Файл: Реферат по теме Суперкомпьютеры и их применение.docx

«Международная академия бизнеса и новых технологий (МУБиНТ)»

Юриспруденция

Гражданско-правовая

Реферат

по теме: «Суперкомпьютеры и их применение»

Выполнил: студент 22-ЮБ511 группы

Косарев Сергей Александрович

Проверил: Ковырялова Татьяна Николаевна

Ярославль – 2023

Оглавление

Ведение

Еще 10–15 лет назад суперкомпьютеры были чем-то вроде элитарного штучного инструмента, доступного в основном ученым из засекреченных ядерных центров и криптоаналитикам¹ спецслужб. Однако развитие аппаратных и программных средств сверхвысокой производительности позволило освоить промышленный выпуск этих машин, а число их пользователей в настоящее время достигает десятков тысяч. Сегодня использование высокопроизводительных вычислительных систем (суперкомпьютеров) в научных и инженерных проектах является одним из приоритетных направлений технологического развития.

С момента появления первых компьютеров одной из основных проблем, стоящих перед разработчиками, была производительность вычислительной системы. За время развития компьютерной индустрии производительность процессора стремительно возрастала, однако появление все более изощренного программного обеспечения, рост числа пользователей и расширение сферы приложения вычислительных систем предъявляют новые требования к мощности используемой техники, что и привело к появлению суперкомпьютеров. Что же такое суперкомпьютеры, и зачем они нужны?

Рассмотрим особенности, характерные для суперкомпьютеров, проанализируем ход развития суперкомпьютерной техники, современное состояние и возможные перспективы развития, а также области применения.

Таблица 1 Характеристики ПК и ПО, использованных для оформления и выполнения контрольной работы

Характеристики персонального компьютера	Процессор	Intel CORE i5 10400f 2,9 Ghz
	Видеокарта	AORUS GeForce RTX 2070 super
	Оперативная память	Kingstone HYPERX Predator 32gb 3600 Mhz
	Материнская плата	AORUS Gigabyte PRO AX
	Блок питания	SuperFlover 650w gold
Характеристики программного обеспечения	Операционная система	Microsoft Windows 10
	Текстовый редактор	Microsoft Word 2019
Интернет-сайты	Онлайн инструмент	I love PDF

---

Понятие суперкомпьютера

В настоящее время суперкомпьютерами принято называть компьютеры с огромной вычислительной мощностью, предназначенные для высокопроизводительных вычислений.

В принципе, суперкомпьютер — это обычная вычислительная система, позволяющая производить сложные расчеты за более короткие промежутки времени. О чем, собственно, и говорит приставка «Супер»².

Важным показателем производительности компьютера является степень его быстродействия. Она измеряется так называемыми Флопсами (FLOPS)³.

Вокруг попыток дать определение термина «суперкомпьютер» всегда было много споров.

Что такое супер-ЭВМ? Оксфордский толковый словарь по вычислительной технике, изданный в 1986 году, сообщает, что суперкомпьютер — это очень мощная ЭВМ с производительностью свыше 10 MFLOPS (миллионов операций с плавающей запятой в секунду). Сегодня этот результат перекрывают уже не только рабочие станции, но даже, по крайней мере, по пиковой производительности, и ПК⁴.

Однако такой подход к определению супер-ЭВМ не совсем корректен. Более корректно, на наш взгляд, перечислить основные признаки, характеризующие супер-ЭВМ, среди которых кроме высокой производительности следует отметить:

• 
  самый современный технологический уровень;
  
• 
  специфические архитектурные решения, направленные на повышение быстродействия (например, наличие операций над векторами);
  
• 
  цена, обычно свыше 1-2 млн. долл.
  

Из-за большой гибкости самого термина до сих пор распространены довольно нечёткие представления о понятии «суперкомпьютер». Шутливая классификация Гордона Белла и Дона Нельсона, разработанная приблизительно в 1989 году, предлагала считать суперкомпьютером любой компьютер, весящий более тонны. Современные суперкомпьютеры действительно весят более 1 тонны, однако далеко не каждый тяжёлый компьютер достоин чести считаться суперкомпьютером. В общем случае, суперкомпьютер — это компьютер значительно более мощный, чем доступные для большинства пользователей машины. При этом скорость технического прогресса сегодня такова, что нынешний лидер легко может стать завтрашним аутсайдером.

Архитектура также не может считаться признаком принадлежности к классу суперкомпьютеров. Ранние компьютеры CDC⁵ были обычными машинами, всего лишь оснащёнными быстрыми для своего времени скалярными процессорами, скорость работы которых была в несколько десятков раз выше, чем у компьютеров, предлагаемых другими компаниями.

---

История развития суперкомпьютеров

Понятие «суперкомпьютер» существует почти так же долго, как и само представление о компьютере, но началом эры суперкомпьютеров можно, пожалуй, назвать 1976 год, когда появилась первая векторная система Cray 1.

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. Cray-1, был самым быстродействующим на тот момент времени. Работая с ограниченным в то время набором приложений, Cray 1 показала настолько впечатляющие по сравнению с обычными системами результаты, что заслуженно получила название “суперкомпьютер” и определяла развитие всей индустрии высокопроизводительных вычислений еще долгие годы.

