История и тенденции развития компьютеров улучшение характеристик компьютеров суперкомпьютеры кратко

Обновлено: 30.06.2024

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.

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 K 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.

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:

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.

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.

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.

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.

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.

Железо и софт

Вычислительная мощность суперкомпьютеров влечет за собой чрезвычайную сложность аппаратного и программного обеспечения.

Питание и охлаждение

Питание и охлаждение - наиболее очевидная проблема. Суперкомпьютеры собираются из большого количества параллельно подключенных процессоров, потребление которых аналогично потреблению компьютеров, обычно доступных на рынке. Из-за размеров всей системы их потребление огромно, что предъявляет высокие требования к внутренней электропроводке, которую необходимо охлаждать. В некоторых случаях сверхпроводящие материалы используются в сочетании с охлаждением до температуры, близкой к абсолютному нулю . Охлаждение самих процессоров - тоже непростая задача. Сегодня наиболее распространенным методом является использование гидравлического контура. Иногда используют азотное или гелиевое охлаждение.

Большой объем передаваемых данных

Еще одна проблема - это большой объем передаваемых данных. Сети должны иметь огромную пропускную способность и в то же время быть достаточно быстрыми. Однако их скорость ограничена скоростью распространения электромагнитного импульса. Будь то оптическая или металлическая сеть, скорость передачи данных ограничена скоростью света. Даже оперативная память должна быть достаточно большой, быстрой и близкой.

Высокие частоты

Еще одна проблема - высокие частоты порядка ГГц. На высоких электрических частотах импульс теряет способность распространяться даже по очень коротким проводникам. Это потому, что каждый проводник становится почти идеальной антенной, если его длина составляет не менее половины длины волны эл. сигнал в этом проводе. Следовательно, необходимо выполнять все соединения с использованием линий или волноводов, что, однако, предъявляет высокие требования к конструкции и использованию материалов.

Технологии из мира суперкомпьютеров

Неравномерный доступ к памяти (NUMA)

Чередующиеся диски (позже называемые RAID )

Параллельные файловые системы

Программного обеспечения

Программные инструменты, необходимые для параллельных и распределенных процессов, требуют специальных технологий. Например, стандартные API, такие как MPI , PVM или кластерные решения с открытым исходным кодом, такие как Beowulf , WareWulf , openMosix . Эти инструменты, соответственно, позволят создать суперкомпьютер. кластер, из нескольких связанных между собой рабочих станций. ZeroConf (Rendezvous / Bonjour) технологии используются для создания кластеров однооперационных для специализированного программного обеспечения , таких как встряска от Apple (редактирование изображений и создание). В этой области является программным обеспечением с открытым исходным кодом на том же уровне, что и коммерческое.

Программирование

Параллельная архитектура напрямую требует использования специальных методов и инструментов, чтобы максимально использовать доступную производительность. Часто используются специальные компиляторы для языка Fortran , которые генерируют более быстрый код, чем компиляторы C и C ++ . Язык программирования Fortran предназначен непосредственно для научных и технических расчетов. Для разработки параллелизма используются такие среды, как PVM , MPI или OpenMP

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Описание презентации по отдельным слайдам:

ИСТОРИЯ И ТЕНДЕНЦИЯ РАЗВИТИЯ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА Талашова Е.П 2015 год

Первое поколение ЭВМ В период 1945 – 1954гг. ЭВМ создавались на основе вакуумных электроламп, машина управлялась с пульта и перфокарт с использованием машинных кодов. БЭСМ-1

Второе поколение В период 1955 – 1964гг. принцип работы ЭВМ основан на транзисторных элементах. Подробнее… БЭСМ-6

Третье поколение ЭВМ В период 1965 – 1970гг. основным элементом были интегральные схемы IBM-360

Четвертое поколение ЭВМ Поколение 1970-1984гг. связано с развитием микропроцессорной техники. Intel-4004 Первый микро процессор Вид без корпуса:

Характеристика ЭВМ различных поколений Рост производительности компьютеров ХарактеристикаПервое поколениеВторое поколениеТретье поколениеЧетвертое поколение Годы применения1946-19601960-19641964-19701970-1984 Основной элементЭлектронная лампаТранзисторИнтегральная схема (ИС)Большая ИС (БИС) Быстродействие1000 оп/сек100000 оп/сек10000000 оп/сек1010 оп/сек Носитель информацииПерфокартыМагнитные лентыМагнитные дискиГМД, CD, DVD, флеш

Рост производительности компьютеров Подробнее…

ЭВМ пятого поколения Понимают во многих смыслах, например база для создания устройств, способных к имитации мышления; описание систем облачных вычислений. Подробнее…

Суперкомпьютеры специализированная вычислительная машина, значительно превосходящая по своим техническим параметрам и скорости вычислений большинство существующих в мире компьютеров.

