Суперкомпютери та їх застосуваня

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія Державної прикордонної служби України імені Б. Хмельницького

Кафедра зв'язку, автоматизації та захисту інформації

Реферат

Суперкомпютери та їх застосуваня

Виконав:

курсант Линник Я.В. 511 НГ

Перевірив:

полковник Мул Д.А.

м. Хмельницький - 2013 р.

1. Що таке суперкомп'ютери і навіщо вони потрібні

Суперкомп'ютери обговорюються вже декілька десятиліть. Ця тема викликає незмінний інтерес не тільки IT-спеціалістів, але й навіть людей, що не мають до IT ніякого відношення. І це зрозуміло - адже сам префікс "супер" говорить, що мова йде про щось незвичайне та видатне.

суперкомп'ютер процесор біоінженерний оборонний

Що таке суперкомп'ютер?

Однозначне формулювання знайти важко. Визначення цього поняття не раз було предметом багаточисельних дискусій, але кінцевого результату не досягнуто й досі.

Власне поняття "суперкомп'ютер" з'явилося в середині 1960-х років, коли комп'ютерів стало досить багато, вони почали відрізнятися за призначенням і потужністю, тому виникла необхідність у їх класифікації.

На різних етапах розвитку комп'ютерної техніки під означення "суперкомп'ютер" потрапляли різні види комп'ютерів. Деякі варіанти класифікації звичайно вже застаріли, інші потребують уточнення.

Наприклад, існує визначення суперкомп'ютера як "комп'ютера з продуктивністю більше Х Y-флопсів". Одразу постає проблема, як визначити цей Х? До того ж зрозуміло, що з кожним роком треба якось коректувати Х і кожні 2-3 роки змінювати Y.

Інша проблема складніша - що таке "продуктивність"? Адже "продуктивність системи" (як характеристики процесу розв'язування конкретних задач) та "швидкодія процесора" (кількість операцій, що виконує процесор) - не одне й те саме. Не кажучи про те, що команда для одноадресної архітектури та команда для трьохадресної - це різні речі. Та що продуктивність багатопроцесорної системи не завжди рівна сумі продуктивностей окремих її процесорів.

До того ж виникає питання: чи не потрапляє в категорію суперкомп'ютерів сучасний ЦОД, особливо якщо його сервери об'єднані середовищем віртуалізації? Чи можна вважати GRID-систему суперкомп'ютером? А може, найбільш потужним суперкомп'ютером є Інтернет?

У 1989 році Гордон Бел та Дон Нельсон запропонували жартівливо вважати суперкомп'ютером будь-який комп'ютер, що важить більше тони. Не дивлячись на жартівливість цього означення, воно виглядає досить реальним та зрозумілим для чіткого виділення суперкомп'ютерів (конкретні вагові показники можна уточнювати).

За аналогією зі звичними визначеннями персонального комп'ютера як такого, що його можна розмістити на письмовому столі, та ноутбука, як такого, що влазить у портфель, можна класифікувати комп'ютери не за технічними характеристиками, а за їх призначенням.

Тоді отримаємо досить сучасні категорії:

· Робочі станції (ПК) - підтримка індивідуальної роботи.

· Сервери та мейнфрейми - багатокористувацькі системи колективного доступу.

· Суперкомп'ютери - розв'язання унікальних складних обчислювальних задач.

Для чого потрібні суперкомп'ютери?

Простий ретроспективний аналіз - де і навіщо використовувалися такі машини - однозначно каже, що мова йде про розв'язання складних математичних обчислювальних задач в межах фундаментальних досліджень та реалізації проектів національного або міжнародного масштабу.

Розшифровка секретних кодів та балістичні розрахунки - основне застосування обчислювачів під час Другої світової війни. Перші прообрази сучасних комп'ютерів створювалися в межах ядерних проектів. Наприклад, найбільш відомі радянські суперкомп'ютери "Ельбрус" були розроблені для реалізації протиракетної оборони країни у 1970-80-ті роки.

Можна згадати про геофізичні дослідження, прогнозування погоди, розшифровку геному людини, створення нових ліків тощо.

Що стосується великих світових бізнес-корпорацій, то вони вже давно зрозуміли переваги та необхідність суперкомп'ютерів і створили власні потужності.

У рейтингу Топ500 найпотужніших комп'ютерних систем світу вже більше 60% інсталяцій належить корпораціям, а не дослідницьким центрам. Насправді ця пропорція ще більше зсунута у бік бізнесу, оскільки не кожна компанія прагне афішувати свої IT-ресурси. Найбільш яскравий приклад бізнесу, що використовує суперкомп'ютерні масштаби IT, - пошукова система Google.

В Google не раз хвалилися, що їх компанія по суті величезний суперкомп'ютер. Її серверні кластери в різних країнах складаються з сотень тисяч вузлів, всього близько мільйона машин. Якби Google захотів довести своюпродуктивність тестами Linpack, то потіснив би у рейтингу немало досить відомих комп'ютерних систем.

