Bezkonkurencyjni giganci - najszybsze superkomputery na świecie

Maszyny, które nie mają sobie równych. Zapewne niejeden z was chciałby mieć takie parametry w swoich komputerach, ale niestety - nic z tego. Superkomputer to urządzenie znacznie przewyższające swoimi możliwościami wszystkie inne powszechnie używane komputery. Dysponują one niewiarygodnie większą masą obliczeniową. Pierwsze z nich kosztowały po kilka milionów dolarów, teraz już jednak nie produkuje się ich masowo. Pojedyncze egzemplarze są projektowane i konstruowane na zamówienie, a koszty ich produkcji to kwestia nawet miliarda dolarów. Który superkomputer jest najpotężniejszy? Jakim urządzeniem może się pochwalić Polska? Oto najnowsze superkomputery!

Maszyny, które nie mają sobie równych - "szafy" ciągnące się korytarzami. Zapewne niejeden z was chciałby mieć takie parametry w swoich komputerach, ale niestety - nic z tego. Superkomputer to urządzenie znacznie przewyższające swoimi możliwościami wszystkie inne powszechnie używane komputery. Dysponują one niewiarygodnie większą masą obliczeniową. Pierwsze z nich kosztowały po kilka milionów dolarów, teraz już jednak nie produkuje się ich masowo. Pojedyncze egzemplarze są projektowane i konstruowane na zamówienie, a koszty ich produkcji to kwestia nawet miliarda dolarów.

_ SŁK _

Tianhe-2 to chińska translacja _ Milky Way-2 _, czyli - _ Droga Mleczna-2 _. Ten superkomputer posiada moc obliczeniową 33,86 PFLOPS (FLOPS - FLoating point Operations Per Second).

Aby łatwiej zrozumieć, moc obliczeniowa to liczba działań arytmetycznych, jakie może wykonać komputer w danym czasie. Parametr ten obliczany jest za pomocą testu LINPACK. Mierzy on szybkość rozwiązywania gęstego układu równań liniowych, jako abstrakcji standardowych problemów spotykanych w problemach inżynieryjnych i naukowych. Takie testy są wzorcowymi testami opartym na bibliotece LINPACK. Ta została napisana w Fortranie w latach 70. dla numerycznego rozwiązywania problemów algebry liniowej.

Natomiast FLOPS to liczba operacji zmiennoprzecinkowych (reprezentacja liczby rzeczywistej zapisanej za pomocą notacji naukowej - postać wykładnicza) na sekundę.

Tianhe-2 został zbudowany w Chinach przez NUDT. To urządzenie wykonuje ponad 33 biliardy operacji zmiennoprzecinkowych w ciągu sekundy, dzięki czemu w czerwcu 2013 umieszczono go na pierwszym miejscu listy TOP500. Ranking ten przedstawia 500 superkomputerów, które uzyskują najlepsze wyniki we wspomnianym teście LINPACK. Zainteresowanych zapraszamy na stronę internetową zestawienia.

Warto wspomnieć, że budowa Tianhe-2 kosztowała równowartość ok. 390 milionów dolarów. Nad jego konstrukcją czuwało 1300 naukowców i inżynierów. Urządzenie składa się z ponad 120 szaf (czasem podaje się, że łącznie jest ich 160) - każda z nich zawiera 64 płyty, każda po 2 węzły. Łatwo można zatem policzyć, że ten chiński superkomputer posiada 16000 węzłów. I dalej - każdy z nich zawiera po dwa procesory Intel Xeon E5-2692 2.2 GHz oraz 3 koprocesory Xeon Phi i 88 GB RAM. Każdy procesor Ivy Bridge (mikroarchitektura procesorów firmy Intel stworzona w nowym wymiarze technologicznym 22 nm) zawiera 12 rdzeni, koprocesor - 57 rdzeni. I tutaj pojawia się niebotyczna liczba aż 3 120 000 rdzeni! To nie wszystko, ponieważ kolejną niewiarygodną daną jest *pamięć obliczeniowa całego systemu, która wynosi aż 1,4 EB (eksabajta). Oprócz tego, według inżynierów, jest to największy tego typu system na świecie, który wykorzystuje architekturę dostarczaną przez Intel*

System do chłodzenia wykorzystuje miejską wodę. Każdy moduł chłodzący może odprowadzić ciepło równoważne 80 kW mocy. Cały superkomputer pobiera 24 MW, z czego jednostki obliczeniowe - 17,6 MW.