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 секунду. Позднее были созданы суперкомпьютеры с ещё большим быстродействием.

Первым отечественным суперкомпьютером является БЭСМ-6, выпущенный в 1967 году под руководством, гениального инженера Сергея Алексеевича Лебедева. 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". 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. Суперскалярная 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.

---

Современный ПК раз в 500 превосходит по быстродействию Cray. Приставка супер- за это время нивелировалась, и сейчас многие избегают термина «суперкомпьютер». Как правило, современные суперкомпьютеры представляют собой большое число высокопроизводительных серверных компьютеров, соединённых друг с другом локальной высокоскоростной магистралью для достижения максимальной производительности в рамках подхода распараллеливания вычислительной задачи.

Безусловно, это уже не те монстры, которые помнят ветераны - новые технологии и требовательный рынок коммерческих применений существенно изменили облик современного суперкомпьютера, теперь это не огромные шкафы с уникальной аппаратурой, вокруг которой колдуют шаманы по информатики, а вполне эргономичные системы с унифицированным программным обеспечением, совместимые со своими младшими собратьями.

Устройство суперкомпьютера

Существуют различные подходы к достижению высокой вычислительной мощности вычислительных установок. Ряд таких подходов можно найти в работе.

В последнее время все большую популярность завоевывают архитектуры MPP⁶ и кластерный принцип построения суперкомпьютеров:

1) используются широкодоступные компоненты – самые обычные процессоры, материнские системные платы (весьма часто двухпроцессорные), модули памяти, жесткие диски;

2) из этих компонентов собирают большое число вычислительных узлов;

3) вычислительные узлы соединяются между собою системной сетью, для этого используются либо существующие технологии высокоскоростных локальных сетей (например, сегодня это Gigabit Ethernet), либо специализированные высокопроизводительные сетевые технологии (Myrinet, SCI, Infiniband и т.п.);

4) системную сеть, как правило, используют только для интеграции вычислительной мощности вычислительных узлов; как правило, это делается за счет реализации при помощи аппаратуры системной сети примитивов MPI⁷;

5) часто кроме системной сети узлы связывают еще различными сетями: вспомогательной сетью, как правило, с протоколом TCP/IP⁸ (используется для передачи файлов и управления узлами); сервисной сетью (например, для управления электропитанием, для мониторинга и управления вычислительными узлами и т. п.)

Основным интерфейсом к суперкомпьютеру для пользователей является планировщик задач. Этот важнейший компонент любого суперкомпьютера выполняет функции распределения вычислительных ресурсов между различными задачами, отслеживает загруженность вычислительных узлов и фактически является распорядителем всего процесса выполнения инженерных расчетов на предприятии. Наличие планировщика задач превращает суперкомпьютер в централизованный вычислительный ресурс для всего предприятия.

---

Вторым важным звеном является вычислительное поле. Современные программные пакеты для инженерных расчетов широко используют методику распараллеливания вычислительных задач. Это позволяет укорить выполнение расчетов, распределив задачи между несколькими серверами вычислительного кластера.

Неотъемлемым компонентом суперкомпьютера является специализированная система хранения. Она должна быть высокопроизводительной, отвечающей высоким требованиям вычислительных задач.

Как и любой вычислительный комплекс, суперкомпьютер обладает типовыми инфраструктурными компонентами, такими как системы администрирования и резервного копирования.

Современные тенденции развития суперкомпьютерной техники

Сейчас в мире идет гонка за экзафлопсом. Дело в том, что по закону Мура, где говорится о двукратном увеличении производительности компьютеров каждые 2 года, наблюдался 10- или 11-летний цикл прироста производительности от гигафлопс до петафлопс. Рубеж 1 петафлопс был преодолён в 2008 году. Тогда же ведущие создатели суперкомпьютеров поставили себе задачу достичь к 2019 году уровня 1 экзафлопс. Но существует проблема. Она состоит в том, что пока не разработаны технологии энергосбережения, которые позволят создать такой суперкомпьютер при разумных затратах труда и денежных средств. Считается, что на данный момент достигнут предел по физическому количеству транзисторов в одном микрочипе, то есть теперь закон Мура перестаёт действовать, и даже если инженеры смогут поставить достаточное количество транзисторов для обеспечения вычислительной мощности компьютеров нового поколения, процессоры будут перегреваться и плавиться. Если же создавать системы с производительностью от 1 экзафлопс по современным технологиям, то для работы только одной из них нужно строить целую электростанцию мощностью более 2 гигаватт, а это сравнимо с энергопотреблением целого города. К тому же при гипотетической реализации проекта неизбежно возникнет проблема надёжности узлов. Чем больше узлов, тем чаще они будут выходить из строя. Такой компьютер с производительностью от 1 экзафлопс будет ломаться непрерывно, и поэтому за данный проект сейчас не возьмётся ни одна организация мира, слишком большие проблемы придётся решать, и это будет слишком дорого стоить. Всё это требует радикальных изменений компьютерной архитектуры, и наиболее важное из них – уменьшение энергопотребления.

---