Супер компьютер. Причина использования. Сфера применения.

Введение
Целью создания реферата является представление технологий в области суперкомпьютерных систем и способов  связи с существующими областями науки и промышленности, нуждающимися в высокопроизводительных вычислениях и моделировании.
 В то время, когда появились первые компьютеры, перед разработчиками вычислительной техники стала проблема - производительность вычислительной системы. С годами производительность компьютеров стремительно возрастала, с каждым годом росло и число пользователей компьютерами, что привело к расширению сферы вычислительных систем - это стало одной из причины появления суперкомпьютеров. Что представляют собой  суперкомпьютеры, и какова их функция в жизни человека?
Суперкомпьютер- это обычная вычислительная система, которая позволяет производить сложные расчеты за более короткие промежутки времени. Система компьютера  состоит из трех компонентов - счетного устройства, блока памяти и вторичной системы хранения информации. Большое значение имеет пропускная способность каналов, которая связывает их друг с другом и с терминалами потребителей. Важным показателем компьютера является быстродействие, которое измеряется флопсами. Флопс - внесистемная единица, используемая для измерения производительности компьютеров, показывающая, сколько операций с плавающей запятой в секунду выполняет данная вычислительная система.
Для чего нужны суперкомпьютеры? Расширение границ человеческого знания всегда опиралось на  теорию и опыт. Но теперь ученые сталкиваются с тем, что многие испытания стали невозможными - в некоторых случаях из-за своих масштабов, в других - дороговизны или опасности для здоровья и жизни людей. Тут-то и нашли применение  мощным компьютерам. Они позволяют экспериментировать, становятся опорой современной науки и производства.  
Иногда суперкомпьютеры используются для работы с одним-единственным приложением; в других случаях они обеспечивают выполнение большого числа разнообразных приложений.

 


Суперкомпьютер  что это?

Суперкомпьютер  – это компьютер, способный производить сотни миллиардов операций за 1 с. Такие большие объёмы вычислений нужны для решения задач в аэродинамике, метеорологии, физике высоких энергий, геофизике. Суперкомпьютеры так же нашли своё применение в финансовой сфере при обработке больших объёмов сделок на биржах. Сверхвысокое быстродействие суперкомпьютера обеспечивается параллельной работой множества микропроцессоров.
Суперкомпьютеры – это не выдумка. Хотя суперкомпьютеры не используются обычными людьми в повседневной жизни, их влияние, как на все человечество, так и на каждого из нас очень заметно. Вернее, стало бы заметно, если бы они в один миг исчезли или сломались. 
 
Суперкомпьютеры – это современные вычислительные машины с высокой мощностью и скоростью обработки данных. Они не выпускаются большими партиями и не продаются в магазинах. Каждый суперкомпьютер уникален, так как разрабатывается и изготавливается под конкретный заказ, для решения определенной задачи. Суперкомпьютеры могут быть как микроскопически малы, так и занимать несколько комнат или даже этажей, все зависит от функций и задач, которые будет решать электронная техника.

   Изобретателем суперкомпьютера является американский инженер С.Крей. В 1972 году он открыл свою фирму под названием «Крей Ресерч Инкорпорейтед». Эта фирма занималась разработкой самых высокоскоростных компьютеров в мире. Изобретением стали мультипроцессорные компьютеры, способные осуществлять одновременную обработку данных. В 1976 году был выпущен первый суперкомпьютер под названием  «Крей-1», который мог осуществлять 240 млн. вычислений в одну секунду.
 Он  применялся для научных исследований, таких, например, как моделирование  сложных физических явлений. Такие компьютеры приобретались правительственными учреждениями и университетскими лабораториями. Следующие модели Крея – «Крей 1-М» и «Крей X-МР» обладали ещё большим быстродействием.
В 1985 г. появился «Крей-2», который мог выполнить 1 200 млн. операций за 1 с. Представленный в 1988 г. «Крей Y-MP» обладал быстродействием 2 670 млн. операций за 1 с.
Позднее были созданы суперкомпьютеры с  ещё большим быстродействием.
 


Развитие  суперкомпьютеров.