Суперкомп'ютерні технології знайшли застосування і в сучасному спорті. Американська команда бобслеїстів стартувала на Олімпіаді у Ванкувері-2010 на бобах, обрахованих на суперкомпьютерах. Боліди Formula 1 вже не можуть обійтися без суперкомп'ютерних обчислень аеродинаміки. У Renault є велика серверна ферма у Енстоуні, у BMW - найбільший комп'ютер у автомобільній індустрії.

Звичайно, сфера застосувань суперкомп'ютерів не обмежується цими галузями, але на даному етапі розвитку промисловості та економіки все ще нечасто для обчислень та моделювання використовують просто комп'ютери, не говорячи вже про суперкомп'ютери.

Отже, проблема не тільки в недостатньому використанні супертехнологій, але й у низькому рівні застосування існуючих засобів автоматизації і моделювання процесів та об'єктів.

2. Області застосування суперкомп'ютерів

Суперкомп'ютери використовуються в усіх сферах, де для вирішення завдання застосовується чисельне моделювання; там, де потрібен величезний обсяг складних обчислень, обробка великої кількості даних в реальному часі, або рішення задачі може бути знайдено простим перебором безлічі значень безлічі вихідних параметрів (метод Монте-Карло). Вдосконалення методів чисельного моделювання відбувалося одночасно з удосконаленням обчислювальних машин: чим складніше були завдання, тим вище були вимоги до створюваних машин; чим швидше були машини, тим складніше були завдання, які на них можна було вирішувати. Спочатку суперкомп'ютери застосовувалися майже винятково для оборонних завдань: розрахунки з ядерної та термоядерної зброї, ядерних реакторів. Потім, у міру вдосконалення математичного апарату чисельного моделювання, розвитку знань в інших сферах науки - суперкомп'ютери стали застосовуватися і в "мирних" розрахунках, створюючи нові наукові дисципліни, як то: чисельний прогноз погоди, обчислювальна біологія і медицина, обчислювальна хімія, обчислювальна гідродинаміка, обчислювальна лінгвістика та ін., - де досягнення інформатики зливалися з досягненнями прикладної науки.

· Математичні проблеми:

· Криптографія

· Статистика

· Фізика високих енергій:

· процеси всередині атомного ядра, фізика плазми, аналіз даних експериментів, проведених на прискорювачах

· розробка і вдосконалення атомної і термоядерної зброї, управління ядерним арсеналом, моделювання ядерних випробувань

· моделювання життєвого циклу ядерних паливних елементів, проекти ядерних і термоядерних реакторів

· Наука про Землю:

· прогноз погоди, стану морів і океанів

· пророкування кліматичних змін та їх наслідків

· дослідження процесів, що відбуваються в земній корі, для передбачення землетрусів і вивержень вулканів

· аналіз даних геологічної розвідки для пошуку і оцінки нафтових і газових родовищ, моделювання процесу вироблення родовищ

· моделювання розтікання річок під час паводку, розтікання нафти під час аварій

· Обчислювальна біологія: фолдінг білка, розшифровка ДНК

· Обчислювальна хімія та медицина: пошук і створення нових ліків

· Фізика:

· газодинамика: турбіни електростанцій, горіння палива, аеродинамічні процеси для створення досконалих форм крила, фюзеляжів літаків, ракет, кузовів автомобілів

· гідродинаміка: потік рідин по трубах, по руслах річок

· матеріалознавство: створення нових матеріалів із заданими властивостями, аналіз розподілу динамічних навантажень в конструкціях, моделювання креш-тестів при конструюванні автомобілів

3. Суперкомп'ютери в Україні

В порівнянні з іншими країнами СНД, Україна має не такі вражаючі суперкомп'ютерні потужності, але і не пасе задніх. Два найбільших українських суперкомп'ютери входять до рейтингу Топ 50 найпотужніших комп'ютерів СНД.

Тор 50 найпотужніших комп'ютерів СНД (Поточний рейтинг 13-та редакція від 21.09.2010)

Але навіть ці потужності ще поки не задіяні повністю. Формально задіяти суперкомп'ютери нескладно - наприклад, розв'язуючи різні абстрактні тестові задачі з обертання величезних матриць (чим і займаються аспіранти, яким треба захищати дисертації з точних наук).

Зрозуміло, що подібні операції мають досить далеке відношення до розв'язування практичних задач. Але ж ефективність застосування комп'ютерів визначається не коефіцієнтом завантаженості процесорів, а кількістю розв'язаних задач кінцевих користувачів.

Наприклад, "використання суперкомп'ютера дозволило скоротити витрати на розвідку нового родовища нафти на 20%". Тоді розрахувати економічний ефект буде просто.

Отже, крім збільшення суперкомп'ютерних потужностей існує проблема недостатнього завантаження вже існуючих суперкомп'ютерів задачами виробництва та економіки.

Ще одна складність полягає в тому, що задіяти можливості суперкомп'ютерів зовсім не так просто. Адже основний ефект при їх застосуванні досягається за рахунок розпаралелювання обчислювальних процесів, а можливості розв'язання такої задачі автоматично, за допомогою тільки програмних засобів, досить обмежені, в тому числі при роботі з моделями, що описуються рівняннями математичної фізики.

