Суперкомп’ютери та кластери
Суперкомп'ютери та кластери - розділ Культура, Інформація та інформаційна культура Під час Вимови Слова "Суперкомп'ютери" Уява Малює .
При проголошенні слова "суперкомп'ютери" уяву малює сцени, навіяні науково-фантастичними романами, - величезні приміщення, заповнені складними обчислювальними пристроями, іменованими "електронним мозком". Насправді справа не зовсім так. Перші екземплярисуперкомп'ютеріві справді були досить громіздкими. Успіхи мікроелектроніки тананотехнологійдозволили зменшити суперкомп'ютер до кількох невеликих "шаф", що знаходяться в одній кімнаті середніх розмірів. Сучасний суперкомп'ютер - це потужний комп'ютер із продуктивністю кілька мільярдів операцій із плаваючою точкою за секунду. Суперкомп'ютер єбагатопроцесорнийта/або багатомашинний комплекс, що працює назагальну пам'ятьі загальне полезовнішніх пристроїв.
Мал. 2.8. Cray-2 - найшвидший комп'ютер 90-х років ХХ століття
Термін "суперкомп'ютер" увійшов до загальновживаного лексикону завдяки поширеності комп'ютерних систем американця Сеймура Крея - Control Data 6600, Control Data 7600, Cray-1, Cray-2, Cray-3 та Cray-4 (рис. 3.4.3). Крей розробляв обчислювальні машини, які, по суті, ставали основними обчислювальними засобами урядових, промислових та академічних науково-технічних проектів США із середини 60-х до 1996 року. Невипадково на той час одним із популярних визначень суперкомп'ютера було таке: "будь-який комп'ютер, який створив Сеймур Крей". Сам Крей ніколи не називав свої дітища суперкомп'ютерами, воліючи використовувати замість цього звичайну назву "комп'ютер".
На сьогоднішній деньсуперкомп'ютериє унікальними системами, що створюються "традиційними" лідерами комп'ютерного ринку, такими як IBM, Hewlett-Packard, NEC та іншими, які набули безліч ранніх компаній, разом з їх досвідом та технологіями. Компанія Cray Inc. як і раніше займає гідне місце у ряді виробників суперкомп'ютерної техніки.
Більшістьсуперкомп'ютерів70-х років ХХ століття оснащувалисявекторними процесорами, На початок і середину 1980-х невелика кількість (від 4 до 16) паралельно працюючихвекторних процесорівпрактично стало стандартним суперкомп'ютерним рішенням. Типовий векторний комп'ютер включає скалярний процесор цілочисленної арифметики, функціональні блоки складання і множення чисел з плаваючою точкою, векторний процесор ізагальну пам'ять. Це комп'ютери, побудовані за технологією "розділювана пам'ять- один потік управління - багато потоків даних" ("Shared Memory- SingleInstruction- Multi Data").
Кінець 1980-х і початок 1990-х років охарактеризувалися зміною магістрального напряму розвиткусуперкомп'ютеріввід векторно-конвеєрної обробки данихдо великого та надвеликого числа паралельно з'єднаних скалярних процесорів.
Масивно-паралельні системи стали об'єднувати в собі сотні і навіть тисячі окремих процесорних елементів, причому ними могли служити не тільки спеціально розроблені, але і загальновідомі і доступні у вільному продажу процесори. Більшість масивно-паралельних комп'ютерів створювалося на основі потужних процесорів з архітектуроюRISC(ReducedInstruction SetComputer), на зразок Power PC або PA-RISC. Використання серійнихмікропроцесорівдозволило не тільки гнучко змінювати потужність установки взалежно від потреб та можливостей, а й значно здешевити виробництво. Прикладамисуперкомп'ютерівцього класу можуть бути Intel Paragon, IBMSP, Сray T3D/T3E та інших.
Петафлопсний рубіж (тисяча трильйонів операцій зплаваючою комоюза секунду) компанія Cray Inc. обіцяє подолати до кінця десятиліття. Такі терміни обіцяють і японці. У Токіо в рамках відповідного проекту GRAPE [http://grape.astron.s.u-tokyo.ac.jp/grape/] готується модель GRAPE-6. Вона об'єднує 12 кластерів та 2048 процесорів і показує продуктивність 2,889 Тфлопс (з потенційними можливостями 64 Тфлопс). У перспективі в GRAPE-рішення буде включено 20 тис. процесорів, а коштуватиме воно всього 10 мільйонів доларів.