W przypadku tego urządzenia "chińszczyzna" nie jest już synonimem bylejakości. Na dowód tego, wiele wdrożonych do powstania i obsługi tego superkomputera rozwiązań to czysto chińska myśl techniczna. Nad pracą maszyny czuwają bowiem m.in. interkonekty TH-Express 2 oraz 4096 16-rdzeniowych procesorów Galaxy FT-1500 (40 nm, 1,8 GHz). Tianhe-2 znajduje się w National Super Computer Center w miejscowości Guangzhou.

Titan *nie może już się pochwalić tak potężną mocą obliczeniową jak Tianhe-2, ale i tak uplasował się na drugim miejscu zestawienia TOP500. *Jego parametr to 17,59 FLOPS. Uruchomiony w 2012 roku superkomputer był jednak najpotężniejszą tego typu maszyną na świecie do chwili, kiedy pierwszeństwo odebrał mu chiński gigant, czyli do czerwca 2013.

Titan jest komputerem, który powstał dzięki dwuetapowej rozbudowie wcześniejszej konstrukcji o nazwie Jaguar. Najpierw zastąpiono sześciordzeniowe procesory AMD Operon (po 2 na węźle) na szesnastordzeniowe jednostki (1 na węzeł) - w sumie przyszły Titan wyposażony był w 299 008 rdzeni. Ilośc RAM-u podwojono z 300 TB do 600 TB i rozbudowano sieć wewnętrzną. 960 węzłów doposażono w akceleratory Fermi. W ten sposób powstał prototypowy układ TitanDev. Testowano na nim oprogramowanie pełnej wersji "dojrzewającego" Titana. Zmiany te zwiększyły moc Jaguara z 2,3 PFLOPS do 3,3 PFLOPS.

W drugim etapie 18 688 serwerów kasetowych Cray XT5 zastąpiono serwerami XK7. Każdy z nich zawierał szesnastordzeniowego AMD Operona 6274, 32 GB RAM i układ GPU Nvidia Tesla K20X. Z kolei każdy K20X zawiera 2688 rdzeni CUDA. Jest to skrót od Compute Unified Device Architecture. Nie jest to nic innego jak opracowana przez firmę Nvidia uniwersalna architektura procesorów wielordzeniowych (głównie kart graficznych) umożliwiająca wykorzystanie ich mocy obliczeniowej do rozwiązywania ogólnych problemów numerycznych w sposób wydajniejszy niż w tradycyjnych, sekwencyjnych procesorach ogólnego zastosowania. W ten sposób całkowity system zawiera niemal 300 000 rdzeni procesorów i ponad 50 milionów rdzeni obliczeniowych CUDA. Procesory odpowiadają głównie za przydzielanie zadań do GPU, a do obowiązków układów GPU należy większość obliczeń.

Superkomputer Titan zajmuje powierzchnię 404 metrów kwadratowych i zużywa 8.2 MW mocy. Maszyna jest zasilana napięciem 480 V, a w przypadku awarii zasilania, koło zamachowe (wykonane z włókna węglowego obracają się z prędkością 50 000 obrotów na minutę) może utrzymać je przez 16 sekund. Jeśli utrata zasilania trwa dłużej niż 2 sekundy, uruchamiane są generatory diesla. Ich rozruch trwa około 7 sekund, a po tym czasie mogą zasilać komputer dowolnie długo. Procesory Titana są chłodzone powietrzem za pomocą radiatorów. Doprowadzane jest ono po wcześniejszym schłodzeniu za pomocą wody o temperaturze 5,5 stopni Celsjusza.

