Курсовая работа (т): Характеристика супер-электронной вычислительной машины

Характеристика супер-электронной вычислительной машины

Курсовая работа

Характеристика супер-электронной вычислительной машины

Содержание

Введение

Глава 1. Основные понятия

.1 Понятие суперкомпьютера

.2 Производительность. Программное обеспечение суперкомпьютеров

.3 Сферы применения суперкомпьютеров

Глава 2. Принципы работы и основные характеристики

.1 Принципы работы суперкомпьютера SuperMUC

.2 Основные характеристики суперкомпьютера SuperMUC

.3 Фотоэкскурсия по самому быстрому суперкомпьютеру SuperMUC

Заключение

Используемая литература

Введение

Диалектическая спираль развития компьютерных технологий совершила свой очередной виток - опять, как и десять лет назад, в соответствии с требованиями жизни, в моду входят суперкомпьютерные архитектуры. 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 от информатики, а вполне эргономичные системы с унифицированным программным обеспечением, совместимые со своими младшими собратьями. Рассмотрим основные области применения суперЭВМ и проанализируем особенности различных типов архитектур, характерных для современных суперкомпьютеров.

Что такое суперЭВМ? Оксфордский толковый словарь по вычислительной технике, изданный почти 10 лет назад, 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 ПК. В начале 90-х годов границу проводили уже около отметки в 300 MFLOPS. архитектура параметр применение суперкомпьютер

Однако такой подход к определению суперЭВМ не совсем корректен. Очевидно, что, современный двухпроцессорный компьютер Cray C90 любой здравомыслящий человек назовет суперЭВМ. А тем не менее, его пиковая производительность меньше 2 GFLOPS. С этим вопросом тесно связаны и ограничения (ранее - КОКОМ, теперь - Госдепартамента США) на поставку высокопроизводительных средств вычислительной техники другим странам. Компьютеры с производительностью свыше 10000 млн. теоретических операций в сек. (MTOPS), согласно определению Госдепартамента США, считаются суперкомпьютерами.

Более корректно перечислить основные признаки, характеризующие суперЭВМ, среди которых кроме высокой производительности следует отметить:

самый современный технологический уровень (например, GaAs-технология);

специфические архитектурные решения, направленные на повышение быстродействия (например, наличие операций над векторами);

цена, обычно свыше 1-2 млн. долл.

В телеконференции USENET по суперкомпьютерам в связи с быстрым прогрессом в технологии RISC-микропроцессоров и соответствующим ростом их производительности был как-то задан вопрос: когда рабочая станция превратится в суперЭВМ? На что последовал ответ: "Когда она будет стоить свыше 1 млн. долларов". Для иллюстрации можно отметить, что компьютер Cray-1 в свое время стоил около 8 млн. долларов, а анонсированные в этом году суперкомпьютеры Сгау Т90, имеющие намного более высокую производительность, - от 2.5 до 35 млн. долл. Стоимость создания суперкомпьютерной MPP-системы в проекте лаборатории Sandia Министерства энергетики США составляет около 46 млн. долларов.

С точки зрения архитектуры мини суперкомпьютеры не представляют собой некоторое особенное направление, поэтому в дальнейшем они отдельно не рассматриваются.

Глава 1. Основные понятия

.1 Понятие суперкомпьютера

Суперкомпьютер - вычислительная установка, ЭВМ мелкосерийного или штучного выпуска, многократно превосходящая по вычислительной мощности массово выпускаемые компьютеры, когда быстродействие измеряется в миллионах/триллионах операций в секунду. Суперкомпьютер - машина, нацеленная прежде всего на масштабные вычисления больших объемов разнородных или однородных данных, а значит на снижение времени выполнения сложных, как правило, инженерных или научных расчетов. Нужна для различных сложных задач - от предсказания прогноза погоды до моделирования ядерных взрывов или нефтескважин.

