамическая труба) – векторный параллельный суперкомпьютер, созданный в 1993 году в Японии

IBM Blue Gene – проект массово-параллельной архитектуры, разработанный для создания нескольких суперкомпьютеров и направленный на достижение скорости обработки данных, превышающей 1 петафлопс

Roadrunner – суперкомпьютер в Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико (США). Разработан в расчете на пиковую производительность в 1,026 петафлопса (достигнута в июне 2008 года) и 1,105 петафлопса (ноябрь 2008 года)

Tianhe-1А (буквально: «Млечный путь-1А») – суперкомпьютер, спроектированный Национальным университетом оборонных технологий Китайской Народной Республики

Tianhe-2 – суперкомпьютер, спроектированный Оборонным научно-техническим университетом Народно-освободительной армии КНР и компанией Inspur

Разумеется, ни о каком массовом производстве таких гигантов речь не идет. Это машины эксклюзивные, штучные и очень дорогие. Как правило, всем им дают собственные имена и используют для решения сложнейших задач сприменением численного моделирования и обработки огромных массивов данных в реальном времени.

Началось все, естественно, с задач оборонного характера, но со временем диапазон применения суперкомпьютеров значительно расширился.

Сегодня это математика (криптография, статистика) и физика высоких энергий (процессы внутри атомного ядра, физика плазмы, анализ данных экспериментов на ускорителях, разработка и совершенствование атомного и термоядерного оружия, управление ядерным арсеналом, моделирование ядерных испытаний, моделирование жизненного цикла ядерных топливных элементов, проекты ядерных и термоядерных реакторов).

Не забыты и другие разделы физики: газодинамика (турбины электростанций, горение топлива, аэродинамические процессы для создания совершенных форм крыла и фюзеляжей самолетов и ракет, кузовов автомобилей), гидродинамика (течение жидкостей по трубам и по руслам рек), материаловедение (создание новых материалов с заданными свойствами, анализ распределения динамических нагрузок в конструкциях, моделирование краш-тестов при конструировании автомобилей).

Далее, это науки о Земле (прогноз погоды, состояния морей и океанов, предсказание климатических изменений и их последствий, исследование процессов в земной коре для предсказания землетрясений и извержений вулканов, анализ данных геологоразведки для поиска и оценки нефтяных и газовых месторождений, моделирование процесса выработки месторождений, моделирование растекания рек во время паводка и растекания нефти во время аварий), а также биология (исследование функционирования белка, расшифровка ДНК), вычислительная химия и медицина (изучение строения вещества и природы химической связи в молекулах, поиск и создание новых лекарств). Наконец, суперкомпьютеры работают «сами на себя»: их используют в качестве серверов для искусственных нейронных сетей и для создания принципиально новых способов вычисления и обработки информации (квантовый компьютер, искусственный интеллект).

Как несложно догадаться, все это относится к последним десятилетиям прошлого века и первым – века нынешнего. Тем удивительнее, что впервые термин super computing появился на страницах таблоида (иначе говоря, «желтой прессы»!) New York World в… 1929 году! Тогда это словосочетание относилось к новой модели счетного устройства для составления таблиц – табулятора, построенного компанией IBM для Колумбийского университета в Нью-Йорке. А осуперкомпьютерах в сегодняшнем понимании заговорили лишь в 1960-х. Авторами термина считают Джорджа Майкла и Сидни Фернбача, работавших в Ливерморской национальной лаборатории и в Control Data Corporation (CDC). Позже, в 1989 году, Гордон Белл и Дон Нельсон в шутку предложили добавлять приставку «супер» к любому компьютеру весом более тонны.

В то время суперкомпьютеры имели всего несколько процессоров, но уже в следующем десятилетии американские и японские машины обзавелись уже тысячами процессоров. К концу века был превзойден символический рубеж производительности – теперь она исчислялась уже в триллионах операций в секунду (терафлопсах). А в начале века нынешнего группу лидеров составили суперкомпьютеры со многими десятками тысяч процессоров, способные производить квадриллионы операций в секунду (петафлопс).

Передний Крэй технического прогресса

А теперь – все по порядку. Вернемся мысленно в далекие уже шестидесятые.

Тогда в вышеупомянутой корпорации CDC трудился человек, с именем (точнее, фамилией) которого долгое время ассоциировались суперкомпьютеры, – Сеймур Крэй. (Подробнее о нем и об основанной им «одноименной» компании Cray Inc. – см. статью автора в «СА», № 4, 2013.) Сейчас же полезно напомнить некоторые «этапы большого пути».

Компанию CDC основала в 1957 году в Миннеаполисе группа бывших сотрудников Sperry Corporation, а годом позже к ним присоединился еще один «перебежчик» из Sperry – Сеймур Крэй. Еще два года спустя под его руководством был создан один из первых в мире компьютеров с твердотельным накопителем (и самый быстрый на то время в мире) – CDC 1604. А в 1964 году команда Крэя выпустила на рынок знаменитую модель CDC 6600 на кремниевых транзисторах, ставшую хитом продаж на компьютерном рынке. При огромной по тем временам розничной цене – $8 млн – была успешно продана сотня таких машин, которые многие источники считают первыми реальными суперкомпьютерами вистории.