Области применения суперкомпьютеров Математические проблемы: криптография, статистика; Физика высоких энергий: разработка и совершенствование атомного и термоядерного оружия, управление ядерным арсеналом, моделирование ядерных испытаний; Наука о Земле: прогноз погоды, состояния морей и океанов, предсказание климатических изменений и их последствий; Вычислительная биология: фолдинг белка, расшифровка ДНК и т.д. подробнее

Суперкомпьютеры Запуск в NUDT (National University of Defense Technology, Changsha, Китай) суперкомпьютер Tianhe-2 с производительностью 54,9 пертафлоп/c. Его изготовление обошлось в 290 млн. долларов. При его разработке использовано 32,000 многоядерных процессоров Intel Xeon (3120000 ядер).

Рост информационных объемов В 1980 году гигабайт данных занимал целую комнату, сейчас память с емкостью 200 гигабайт поместится к кармане. Рост объемов информации по годам

Аналитик компании IDC оценивает, что объем данных каждый год растет на 60%, предсказывает, что ‘цифровая вселенная’ вырастет до 1.8 зеттабайт (1021байт) в 2011 г, на 47% по отношению к 2010 г, и превышает 7 ZB к 2015 году. 1 зеттабайт = 50 библиотекам Конгресса США.

Квантовый компьютер Вычислительное устройство, работающее на основе квантовой механики. Квантовый компьютер принципиально отличается от классических компьютеров, работающих на основе классической механики.

Квантовый компьютер Квантовый процессор D-wave Квантовый компьютер

Параллельные вычисления процессы решения задач, в которых в один и тот же момент времени могут выполняться одновременно несколько вычислительных операций. Параллельные вычисления составляют основу суперкомпьютерных технологий и высокопроизводительных расчетов

Необходимость параллельных вычислений Теоретическая ограниченность роста производительности последовательных компьютеров Резкое снижение стоимости многопроцессорных (параллельных) вычислительных систем ПК на базе четырехядерного процессора Intel Core 2 Quad – 20 GFlops ($1500), Персональный мини-кластер T-Edge Mini на базе четырехядерных процессоров Intel Xeon – 240 GFlops ($20000) Смена парадигмы построения высокопроизводительных процессоров - многоядерность

Значимость параллельных вычислений Невозможность натурных экспериментов: изучение процессов при ядерном взрыве или серьезных воздействий на природу Изучение влияния экстремальных условий (температур, магнитных полей, радиации и др.) — старение материалов, безопасность конструкций, боевое применение Науки о жизни — изучение генома человека, разработка новых лекарственных препаратов и т.п. Науки о Земле — обработка геоинформации: полезные ископаемые; селевая, сейсмическая и т.п. безопасность, прогнозы погоды, модели изменения климата. Моделирование при разработке новых технических устройств — инженерные расчеты

Пример параллельных вычислительных систем Кластеры. Вычислительный кластер ННГУ 2007, Модернизация в рамках Инновационной образовательной программы ННГУ: 64 вычислительных сервера, каждый из которых имеет 2 двухядерных процессора Intel Core Duo 2,66 GHz, 4 GB RAM, 100 GB HDD, 1 Gbit Ethernet card, пиковая производительность ~3 Tflops операционная система Microsoft Windows. Подробнее Распределённые вычисления

Распределённые вычисления это способ выполнения каких-либо расчётов путём их разделения между множеством компьютеров.

Жесткие диски с заполнением гелием Гелиевое заполнение понижает трение, на 23% снижается потребление энергии, а емкость повышается на 40%. Температура драйва при этом также понижается на несколько градусов. Ожидается, что к 2016 году будет использоваться более 100 млн. жестких дисков с гелиевым заполнением.