Мир суперкомпьютеров становится весьма профессиональным и технологичным. За минувшие несколько лет оказалась полностью исчерпана возможность установить рекорды путем незамысловатого объединения стандартным межсоединением немыслимого количества процессоров, в том числе графических, с затратой столь же огромного количества энергии. Об этом свидетельствуют успехи корпорации IBM, ее компьютеры BlueGene/Q заняли в 2012 году четыре почетных места в первой десятке новой версии суперкомпьютерного рейтинга Top500, в том числе и первое (а в общей сложности в Top500 попали 20 систем с этой архитектурой). Тираж - вот в чем качественное отличие Sequoia и его младших братьев от прежнего лидера, Fujitsu K Computer.

Наблюдается явный спад интереса к графическим процессорам. В компьютерной отрасли они способны обеспечить более высокую скорость решения отдельных задач, но не могут лечь в основу магистрального пути развития из-за очевидных проблем с распараллеливанием. На данный момент ускорители стоят всего в 58 машинах из Top500, из них в 53 - Nvidia Fermi, по два - IBM Cell и ATI Radeon и пока всего один - Intel MIC.

Повышенный интерес к межсоединениям на базе высокоскоростных коммутаторов. Теперь эта технология доступна не только таким крупным компаниям, как IBM, SGI и Cray, но и менее известным, среди них европейские Eurotech и Extoll, есть свои разработки в Японии, Индии и России. Подобные решения имеют стратегическое значение, а потому они не попадают в категорию "продуктов с полки", их можно либо приобрести в составе компьютера, либо разрабатывать самостоятельно. В 2010 году первые машины на коммутаторах вошли в Top 500, а сегодня их более 50, причем они занимают верхнюю часть списка.

1.2 Производительность. Программное обеспечение суперкомпьютеров

Производительность

Производительность суперкомпьютеров чаще всего оценивается и выражается в количестве операций с плавающей точкой в секунду (FLOPS). Это связано с тем, что задачи численного моделирования, под которые и создаются суперкомпьютеры, чаще всего требуют вычислений, связанных с вещественными числами с высокой степенью точности, а не целыми числами. Поэтому для суперкомпьютеров неприменима мера быстродействия обычных компьютерных систем - количество миллионов операций в секунду (MIPS). При всей своей неоднозначности и приблизительности, оценка в флопсах позволяет легко сравнивать суперкомпьютерные системы друг с другом, опираясь на объективный критерий.

Первые суперкомпьютеры имели производительность порядка 1 кфлопс, т.е. 1000 операций с плавающей точкой в секунду. Компьютер CDC 6600, имевший производительность в 1 миллион флопсов (1 Мфлопс) был создан в 1964 году. Планка в 1 миллиард флопс (1 Гигафлопс) была преодолена суперкомпьютером NEC SX-2 в 1983 с результатом 1.3 Гфлопс. Граница в 1 триллион флопс (1 Тфлопс) была достигнута в 1996 году суперкомпьютером ASCI Red. Рубеж 1 квадриллион флопс (1 Петафлопс) был взят в 2008 году суперкомпьютером IBM Roadrunner. Сейчас ведутся работы по созданию к 2016 году экзафлопсных компьютеров, способных выполнять 1 квинтиллион операций с плавающей точкой в секунду.

Программное обеспечение суперкомпьютеров

Наиболее распространёнными программными средствами суперкомпьютеров, также как и параллельных или распределённых компьютерных систем являютсяинтерфейсы программирования приложений (API) на основе MPI и PVM, и решения на базе открытого программного обеспечения, наподобие Beowulf и openMosix, позволяющего создавать виртуальные суперкомпьютеры даже на базе обыкновенных рабочих станций и персональных компьютеров. Для быстрого подключения новых вычислительных узлов в состав узкоспециализированных кластеров применяются технологии наподобие ZeroConf. Примером может служить реализация рендеринга в программном обеспечении Shake, распространяемом компанией Apple.

Для объединения ресурсов компьютеров, выполняющих программу Shake, достаточно разместить их в общем сегменте локальной вычислительной сети.

В настоящее время границы между суперкомпьютерным и общеупотребимым программным обеспечением сильно размыты и продолжают размываться ещё более вместе с проникновением технологий параллелизации и многоядерности в процессорные устройства персональных компьютеров и рабочих станций.

Исключительно суперкомпьютерным программным обеспечением сегодня можно назвать лишь специализированные программные средства для управления и мониторинга конкретных типов компьютеров, а также уникальные программные среды, создаваемые в вычислительных центрах под "собственные", уникальные конфигурации суперкомпьютерных систем.