Znajdująca się w amerykańskim Oak Ridge National Laboratory konstrukcja Titana kosztowała 97 milionów dolarów. Wykorzystanie zasilania i chłodzenia używanego przez Jaguara umożliwiło zaoszczędzenie około 20 milionów dolarów w czasie budowy.

Titan jest przeznaczony dla środowiska naukowego i wnioski o wykorzystanie jego czasu są recenzowane przez Oak Ridge Computing Leadership Facility (OCLF). W 2009 roku zgłoszono 50 takich wniosków, z których wybrano 6 na podstawie ich istotności oraz możliwości pełnego wykorzystania mocy obliczeniowej nowego systemu.

Trzecie miejsce zestawienia TOP500 należy do maszyny Sequoia, znajdującej się w Lawrence Livermore National Laboratory - jednym z czołowych amerykańskich instytutów naukowo-badawczych w zakresie nauk stosowanych (Livermore, Kalifornia). W okresie 06.2012 do 11.2012 zajmowała ona czołowe miejsce rankingu z mocą obliczeniową 17,17 PFLOPS. Przypomnijmy, że to oznacza 17 biliardów operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę.

Sequoia to dzieło IBM, które stworzono w 2012 roku. Zbudowana w architekturze Blue Grene/Q. Jest to architektura superkomputerów rozwijana przez IBM we współpracy z Lawrence Livermore National Laboratory oraz Departamentem Energii USA. Powstała ona jako dalsze rozwinięcie Blue Gene/P. Prototypowy system oparty na tej architekturze został zaprezentowany w listopadzie 2010 roku. Uzyskał wydajność 1684 MFLOPS/W i znalazł się wówczas na pierwszym miejscu listy Green500, jako najbardziej energooszczędny system komputerowy na świecie.

Wracając do samego komputera Sequoia, zbudowany został z 96 racków, z których każdy zawiera 1 024 osiemnastordzeniowe procesory. Do obliczeń wykorzystuje się w tych procesorach 16 rdzeni - jeden służy do kontroli wejścia/wyjścia, a jeden jest w rezerwie. Daje to w sumie 98 304 procesory i 1 572 864 rdzeni. Posiada 1,6 petabajta pamięci operacyjnej i zużywa 7,89 MW mocy.

Sequoia została zamówiona w ramach programu Advanced Simulation and Computing Program. Wykorzystuje on superkomputery do badania procesów starzenia się broni jądrowej. Symulacje, jakie przeprowadza się na tej konstrukcji umożliwiają utrzymanie bezpieczeństwa oraz skuteczności broni jądrowej, np. bomb B61 czy W78, bez potrzeby przeprowadzania testów atomowych.

Posiada moc obliczeniową 10,51 PFLOPS. Skonstruowana w 2011 roku przez Fujitsu maszyna zainstalowana została w Riken (Rikagaku Kenkyujo), multidyscyplinarnym japońskim Instytucie Badań Fizycznych i Chemicznych w miejscowości Kobe.

Dosyć enigmatyczna nazwa tego superkomputera (K Computer) wywodzi się od japońskiego słowa "kei", które oznacza 10 do potęgi szesnastej. Konstrukcja ta znajdowała się na pierwszym miejscu TOP500 przez okrągły rok, od czerwca 2011 do czerwca 2012.

Pierwszą wersję, która osiągnęła moc obliczeniową 8 162 PFLOPS zaprezentowano właśnie w połowie roku 2011. Zawierała ona 68 544 ośmiordzeniowych procesorów SPARC64 VIIIfx wykonanych w technologii 45 nanometrów. Dawało to łącznie niemal 550 000 rdzeni. W późniejszym czasie, do listopada 2011 K Computer został rozbudowany do 88 128 procesorów (705 024 rdznei). Dzięki temu finalna moc obliczeniowa maszyny wynosi 10,51 PFLOPS.

