Superarvuti

Artiklit tuleb tõlkida ja kohandada!

IBM Roadrunner oli esimene superarvuti, mis suutis teha üle petafloppi ehk kvadriljoni arvutuse sekundis

Superarvuti on arvuti, mis kuulub esimeste hulka oma töötlusvõimsuse, eriti arvutuskiiruse poolest.

Superarvuteid hakati looma 1960. aastatel, Seymore Cray oli üks peamisi superarvutite väljatöötajaid Control Data Corporationis (CDC). 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 tuli turule hulk väiksemaid konkurente, kuid paljud neist kadusid 1990. aastate keskel toimunud "superarvutituru krahhi" käigus. Tänapäeva superarvutid on tavaliselt ainulaadsed lahendused, mis on loodud selliste "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 pakutavad. 1970. aastatel enamus superarvuteid olid loodud töötama vektorprotsessoril. 1980. aastate esimesel poolel loodi masinad, kus paralleelselt töötas mitu, tavaliselt 4–6, vektorprotsessorit. 1980. aastate lõpus ja 1990. aastatel pöördus tähelepanu vektorprotsessoritelt massiivsetele 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. Enamik 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.

Riistvara ja tarkvara superarvutites

Kohandatud protsessoreid kasutavad superarvutid saavutasid traditsiooniliselt suurema kiiruse üle tavaarvutite innovaatiliste 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 välja töötatud, 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 konstrueeritud toetama suurt ribalaiust ning latentsus ei ole nii tähtis, sest superarvuteid ei kasutata transaktsiooniliseks andmetöötluseks.

Superarvutite väljakutsed ja tehnoloogiad

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 teguritest, mis seab süsteemi suurusele piirid. (Näiteks Tianhe-1A võiks kulutada iga aasta mitme miljoni dollari väärtuses elektrit.)

Informatsiooni kahe arvuti vahel ei ole võimalik liigutada kiiremini kui valguse kiirus. Seetõttu superarvuti, mille osad on üksteisest palju meetreid eemal, peab omama latentsust vähemalt kümneid nanosekundeid. Seymore Gray superarvutis üritati seetõttu hoida kaableid nii lühikesena kui võimalik. Modernsetes superarvutites, mis on ehitatud paljudest paralleelselt töötavatest tavaprotsessoritest, on tavaline latentsus kahe protsessoril vahel 1–5 mikrosekundit.

Superarvutid tarvitavad ja toodavad väga lühikese aja jooksul väga suurtes kogustes andmeid. Ken Batcher on öelnud: "Superarvuti on seadeldis, millega pöörata arvutuspiirangud sisend-/väljundpiiranguteks." Palju tööd on vaja teha andmekandjate ribalaiuse kallal, et teha kindlaks, et informatsioon saab kiiresti toimetatud ja talletatud või korrektselt vastu võetud.

Tehnoloogiad, mis on välja töötatud superarvutite jaoks, sisaldavad:

1. vektortöötlust;
2. vedelikjahutust;
3. NUMA-t (Non-Uniform Memory Access);
4. andmete paigutamist korraga kahele füüsilisele kettale, et neid kiiremini kasutada (esimene etapp sellest, mida hiljem hakati kutsuma RAID-iks);
5. paralleelseid failisüsteeme.

Töötlemistehnikad

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 videomängukonsoolid kasutavad SIMD-d ja seetõttu mõned tootjad väidavad, et nende mängumasinad on superarvutid. Mõnedel graafikakaartidel on arvutusvõimsus isegi kuni mõni teraflops. Koht, kus seda võimsust kasutada saab, oli piiratud varase videotöötluse iseloomu pärast. Videotöötlus on arenenud, graafikaprotsessor (GPU ehk graphics processing unit) on edasi arenenud ning nüüd on nad kasulikumad tavaliste vektorprotsessoritena. Sellest on välja arenenud täiesti uus arvutiteaduse alaliik: tavaotstarbeline arvutus graafikaprotsessoritel (GPGPU – General-Purpose Computing on Graphics Processing Unit).

Operatsioonisüsteemid

Superarvutite operatsioonisüsteem on enamasti Linux

Tänapäeval kasutavad superarvutid kõige enam Linuxi eri variante. 1980. aastate esimeses pooles ohverdasid superarvutid juhendite ühilduvuse ja koodi teisaldatavuse, et saada paremaid tulemusi (töötlus- ja mälu kättesaamise kiirusi). Selle ajani olid superarvutitel enamasti väga erinevad operatsioonisüsteemid. Cray-1'l üksi oli vähemalt 6 erinevat operatsioonisüsteemi, mis olid tavalisele arvutikogukonnale enamasti tundmatud. Samamoodi 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 sellised arvutisüsteemid nagu Cray' Unicos või Linux.