.3 Сферы применения суперкомпьютеров

Для каких применений нужна столь дорогостоящая техника? Может показаться, что с ростом производительности настольных ПК и рабочих станций, а также серверов, сама потребность в суперЭВМ будет снижаться. Это не так. С одной стороны, целый ряд приложений может теперь успешно выполняться на рабочих станциях, но с другой стороны, время показало, что устойчивой тенденцией является появление все новых приложений, для которых необходимо использовать суперЭВМ.

Прежде всего следует указать на процесс проникновения суперЭВМ в совершенно недоступную для них ранее коммерческую сферу. Речь идет не только скажем, о графических приложениях для кино и телевидения, где требуется все та же высокая производительность на операциях с плавающей запятой, а прежде всего о задачах, предполагающих интенсивную (в том числе, и оперативную) обработку транзакций для сверхбольших БД. В этот класс задач можно отнести также системы поддержки принятия решений и организация информационных складов. Конечно, можно сказать, что для работы с подобными приложениями в первую очередь необходимы высокая производительность ввода-вывода и быстродействие при выполнении целочисленных операций, а компьютерные системы, наиболее оптимальные для таких приложений, например, MPP-системы Himalaya компании Tandem, SMP-компьютеры SGI CHAL ENGE, AlphaServer 8400 от DEC - это не совсем суперЭВМ. Но следует вспомнить, что такие требования возникают, в частности, со стороны ряда приложений ядерной физики, например, при обработке результатов экспериментов на ускорителях элементарных частиц. А ведь ядерная физика - классическая область применения суперЭВМ со дня их возникновения.

Как бы то ни было, наметилась явная тенденция к сближению понятий "мэйнфрейм", "многопроцессорный сервер" и "суперЭВМ". Нелишне заметить, что это происходит на фоне начавшегося во многих областях массированного перехода к централизации и укрупнению в противоположность процессу разукрупнениями децентрализации.

Традиционной сферой применения суперкомпьютеров всегда были научные исследования: физика плазмы и статистическая механика, физика конденсированных сред, молекулярная и атомная физика, теория элементарных частиц, газовая динамика и теория турбулентности, астрофизика. В химии - различные области вычислительной химии: квантовая химия (включая расчеты электронной структуры для целей конструирования новых материалов, например, катализаторов и сверхпроводников), молекулярная динамика, химическая кинетика, теория поверхностных явлений и химия твердого тела, конструирование лекарств. Естественно, что ряд областей применения находится на стыках соответствующих наук, например, химии и биологии, и перекрывается с техническими приложениями. Так, задачи метеорологии, изучение атмосферных явлений и, в первую очередь, задача долгосрочного прогноза погоды, для решения которой постоянно не хватает мощностей современных суперЭВМ, тесно связаны с решением ряда перечисленных выше проблем физики. Среди технических проблем, для решения которых используются суперкомпьютеры, задачи аэрокосмической и автомобильной промышленности, ядерной энергетики, предсказания и разработки месторождений полезных ископаемых, нефтедобывающей и газовой промышленности (в том числе проблемы эффективной эксплуатации месторождений, особенно трехмерные задачи их исследования), и, наконец, конструирование новых микропроцессоров и компьютеров, в первую очередь самих суперЭВМ.

Суперкомпьютеры традиционно применяются для военных целей. Кроме очевидных задач разработки оружия массового уничтожения и конструирования самолетов и ракет, можно упомянуть, например, конструирование бесшумных подводных лодок и др. Самый знаменитый пример - это американская программа СОИ. Уже упоминавшийся MPP-компьютер Министерства энергетики США будет применяться для моделирования ядерного оружия, что позволит вообще отменить ядерные испытания в этой стране.