   Первым отечественным суперкомпьютером является БЭСМ-6, выпущенный в 1967 году под руководством, гениального инженера Сергея Алексеевича Лебедева. Данная машина, по формальной производительности сопоставимая с CDC 6600, реально намного превосходила своего иностранного конкурента. В данном компьютере было заложено так много инновационных решений, что её производство продолжалось на протяжении двадцати лет! Попытка американских инженеров создать что-либо совершеннее БЭСМ-6, носившая имя ILLIAC-IV, окончилась неудачей: данный суперкомпьютер оказалась дороже, сложнее и медленнее "русской машины". БЭСМ-6 не была единственным советским суперкомпьютером. В последние годы своей жизни Лебедев руководил работами по созданию многопроцессорного комплекса "Эльбрус", однако в 1974 году смерть помешала ему увидеть результаты своих трудов. Работы над первым компьютером серии "Эльбрус" завершились в 1979 году, и, хотя по производительности он, равно как и другие компьютеры серии, отставали от зарубежных аналогов, в его процессоре впервые была применена технология суперскалярности. Супер скалярная архитектура, то есть технология параллельного выполнения нескольких команд, независимых друг от друга, вскоре была реализована в большинстве процессоров для персональных компьютеров; таким образом, в процессорах Intel и AMD есть частичка нашего, русского, инженерного знания. 
 
Но, перестройка, раскол Советского Союза и последовавшие за ним события крайне негативно отразились на отечественной суперкомпьютерной промышленности. Прощальным приветом отечественных инженеров-электронщиков можно считать появившийся в 1990-х процессор Elbrus 2000 (E2K) , который так и не смог выйти на рынок: сначала помешал кризис, ну а затем, когда казалось, что "вот уже чуть-чуть", команду "Эльбруса" на корню купила Intel. На данный момент все существующие в России суперкомпьютеры либо зарубежного производства, либо основаны на зарубежных комплектующих и технологиях.

Оправившись от кризиса, индустрия производства суперкомпьютеров принялась за штурм  новых высот. В 1997 году был создансуперкомпьютер ASCI RED, обладавший неслыханной тогда производительностью в 1,34 ТФЛОПС. Однако самое интересное, что данный компьютер был построен на базе почти что десяти тысяч процессоров Pentium II , тех самых, которых можно было спокойно найти в любом топовом ПК тех лет. Подобная система объединения вычислительных мощностей относительно недорогих процессоров получила название MassivelyParallelProcessing, или просто MPP. Преимущество MPP-систем - в их гибкости: незагруженные процессорные блоки можно легко отключить, а по возможности - включить заново, а вдобавок подключить дополнительные. На данный момент большинство суперкомпьютеров было построено именно на базе данной технологии. 
 
Шло время, и производители выпускали всё более и более новыесуперкомпьютеры, которые задавали новые стандарты производительности. Символический барьер в один ПФЛОПС (читается "пентафлопс"; 1 ПФЛОПС = 1000 ТФЛОПС) был преодолён в 2008 году компьютером Roadrunner от IBM. Характеристики данной машины, мягко говоря, шокируют: почти 100 Тб оперативной памяти, около 20 000 процессоров... Удивляет и то, что всё это работает под управлением Linux-систем RedHat и Fedora, причём тех же самых версий, что устанавливаются на домашние компьютеры. 
 
Однако Roadrunner не является самым быстрым суперкомпьютером на сегодняшний день. Согласно рейтингу самых мощных компьютеров Top-500, наиболее производительным является японский суперкомпьютер производства Fujitsu, запущенный в эксплуатацию незадолго до написания этих строк. Этот 70 000-процессорный гигант (причём процессоры, стоит заметить, все до одного восьмиядерные) на момент написания статьи обладал безумной производительностью в 8,162 ПФЛОПС. Даже не хватает воображения, что бы представить, чем же можно нагрузить подобную махину. Впрочем, на это есть учёные - перед ними стоят ещё очень много неразрешённых вопросов.

 

Разновидности параллельных числовых систем

В соответствии с классификацией, предложенной М.Флинном еще в начале 60-х годов прошлого столетия, параллельные вычислительные системы имеют несколько разновидностей.При этом в основу данной классификации заложено два возможных вида параллелизма: независимость потоков заданий (команд), существующих в системе, и независимость (отсутствие логической связанности) данных, обрабатываемых в каждом потоке:  