Однак унікальні рішення з рекордними характеристиками зазвичай недешеві, тому й вартість подібних систем ніяк не могла бути порівнянна з вартістю систем, що перебувають у масовому виробництві та широко використовуються у бізнесі. Прогрес у галузі мережевих технологій зробив свою справу: з'явилися недорогі, але ефективні рішення, що базуються на комунікаційних технологіях. Це і зумовило появу кластерних обчислювальних систем, що фактично є одним із напрямків розвитку комп'ютерів з масовимпаралелізмомобчислювального процесу (MassivelyParallel Processing-MPP).
Обчислювальнийкластер- це сукупність комп'ютерів, об'єднаних у межах деякої мережі на вирішення великоїобчислювальної задачі. Як вузли зазвичай використовуються доступні однопроцесорні комп'ютери, дво- або чотирипроцесорніSMP-сервери (SymmetricMultiProcessor). Кожен вузол працює під керуванням своєї копії операційної системи, якою найчастішевикористовуються стандартні операційні системи: Linux, NT, Solaris і т. п. Розглядаючи крайні точки зору, кластером можна вважати як пару персональних комп'ютерів, пов'язаних локальною 10-мегабітною мережею Ethernet, так і велику обчислювальну систему, створювану в рамках великого проекту. Такий проект об'єднує тисячі робочих станцій на базі процесорів Alpha, пов'язаних високошвидкісною мережею Myrinet, яка використовується для підтримки паралельних додатків, а також мережамиGigabit EthernetтаFast Ethernetдля керуючих та службових цілей.
Склад і потужність вузлів може змінюватися навіть у рамках одного кластера , даючи можливість створювати великі гетерогенні (неоднорідні) системи з потужністю, що задається. Вибір конкретного комунікаційного середовища визначається багатьма факторами: особливостями класу розв'язуваних завдань, доступним фінансуванням, необхідністю подальшого розширення кластера і т.п. Можливе включення в конфігурацію спеціалізованих комп'ютерів, наприкладфайл-сервера, і, як правило, надано можливість віддаленого доступу накластерчерез Internet.
На сучасному ринку представлено не так багато постачальників готових кластерних рішень. Це пов'язано, перш за все, з доступністю комплектуючих, легкістю побудови самих систем, значною орієнтацією на програмне забезпечення, що вільно розповсюджується, а також з унікальністю завдань, які вирішуються за допомогою кластерних технологій. Серед найбільш відомих постачальників варто відзначити SGI , VALinux і Scali Computer.
Влітку 2000 року Корнельський університет (США) заснував Консорціум з кластерних технологій (AdvancedCluster ComputingConsortium), основна мета якого -координаціяробіт в областікластерних технологій та допомога у здійсненні розробок у цій галузі. Провідними компаніями, що забезпечують інфраструктуру консорціуму, стали великі виробники комп'ютерного обладнання та програмного забезпечення – Dell, Intel та Microsoft. Серед інших членів консорціуму можна назвати Аргоннську національну лабораторію, Нью-Йоркський, Корнельський та Колумбійський університети, компанії Compaq, Giganet, IBM, Kuck &Associatesта інші.
З цікавих українських проектів слід відзначити рішення, реалізоване в Санкт-Петербурзькому університеті на базі технологіїFast Ethernet[http://www.ptc.spbu.ru]: зібранікластериможуть використовуватись і як повноцінні незалежні навчальні класи і як єдина обчислювальна установка, що вирішує велику дослідницьку проблему. У Самарському науковому центрі пішли шляхом створення неоднорідного обчислювального кластера , у складі якого працюють комп'ютери на базі процесорів Alpha іPentiumIII. У Санкт-Петербурзькому технічному університеті збирається установка на основі процесорів Alpha та мережі Myrinet без використання локальних дисків на обчислювальних вузлах. В Уфімському державному авіаційному технічному університеті проектуєтьсякластерна базі дванадцяти Alpha-станцій, мережіFast Ethernetта ОС Linux [www.osp.ru/os/2000/05-06/178019/ ].
Технологіїсуперкомп'ютеріві кластерів спочатку "зросли" в основному з наукових потреб - для вирішення фундаментальних та прикладних завдань фізики, механіки, астрономії, метеорології, опору матеріалів і т. д., де були потрібні величезні обчислювальні потужності. У яких ринкових нішах буде потрібна подібна продуктивність? Насамперед, це проектування складних керованих систем (літаків,ракет, космічних станцій), створення синтетичних ліків із заданими властивостями, генна інженерія, передбачення погоди та природних катаклізмів, підвищення ефективності та надійності атомних електростанцій, прогнозування макроекономічних ефектів та багато іншого.