За ними последовали новые модели – вплоть до ставших легендарными гигантов Cray с порядковыми номерами от 1 до 4. Они появились на рынке уже в 1970-х – 1990-х годах, когда Сеймур Крэй покинул CDC, чтобы основать собственную «одноименную» компанию (это произошло в 1972-м). Любопытно, что уже в модели Cray-2 расходы на разработку софта почти сравнялись с расходами на компьютерное «железо» (что привело разработчиков к отказу от производства собственной «одноименной» операционной системы Cray в пользу UNICOS на базе Unix).

В те годы ее продукция практически была вне конкуренции в выполнении сложнейших заказов со стороны правительственных органов, крупного бизнеса и фундаментальной науки. А к популярным определениям суперкомпьютера прибавилось и такое: «компьютер, который построил Крэй». Сам же творец вычислительной супертехники предпочитал называть свои изделия по старинке – просто компьютерами.

Между тем и тогда суперкомпьютеры создавала не только компания Крэя (сам он покинул свое детище и этот мир после автомобильной аварии в 1996 году, не успев завершить свой очередной «хит»). Например, в 1974 году, спустя два года после ухода Крэя из CDC, его оставшиеся там коллеги выпустили суперкомпьютер STAR-1000 производительностью 100 мегафлопс. Это была одна из первых в мире машин с векторным процессором (наряду с ASC от Texas Instruments).

А в последнее десятилетие прошлого века на рынке суперкомпьютеров уже развернулась нешуточная конкурентная борьба сразу между несколькими производителями, сражавшимися за желтую майку лидера (если воспользоваться терминологией велогонок). Наряду с новыми поколениями американских супермашин, имевших на вооружении тысячи процессоров (для сравнения – в той же модели Cray-2 их было всего восемь), в борьбу за потребителя включились и«понаехавшие» – машины, созданные в Японии. Так, в 1989 году японская компания NEC выбилась в лидеры гонки со своей четырехпроцессорной моделью SX-3/44R. Спустя пять лет гонку возглавила другая японская модель – Numerical Wind Tunnel от Fujitsu (разработана для Национальной аэрокосмической лаборатории со штаб-квартирой в Токио) – с ее 166 векторными процессорами, каждый из которых достигал пиковой производительности в 1,7 гигафлопса.

Позже в лидерах побывали суперкомпьютеры Hitachi SR2201 (2048 процессоров), IBM Intel Paragon (от одной до четырех тысяч процессоров в разных конфигурациях) и Intel ASCI Red. ASCI расшифровывается как Accelerated Strategic Computing Initiative (c 2005 года – Advanced Simulation and Computing Program – ASC). Так называлась американская правительственная программа создания «военных» суперкомпьютеров, способных следить за состоянием собственного ядерного арсенала после принятых в начале 1990-х мораториев на проведение ядерных испытаний. В программе были задействованы три крупнейших центра разработки и инспекции ядерного оружия США – Ливерморская, Лос-Аламосская и Сандийская национальные лаборатории. А модель Intel ASCI Red как раз и была тем суперкомпьютером, который преодолел символический барьер в 1 терафлопс, о котором говорилось выше.

Случилось это в 1996 году, а впереди был новый век – и новые драматические перипетии Великой Гонки.

«Алеет восток, солнце встает»

Читатель со стажем, конечно, вспомнит, что это начальные слова боевого гимна хунвейбинов – фанатичных «штурмовиков» Председателя Мао. И китайского диктатора давно нет в живых, да и в самом Китае, на глазах превращающегося всверхдержаву, вероятно, подзабыли о тех лихих временах. Но к словам «китайская угроза» в сегодняшнем мире относятся предельно серьезно. Только в нашем мире угроза имеется в виду не идеологическая («красный Китай»), а скорее технологическая («желтая сборка»). И то, что «солнце» технического прогресса встает на Востоке – факт не только географический.

За последние несколько десятков лет бывший нищий Китай не устает доказывать свое первенство в любой сфере мировой науки, техники и бизнеса. Странно, если б восточный «дракон» не попытался бы стать флагманом и законодателем мод и в компьютерной отрасли. И становится им на глазах.

В частности, фактически лидирует в сфере производства «самых-самых» суперкомпьютеров. Хотя надел желтую майку лидера лишь в последние годы.