Programmeerimine

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 arvuti 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.

Kiireimad superarvutid

Superarvuti kiiruste mõõtmine

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

1993. aastast alates on superarvutid pandud järjekorda nende LINPACK-jõudlustesti tulemuste alusel ja avaldatud TOP500 nimekirjas. Kuna LINPACK näitab vaid ühte sorti arvutuste kiirust, ei pruugi see nimekiri olla täpne, kuid tihti nimetatakse kiireimaks hetke superarvutiks just seda nimekirja juhtivat superarvutit.

Hetke kiireimad superarvutid

Jack Dongarra on väitnud, et Tianhe-1A superarvuti Hiina Rahvuslikus Superarvutuskeskuses Tianjinis on 1,4 korda kiirem kui AMD-Opteronil 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 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.

Omamoodi superarvutid

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 petaflopsi. Sellest 2,3 petaflopsi 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 petaflopsi läbi 580 000 aktiivse võrgus oleva arvuti. Kõige aktiivsem projekt (mõõdetuna arvutusvõimsuse järgi) BOINC-is on MilkyWay@home, mille võimsuseks on teatatud 1,4 petaflopsi 30 000 aktiivse arvuti kaudu.

Aprill 2010 seisuga on GIMPS-i Mersenne'i algarvude otsing saavutas umbes 45 teraflopsi.

Ka Google'i otsingumootori süsteem on "omamoodi superarvuti", mille arvutusvõimsus jäi aprilli 2004 seisuga hinnanguliselt 126 ja 316 teraflopsi vahele. Juunis 2006 hindas New York Times Googleplexi ja selle serveriparkide serverite hulgaks 450 000. Mai 2008 hinnati Google'i arvutusvõimsuseks 20–100 petaflopsi.

PlayStation 3 "Gravity Grid" kasutab võrku, mis koosneb 16 masinast ja kasutab ära Cell protsessorit täitmaks ülesandeid, milleks on astrofüüsikalised simulatsioonid suurtest supermassiivsetest mustadest aukudest, mis neelavad väiksemaid kompaktseid objekte. Celli 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 poolt ja seda toetas Sony Computer Entertainment; see on esimene PlayStation 3-dest koosnev klaster, mis andis numbrilisi tulemusi, mis avaldati teaduslikus kirjanduses.

Teadustöö ja arendus

IBM arendab Cyclops64 arhitektuuri, millega loodetakse luua "superarvutit kiibil".

Mais 2008 teatati NASA, SGI ja Inteli koostööprojektist ehitada 1-petaflopsine superarvuti Pleiades aastaks 2009 ning aastaks 2012 suurendada arvutusvõimsus 10 petaflopsini.. IBM ehitab Lawrence Livermore'i Rahvuslaboratooriumisse 20-petaflopsist arvutit Sequoia, mis peaks tööle hakkama aastal 2011.

Praegust arengukiirust arvestades peaksid superarvutite kiirused jõudma exaflopsni (10¹⁸ flopsi) aastal 2019.

Erik P. DeBenedictis Sandia Rahvuslaboratooriumist arvab, et täieliku ilmamodelleerimise jaoks, millega oleks võimalik täpselt ennustada kahe nädala ilma, on vaja zettaflopsist (10²¹ flopsi) superarvutit. Praegust arengukiirust arvestades luuakse selline süsteem aasta 2030 paiku

Superarvutite kiirused ajas

Kiireimad superarvutid: kiiruse sõltuvus ajast

See on nimekiri kiireima superarvuti tiitlit hoidnud superarvutitest läbi aegade koos aastaga, millal vastav arvuti rekordi tegi. Tabeli andmed aastani 1993 pärinevad eri allikatest. Aastast 1993 alates pärinevad andmed TOP500 nimekirjast ja tabelis on esitatud 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
2016	NRCPC Sunway TiahuLight	93,1 PFLOPS	National Supercomputing Center in Wuxi, Wuxi, Hiina

Viited

Cray 2 s/n 2013

Välislingid

• Top500 superarvutit
• Veebileht – Euroopa kõrgjõudlusega andmetöötluse ühisettevõtte koduleht
• Ülar Allas. Tartu Ülikooli teadusarvutuste keskus ulatab teadlastele abikäe. Universitas Tartuensis, 2/2021.