    Магистральные(конвейерные),в  которых процессоры одновременно выполняют  разные операции.Над последовательным потоком обрабатываемых данных; по принятой классификации такие системы относятся к системам с многократным потоком команд и однократным потоком данных МКОД (MISD MultipleInstructionSingleData);
    Векторные, в которых все процессоры одновременно выполняют одну команду. Над различными данными однократный поток команд с многократным потоком данных ОКМД (SIMD SingleInstructionMultipleData);
    Матричные, в которых процессоры одновременно выполняют разные операции. Над несколькими последовательными потоками обрабатываемых данных многократный поток команд с многократным потоком данных МКМД (MIMD MultipleInstructionMultipleData).
    В суперЭВМ используются все три варианта архитектуры параллельных вычислительных систем.
Классический  тип суперкомпьютерной архитектуры (однопроцессорная и конвейерная) использует общую оперативную память.  Обращение, к которой осуществляется через системную шину. Единое пространство оперативной памяти значительно упрощает программирование за счет более удобных механизмов синхронизации между задачами. Но с ростом числа процессоров наличие общей памяти приводит к возрастанию нагрузки на системную шину, которая в конце концов перестает обслуживать обмен данными между оперативной памятью и процессорами в требуемом темпе. Добавление локальной кэш-памяти в каждый процессор несколько снижает остроту проблемы. Тем не менее, вне зависимости от наличия локальной кэш-памяти системная шина все равно является уязвимым местом такой архитектуры при 8 и более процессорах.
Параллельная  архитектура (векторная и матричная) позволяет избежать проблем с  системной шиной за счет отсутствия общей для всех процессоров оперативной  памяти. Каждый процессор снабжается своей локальной памятью. Чтобы  осуществить доступ к локальной  памяти другого процессора, используется сеть связи, объединяющая процессоры в систему. Таким образом, в параллельной архитектуре удается снизить нагрузку на шину, ведущую к локальной памяти процессоров, поскольку здесь она обслуживает только запросы на доступ именно к этой памяти, а не каждый запрос на доступ к общей оперативной памяти. Это позволяет строить суперкомпьютеры из сотен и даже тысяч процессоров.
Основным  недостатком параллельной архитектуры  является сложность программирования, особенно для задач, которым необходима память, превышающая размер локальной  оперативной памяти одного процессора. Синхронизация также затруднена, особенно если ее требуется осуществить  между параллельными ветвями  алгоритма, выполняемыми процессорами, которые разделяет значительное расстояние в сети связи. 
 

 


Сферы применения суперкомпьютеров

 
Традиционной  сферой внедрения суперкомпьютеров постоянно были исследования: физика плазмы и статистическая механика, физика конденсированных сред, молекулярная и атомная физика, теория простых  частиц, газовая динамика и теория турбулентности, астрофизика. 
В химии - разные области вычислительной химии: квантовая химия (включая расчеты  электронной структуры для целей  конструирования новейших материалов, к примеру, катализаторов и сверхпроводников), молекулярная динамика, хим. кинетика, теория поверхностных явлений и  химия твердого тела, конструирование  фармацевтических средств. Естественно, что ряд областей внедрения находится  на стыках соответственных наук, к  примеру, химии и биологии, и перекрывается  с техническими приложениями. Так, задачи метеорологии, исследование атмосферных явлений и, сначала, задача длительного прогноза погоды, для решения которой постоянно не хватает мощностей современных суперЭВМ, тесновато соединены с решением ряда вышеперечисленных проблем физики. Посреди технических проблем, для решения которых употребляются суперкомпьютеры, укажем на задачи аэрокосмической и авто индустрии, ядерной энергетики, предсказания и разработки месторождений нужных ископаемых, нефтедобывающей и газовой индустрии (в том числе трудности действенной эксплуатации месторождений, в особенности трехмерные задачки их исследования), и, в конце концов, конструирование новейших микропроцессоров и компов, сначала самих суперЭВМ. 
 
Суперкомпьютеры обычно используются для военных целей. Не считая тривиальных задач разработки орудия массового ликвидирования и конструирования самолетов и ракет, можно упомянуть, к примеру, конструирование бесшумных подводных лодок и др. Самый известный пример - это южноамериканская программа СОИ. Уже упоминавшийся MPP-компьютер Министерства энергетики США будет применяться для моделирования ядерного орудия, что дозволит,в общем, отменить ядерные тесты в данной стране.

Еще есть одна неувязка внедрения суперЭВМ, о которой нужно огласить - это  визуализация данных, приобретенных  в итоге выполнения расчетов. Нередко, к примеру, при решении дифференциальных уравнений способом сеток, приходится сталкиваться с циклопическими размерами результатов, которые в числовой форме человек просто не в состоянии обработать. Тут во почти всех вариантах нужно обратиться к графической форме представления информации. В любом случае возникает задача транспортировки информации по компьютерной сети. Решению этого комплекса проблем в ближайшее время уделяется все большее внимание. А именно, известный Государственный центр суперкомпьютерных приложений США (NCSA) вместе с компанией SiliconGraphics ведет работы по программе "суперкомпьютерного окружения грядущего". В этом проекте предполагается интегрировать способности суперкомпьютеров POWER CHALLENGE и средств визуализации компании SGI со средствами информационной супермагистрали.
 

Применение  суперкомпьютеров

 
 
 
Для кого разрабатываются сверхмощные  и сверхумные машины и где они  используются?
Компьютеры  используются учеными при решении задач квантовой физики и механики. 
 