Połączone ze sobą siecią węzły superkomputera tworzą wirtualny sześciowymiarowy torus, co umożliwia efektywną komunikację między oddalonymi węzłami oraz izolowanie tych wadliwie pracujących. Gwoli wyjaśnienia, torus z kolei jest dwuwymiarową powierzchnią obrotową zanurzalną w przestrzeni trójwymiarowej, powstałą przez obrót okręgu wokół prostej leżącej w tej samej płaszczyźnie i nieprzecinającej go.

Jest chłodzony cieczą, aby zminimalizować zużycie enegii i awaryjność. Zużywa 12,6 MW mocy.

...ale nie jest ostatnim urządzaniem, o którym piszemy. Przed wami jeszcze nasza polska konstrukcja. Ale o niej za chwilę.

Mira posiada moc obliczeniową 8,15 PFLOPS, czyli wykonuje 8 biliardów operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę. IBM skonstruował ją w 2012 roku. Komputer umieszczono w Argonne National Laboratory - jednym z największych i najstarszych (założonym w 1943 roku) amerykańskich placówek badawczo-rozwojowych, prowadzonych przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych. Znajduje się on w DuPage Country, Illinois.

Mira jeszcze w czerwcu 2012 roku znajdowała się na trzecim miejscu zestawienia TOP500. Podobnie, jak Sequoia, wykonano ją w architekturze Blue Gene/Q, o której pisaliśmy na piątym slajdzie. Zbudowana z 48 tysięcy szesnastordzeniowych procesorów charakteryzuje się łączną liczbą niemal 800 000 rdzeni i mocą równą 4 MW. Mira to naprawdę "ciężka sztuka" - waży aż 69 ton!

Prometheus, bo tak nazywa się najpotężniejszy polski superkomputer wizualnie jest co najmniej tak samo ciekawą konstrukcją, jak dzieło Fujitsu (K Computer).

27 kwietnia 2015 w Akademickim Centrum Komputerowym Cyfronet AGH oficjalnie zaprezentowano superkomputer Prometheus, który ma największą moc obliczeniową w Polsce. Maszyna o wartości 41 mln zł służy naukowcom z wielu ośrodków, reprezentujących różne dziedziny.

Prometheus posiada moc obliczeniową wynoszącą niemal 1,7 biliardów operacji na sekundę (1,7 PFLOPS). Dzięki takiemu wynikowi wyprzedził dotychczasowego lidera - superkomputer Politechniki Gdańskiej, który jest w stanie wykonać 1,2 biliarda operacji na sekundę. Nasz superkomputer posiada moc obliczeniową odpowiadającą 40 tys. komputerów osobistych klasy PC, a jeden jego dzień obliczeniowy na komputerze osobistym wykonywany byłby przez 100 lat. Został zbudowany przez firmę Hewlett-Packard (według wytycznych ekspertów z Cyfronetu) z ponad 1700 serwerów platformy HP Apollo 8000, połączonych superszybką siecią Infiniband o przepustowości 56 Gbit/s. Jest to pierwsza w Europie i największa na świecie instalacja serwerów HP Apollo 8000.

Komputer posiada ponad 41 tysięcy rdzeni obliczeniowych (procesorów Intel Haswell najnowszej generacji) oraz ponad 215 TB pamięci operacyjnej w technologii DDR4. Do Prometheusa dołączono dwa systemy plików o łącznej pojemności 10 PB oraz ogromnej szybkości dostępu: 150 GB/s. Na potrzeby maszyny zbudowano oddzielny budynek serwerowni wyposażony w potężne zasilanie, ale komputer nie zajmuje wiele miejsca - całość mieści się w piętnastu szafach. Według projektantów maszyny, Prometheus jest również jednym z najbardziej energooszczędnych komputerów swojej klasy na świecie. Jest on największym superkomputerem w historii Polski.

_ SŁK - Wirtualna Polska / benchmark.pl / Wikimedia _