Поколения мобильной телефонии Мобильная связь — это радиосвязь между абонентами, местоположение одного или нескольких из которых меняется. Одним из видов мобильной связи является сотовая связь. Подробнее о поколении сетей

Технология для сетей 5 поколения 5G Поколение1G2G2,5G3G3,5G4G Начало разработок1970198019851990

Суперкомпьютеры изначально создавались для трудоемких математических расчетов, поэтому их быстродействие определяется способностью работать с вещественными числами. Абстрактные цифры количества используемых процессоров, их тактовых частот, объема оперативной памяти в данной области заказчиков интересуют мало. Эталоном для измерения производительности суперкомпьютера служат тесты LINPACK BENCHMARK, предложенные Джеком Донгаррой (Jack Dongarra). Эталонные тесты LINPACK основаны на решении системы линейных уравнений с плотно заполненной матрицей коэффициентов над полем действительных чисел методом исключения Гаусса. Результатом работы теста являются два числа – достигнутое количество операций в секунду и реальная производительность системы в процентах от пиковой, максимально возможной для данного компьютера. Обычно реальная производительность на тестах LINPACK колеблется в промежутке от 60 до 80%.

Кому же принадлежит сегодня пальма первенства в мире суперкомпьютеров? На первом месте в июньском рейтинге Top-500 – компьютер Roadrunner производства IBM. Введенный в строй в 2008 году, этот монстр имеет 98 терабайт оперативной памяти и быстродействие на пике 1375 Тфлопс (или 1,3 Пфлопс – 1,3 квадриллиона операций в секунду). Любопытен выбор процессоров для лидера – процессор PowerXCell 8i 3.2 Ghz (всего 12240 единиц) изначально был разработан для Sony Playstation 3. В системе он работает в связке с двухъядерным AMD Opteron (всего 6562 единицы). Основное назначение – обсчет процессов, происходящих в ядерных зарядах армии США, с целью обеспечения безопасности и боеготовности ядерного оружия. Второе и третье место в этом престижном рейтинге тоже принадлежит IBM – оно досталось суперкомпьютерам серии BlueGene. Правда, их вычислительная мощность даже на пике едва дотягивает до 0,5 Пфлопс. Всего в первой десятке – пять суперкомпьютеров IBM, два – Hewlett Packard, по одному – SGI, Cray Inc. и Sun Microsystems.

Но вернемся к теме настольных суперкомпьютеров. Все таки 25 000 долларов для обычного человека – это немало. Пока не появились суперкомпьютеры дешевле, ученые и фанаты компьютеров решают проблему быстрых вычислений по-другому. Астрофизик Гаурав Ханна из Массачусетского университета собрал суперкомпьютер из 16 приставок Sony PlayStation 3. Ученый соединил приставки недорогим Ethernet-адаптером, а работает этот кошмар игромана под операционной системой Linux. Жаль, не получается найти данных о производительности данной системы.

Другой вариант – использование в качестве суперкомпьютера сборки современных видеокарт. К примеру, исследователи, работающие в университете Антверпена, создали суперкомпьютер на базе четырех видеоадаптеров NVIDIA GeForce 9800 GX2. Этот суперкомпьютер использует исследовательская группа ASTRA, задачей которой является разработка вычислительных методов томографии. По словам участников группы, восемь графических процессоров NVIDIA обеспечили более высокую производительность, чем сборка из 300 процессоров Intel Core 2 Duo, работающих на частоте 2,4 ГГц. Новая система решает задачи быстрее и потребляет энергии гораздо меньше, чем подобный суперкомпьютерный кластер. И неудивительно – современные графические процессоры как нельзя лучше подходят для организации параллельных вычислений; даже странно как-то использовать подобную мощь только для игр.

Подводя итоги этого краткого экскурса, можно отметить: суперкомпьютеры не только не думают исчезать, напротив, они все больше и больше проникают в нашу жизнь, постепенно превращаясь из сердца крупного вычислительного центра в инструмент на рабочем столе конструктора, инженера, ученого. Навстречу им движется ветвь эволюции персональных компьютеров, постепенно наращивая количество ядер, объем памяти, быстродействие. Хотя справедливости ради отмечу, что чаще всего подобная вычислительная мощность в быту избыточна. Но это — уже совсем другая тема.

Обзор ноутбука Prestigio Smartbook 133 C4

В современную эпоху портативных компьютеров с большими экранами (16-17 дюймов) герой нашего обзора — ноутбук Prestigio.

Обзор игровой клавиатуры SteelSeries Apex 7

SteelSeries Rival 650 Wireless – чувствительный грызун для геймера

Компания SteelSeries представила свою новинку – игровую беспроводную мышь SteelSeries Rival 650 Wireless с поддержкой технологии.