В военной промышленности суперкомпьютеры помогают разрабатывать новые тактические и стратегические позиции, позволяют проводить различные исследования по повышению эффективности готовой боевой техники и по ее модернизации. Также новейшие виды оружия и средств защиты разрабатываются вычислительными машинами. 
 
Исследование ядерных процессов, моделирование цепной реакции и ядерного взрыва дают ученым богатый материал для исследования этих удивительных, но опасных явлений. 
 
Изучение молекулярной структуры белка помогает сделать немало важных и ценных для человечества открытий, определить причины и механизмы генетически обусловленных заболеваний. Такая работа под силу только суперкомпьютерам. 
 
Виртуальные модели кровеносной системы человека исследуются врачами и биологами, чтобы получить эффективные способы борьбы с заболеваниями сердца и сосудов. 
 
Но суперкомпьютеры нужны не только для проведения серьезных научных исследований, результаты которых принесут человечеству плоды только в будущем. Прикладное применение суперкомпьютеров можно обнаружить во многих сферах нашей жизни. 

Биология  и медицина.

Современные медицинские исследования, новейшие разработки и научные открытия стали  возможны именно благодаря суперкомпьютерам, которые позволяют проводить своевременную диагностику, с большим процентом вероятности прогнозировать ход болезни и реакцию организма на лечение. Суперкомпьютеры позволяют моделировать процессы, происходящие в жизненно важных органах, чтобы понять основной принцип их работы и эффективно бороться с патологиями. 
 
В биологии суперкомпьютеры, микрочипы и электронные микроскопы используются для изучения процессов, происходящих на клеточном уровне, что дает большие возможности для серьезнейших научных открытий, способных изменить современную науку. 
 
В медицине и биологии суперкомпьютеры больше нужны именно для исследовательской работы, хотя, некоторые крупные клиники могут позволить себе использовать такие машины и для решения прикладных задач: диагностики и лечения.

Космическое пространство.

Суперкомпьютеры нужны не только для фиксирования данных на борту космических станций  и обеспечения эффективности  работы этих грандиозных сооружений. Мощнейшая вычислительная техника  позволяет проектировать новые  орбитальные и межпланетные станции, выстраивать данные оптимальной  траектории движения станций, изучать  процессы, влияющие на геомагнитный фон  Земли, отслеживать и предугадывать  всплески солнечной активности и  выявить их закономерности. 
 
При разработке новых моделей космических станций и искусственных спутников, суперкомпьютеры проводят серьезную работу по моделированию и прогнозированию всех возможных ситуаций, обеспечивая, таким образом, безопасность полета.

Климат  и погода.
Благодаря суперкомпьютерам стало возможно очень  точно предсказывать погоду. Цифровая обработка данных, полученных на метеорологических  станциях, производится в кратчайшие сроки, что дает шанс заглянуть в  будущее и предупредить людей  о возможных погодных неприятностях. Эта работа суперкомпьютеров тесно связана с прогнозами стихийных бедствий, которые способны спасти жизнь многих людей.
Стихийные бедствия и экологические  катастрофы.
Современные мощные суперкомпьютеры дают возможность с большой долей вероятности прогнозировать природные катаклизмы: землетрясения, цунами, пожары, наводнения и штормы. Чем раньше люди получат информацию о надвигающейся беде, чем больше у них шансов спастись.
Промышленность.
Благодаря суперкомпьютерам наша жизнь становится более комфортабельной и безопасной, ведь именно эти машины помогают разрабатывать новые модели автомобилей и самолетов. Исследование аэродинамических свойств, устойчивости, маневренности, способы сочетать эти качества в оптимальной пропорции могут только суперкомпьютеры. 
 
Суперкомпьютеры имеют большое влияние на жизнь современного человека, хотя мало кто об этом задумывается. Сидя в новом автомобиле и слушая по радио прогнозы погоды, отправляясь в поездку с GPRS навигатором, покупая билет на самолет к теплому морю, просматривая по телевизору 500 цифровых каналов, включая чайник, электроэнергия для которого была получена в недрах атомного реактора, люди почти замечают, что пользуются результатами работы сложнейших суперкомпьютеров.

 
 
 
 


Топ 500

Распределение количества суперкомпьютеров по пяти ведущим странам и областям их применения, полученные с помощью  методов многомерного анализа данных топ 500 самых мощных компьютеров мира, представлено на Рис. 1. Анализ диаграммы свидетельствует о лидирующем положении США практически во всех областях (энергетическом комплексе, аэрокосмической промышленности, финансовых операциях, производстве, телекоммуникационных системах, Интернете и базах данных), за исключением автомобильной и химической промышленности, где первенство принадлежит Германии. При этом в фармацевтике и на транспорте США практически на равных используют суперЭВМ наряду с Германией и Великобританией.
и т.д.................
Comments