Идея создания рейтинга лидеров Великой Гонки супермашин пришла в голову профессора Университета Теннеси Джека Донгарра четверть века назад – в 1993 году. Так появился TOP-500 – список полтысячи самых мощных суперкомпьютеров в мире, обновляемый дважды в год. Первым лидером стала модель CM-5/1024 от компании Thinking Machines – представительница семейства суперкомпьютеров Connection Machine. Изначально их предполагали использовать для решения задач, связанных с искусственным интеллектом и обработкой символьной информации. Производительность первого рекордсмена равнялась без малого 60 гигафлопсам, то есть чуть больше производительности современной восьмиядерной «персоналки».

Но уже с начала XXI века счет пошел сначала на терафлопсы, а затем и на петафлопсы. То есть соответственно на триллионы и квадриллионы операций в секунду. Для сравнения: один петафлопс – это примерно совокупная мощность сотни тысяч сегодняшних ноутбуков.

Какие же супермашины (так и тянет написать «кто») на протяжении почти двух десятилетий нового века возглавляли список рекордсменов?

В 2002 году вперед вырвался японский «геологический» суперкомпьютер Earth Simulator от NEC с производительностью 35,86 терафлопса, построенный для одноименного исследовательского центра в Йокогаме.

Спустя два года в лидеры вышел IBM Blue Gene/L (70,72 терафлопса), заработавший в Национальной лаборатории министерства энергетики США в Рочестере (штат Миннесота). Спустя год появились сразу две усовершенствованные версии этой же машины (на 136,8 и 280,6 терафлопса), созданные «Голубым гигантом» (как повсеместно называют компанию IBM) для другой Национальной лаборатории – в Ливерморе (штат Калифорния). А еще спустя два года производительность Blue Gene была доведена до 478,2 терафлопса.

Компания IBM произвела на свет и следующего лидера – в 2008 году в Национальной лаборатории в Лос-Аламосе (штат Нью-Мексико) был введен в строй суперкомпьютер Roadrunner – первый, преодолевший очередной символический рубеж 1 петафлопс (пиковая скорость – 1,5 петафлопса). Системная память в 80 терабайт, почти 3,5 тысячи серверов tri-blade (каждый мощностью около 400 гигафлопсов) и около 20 тысяч двухъядерных процессоров Cell Broadband Engine иAMD Opteron, также разработанных в IBM, позволили осуществлять контроль за всеми ядерными установками, расположенными на территории США.

Еще через год «Дорожный бегун» уступил лидерство соотечественнику – суперкомпьютеру Cray Jaguar c его 1,759 петафлопса, заработавшему в Национальной лаборатории в Оук-Ридже (штат Теннесси). Эта машина работает насобственной операционной системе Cray Linux Environment.

И наконец, в 2010-м желтую майку лидера захватил «китаец» – в Национальном суперкомпьютерном центре (National Supercomputing Center – одно название чего стоит!) в Тяньцзине вступил в строй суперкомпьютер Tianhe-IA спроизводительностью 2,566 петафлопса. Но китайская машина продержалась в лидерах менее года, пропустив вперед очередного «японца» – Fujitsu K Computer (10,51 петафлопса), установленного в Институте физико-химических исследований (RIKEN) в Кобе.

Правда, американцы так же быстро вернули лидерство себе. В 2012 году новая супермашина от Cray с «говорящим» именем Titan с производительностью почти вдвое большей – 17,9 петафлопса – заработала в той же Национальной лаборатории в Оук-Ридже. В том же году специалисты Cray вместе с коллегами из IBM разработали еще два суперкомпьютера, ненамного уступавшие в производительности «Титану», – Mira и Sequoia.

Но опять-таки не прошло и года, как китайцы вернули себе лидерство – и сохраняют его по сей день. В 2013 году в Оборонном научно-техническом университета (NUDT) Народно-освободительной армии Китая в Чанша во взаимодействии с компанией Inspur был создан суперкомпьютер Tianhe-2 (33,86 петафлопса, пиковая – 54,9 петафлопса).

Название этого «чуда с Востока» переводится как «Млечный путь», и в данном случае ни у кого язык не повернется презрительно назвать это пресловутой «желтой сборкой». 16 тысяч узлов, 32 тысячи 12-ядерных процессоров Intel Xeon E5-2692 и 48 тысяч 57-ядерных ускорителей Intel Xeon Phi 31S1P (в сумме 3,12 млн ядер), 256 тысяч планок оперативной памяти DDR3 по 4 гигабайт каждая и 176 тысяч планок GDDR5 по 8 гигабайт (то есть суммарно 2,432 млн гигабайт оперативной памяти), объем жесткого диска – более 13 млн гигабайт… Как говаривал популярный персонаж почившей, увы, телепередачи: «Внушаеть!» Достаточно сказать, что этот лидер Великой Гонки супермашин удерживал лидерство непривычно долго – целых три года!

И уступил желтую майку в прошлом году соотечественнику – суперкомпьютеру Sunway TaihuLight. Заалело обещанное солнце (Sunway – «Солнечный путь») с Востока! Об этом – читайте заметку в «Зале славы» в этом номере журнала.

Комментарии могут оставлять только зарегистрированные пользователи