Анализируя потенциальные потребности в суперЭВМ существующих сегодня приложений, можно условно разбить их на два класса. К первому можно отнести приложения, в которых известно, какой уровень производительности надо достигнуть в каждом конкретном случае, например, долгосрочный прогноз погоды. Ко второму можно отнести задачи, для которых характерен быстрый рост вычислительных затрат с увеличением размера исследуемого объекта. Например, в квантовой химии неэмпирические расчеты электронной структуры молекул требуют затрат вычислительных ресурсов, пропорциональных N^4 или N^5, где N условно характеризует размер молекулы. Сейчас многие молекулярные системы вынужденно исследуются в упрощенном модельном представлении. Имея в резерве еще более крупные молекулярные образования (биологические системы, кластеры и т.д.), квантовая химия дает пример приложения, являющегося "потенциально бесконечным" пользователем суперкомпьютерных ресурсов.

Есть еще одна проблема применения суперЭВМ, о которой необходимо сказать - это визуализация данных, полученных в результате выполнения расчетов. Часто, например, при решении дифференциальных уравнений методом сеток, приходится сталкиваться с гигантскими объемами результатов, которые в числовой форме человек просто не в состоянии обработать. Здесь во многих случаях необходимо обратиться к графической форме представления информации. В любом случае возникает задача транспортировки информации по компьютерной сети. Решению этого комплекса проблем в последнее время уделяется все большее внимание. В частности, знаменитый Национальный центр суперкомпьютерных приложений США (NCSA) совместно с компанией Silicon Graphics ведет работы по программе "суперкомпьютерного окружения будущего". В этом проекте предполагается интегрировать возможности суперкомпьютеров POWER CHALLENGE и средств визуализации компании SGI со средствами информационной супермагистрали.

Глава 2. Принципы работы и основные характеристики

.1 Принципы работы суперкомпьютера SuperMUC

SuperMUC находится на шестой позиции в рейтинге Top 500 мощнейших суперкомпьютерных систем в мире по данным на ноябрь 2012 г. Производительность системы составляет 2,8 петафлопс. SuperMUC был разработан компанией IBM и установлен в Суперкомпьютерном Центре им. Лейбница, который служит главным компьютерным центром для Мюнхенских университетов и Баварской Академии Наук.

Суперкомпьютер создан на базе IBM iDataPlex и использует 155000 процессорных ядер. В системе установлено 18432 процессора Intel Xeon E5-2680 и 820 процессоров Intel Xeon E7-4870. Объем оперативной памяти составляет 340ТБ. Для хранения данных доступно более 10ТБ дискового пространства под управлением файловой системы IBM GPFS. Интересной особенностью суперкомпьютера является разработанная IBM система охлаждения Aquasar, которая охлаждает процессоры горячей водой с температурой до 40°С, что позволяет сократить общее энергопотребление на 40%.

состоит из большого числа "тонких" вычислительных узлов средней мощности, каждый из которых обладает пиковой производительностью в несколько сотен гигафлопс, и нескольких десятков мощных "толстых" вычислительных узлов, оснащенных большим объемом разделяемой памяти. Сетевое соединение узлов позволяет добиться идеального линейного масштабирования приложений вплоть до уровня в 10 000 задач.

В составе SuperMUC находится 18 блоков с "тонкими" узлами и один блок с "толстыми" узлами, который также применяется для поддержки системы миграции SuperMIG. Каждый блок содержит более 8192 ядер. Все вычислительные узлы в рамках одного блока соединяются посредством технологии Infiniband с полностью неблокируемой архитектурой (FDR10 в случае тонких узлов / QDR для толстых узлов). SuperMUC работает под управлением ОС SUSE Linux Enterprise Server, позволяющей выполнять частотное масштабирование.

"SuperMUC работает во много раз эффективнее своего предшественника. Мы используем частотное масштабирование, являющееся функцией ядра Linux в системе SUSE Linux Enterprise там, где это возможно. Это позволяет нам запускать приложения в наиболее оптимальном режиме. Мы стараемся задействовать новые средства обеспечения энергоэффективности, встраиваемые в Linux", - сообщил Герберт Губер, глава подразделения высокопроизводительных систем Суперкомпьютерного Центра им. Лейбница.использует революционную схему водяного охлаждения, разработанную IBM. Активные компоненты, такие, как процессор и память, напрямую охлаждаются водой с рабочей температурой вплоть до 40°С. "Система высокотемпературного жидкостного охлаждения" в сочетании с инновационным программным обеспечением позволяет существенно снизить энергопотребление системы. Более того, отработанное тепло используется для отопления зданий Суперкомпьютерного Центра.