Таким чином, використання суперкомп'ютерів потребує, перш за все, досить серйозних інвестицій в розвиток математичного та програмного забезпечення.

Тим не менше, сьогодні в Україні вже досягнуто світового рівня розробки суперкомп'ютерів, та більш високі потужності західних обчислювальних систем визначаються лише фінансовою, а не технічною складовою.

Наприклад, Центр суперкомп'ютерних обчислень НТУУ "КПІ" виконує не тільки внутрішні завдання університету, а й задачі галузевих інститутів, навчальних закладів України та GRID-користувачів з довільної точки світу. Він тісно співпрацює в цьому плані з Інститутом теоретичної фізики та Інститутом математики НАНУ, Національним космічним агентством України тощо.

В Інституті кібернетики ім. В.М. Глушкова Національною академією наук України створено суперкомп'ютерний обчислювальний центр (СОЦ) на базі високопродуктивних кластерних систем СКІТ.

Серед задач, що вирішуються зараз у СОЦ НАНУ, - попередження екологічних катастроф, обробка та інтерпретація геофізичних даних для розвідки нафти та газу, моделювання та прогнозування погоди, а також наслідків шкідливих викидів у атмосферу.

СОЦ успішно розробляє багато інших, більш специфічних технологій, від пошуку оптимального розташування аварійних служб та станцій швидкої допомоги, виявлення проривів нафтопроводів та прогнозування пошкодження посівів зернових до складних технологій протиракетної оборони, попередження терористичних акцій, оцінки інвестиційних проектів, ринкових досліджень тощо.

Обчислювальні потужності СОЦ також використовуються іншими організаціями для проведення більш ресурсомістких розрахунків, наприклад, Інститутом молекулярної біології та генетики НАНУ.

Наші суперкомпьютерні обчислювальні центри розв'язують найважливіші для економіки України завдання, багато з яких раніше вважалися майже нездійсненними. Для більшості розроблених технологій швидкість отримання результатів обчислень є фактором, який повністю визначає їх практичну цінність.

В цих умовах нарощування обчислювальної потужності українських суперкомп'ютерів - задача першочергової важливості, її вирішення забезпечить конкурентоспроможність нової економіки України у ключових галузях.

4. Суперкомп'ютери в сучасному суспільстві

У сучасному світі суперкомп'ютери стали робочим інструментом в наукових дослідженнях та інженерних розрахунках. Академік РАН Веліхов Е.П. назвав їх основною технологічною зброєю XXI ст. Необхідність у високопродуктивних обчислювальних системах зі значним обсягом пам'яті обумовлена ускладненням математичних моделей за рахунок врахування великої кількості досліджуваних факторів, використанням системного підходу в моделюванні (моделюється не один об'єкт, а одночасно група об'єктів та явищ, або середовище в цілому), реалізацією динамічної візуалізації результатів розв'язування прикладних задач та інше. Суперкомп'ютери відіграють важливу роль при розв'язуванні економічних, екологічних, біоінженерних, медичних, бюджетно-фінасових, науково-технічних, оборонних загальнодержавних та інших задач. Вони використовуються для побудови і дослідження кліматичних моделей, прогнозування змін в атмосфері та гідросфері Землі, моделювання побудови білка з амінокислот, аналізу результатів діагностики захворювань людини, розробки нових ліків, проектування нових матеріалів, у генетичному моделюванні тощо, тобто там де для успішного вирішення вагомих прикладних задач і досягнення якісно нових результатів потрібні комп'ютери з надзвичайно високою продуктивністю.

5. Програмне забезпечення суперкомп'ютерів

Найбільш поширеними програмними засобами суперкомп'ютерів, також як і паралельних або розподілених комп'ютерних систем є інтерфейси програмування застосунків (API) на основі MPI і PVM, і рішення на базі відкритого програмного забезпечення, на зразок Beowulf і openMosix, що дозволяє створювати віртуальні суперкомп'ютери навіть на базі звичайних робочих станцій і персональних комп'ютерів. Для швидкого підключення нових обчислювальних вузлів до складу вузькоспеціалізованих кластерів застосовуються технології на зразокZeroConf. Прикладом може служити реалізація рендеринга в програмному забезпеченні Shake, що постачається компанією Apple. Для об'єднання ресурсів комп'ютерів, що виконують програму Shake, досить розмістити їх у загальному сегменті локальної обчислювальної мережі.В даний час кордону між суперкомп'ютерних і загальновживаним програмним забезпеченням сильно розмиті і продовжують розмиватися ще більше разом з проникненням технологій паралелізації і багатоядерності в процесорні пристрої персональних комп'ютерів і робочих станцій. Виключно суперкомп'ютерних програмним забезпеченням сьогодні можна назвати лише спеціалізовані програмні засоби для управління та моніторингу конкретних типів комп'ютерів, а також унікальні програмні середовища, створювані в обчислювальних центрах під "власні", унікальні конфігурації суперкомп'ютерних систем.

Размещено на Allbest.ru