Как устроены суперкомпьютеры и что они умеют

Современные суперкомпьютеры далеко ушли от первых ЭВМ. Разбираемся, чем такие машины отличаются от обычных ПК, какие задачи решают и где используются.

Чем суперкомпьютеры отличаются от обычных ПК:

● Высокая производительность. Мощность суперкомпьютеров измеряется в петафлопсах (10¹⁵ операций в секунду и выше), тогда как мощность ПК — в гигафлопсах (10⁹).
● Параллельная обработка данных. Суперкомпьютеры могут одновременно выполнять множество операций (так называемый массовый параллелизм) благодаря распределению нагрузки между тысячами процессоров и ядер.
● Уровень энергопотребления. Требуют мегаватты энергии, необходимы специализированные системы энергоснабжения и охлаждения.
● Внушительные размеры. Суперкомпьютер не получится разместить в хоум-офисе, такие машины занимают целые залы или даже здания. Например, суперкомпьютер Summit, который входит в топ-10 самых мощных в мире, занимает площадь около 520 м².

Приблизиться к миру масштабных вычислений и новейших открытий в науке получится, если осмелиться сделать первый шаг и запустить карьеру в желаемой области. Начать поможет бесплатный курс «Старт в IT». Рассказываем про нюансы разных профессий и важные скилы и подсказываем, как избежать типичных ошибок.

Суперкомпьютеры прошли путь от узкоспециализированных машин 1960-х до экзафлопсных систем 2020-х, способных моделировать климат, ядерные реакции и даже работу человеческого мозга. Рассмотрим их эволюцию подробнее.

● 1960-е годы: рождение суперкомпьютеров
В 1964 году Сеймур Крей создаёт супермощный для своего времени компьютер CDC 6600 производительностью 3 мегафлопса, то есть 3 млн операций в секунду. Примечательно, что Крей впервые применил жидкостное охлаждение.

● 1970-е годы: эпоха Крея и векторных вычислений
Учёный не останавливается на достигнутом и в 1976 году проектирует суперкомпьютер Cray-1. Его пиковая производительность составляла уже 133 мегафлопса. Крей собрал центральный процессор из векторных регистров, поэтому компьютер мог очень быстро проводить научные расчёты.

● 1980-е годы: параллельные системы и коммерциализация
В 1982 году команда разработчиков под руководством Стива Чена выпускает первый многопроцессорный суперкомпьютер Cray X-MP на базе модели Cray-1. Производительность нового суперкомпьютера достигала 800 мегафлопсов, в течение двух лет это был самый быстрый компьютер в мире.

Но уже в 1985 году Сеймур Крей представляет модель Cray-2, которая показывает пиковую производительность 1,9 гигафлопса. Весил этот суперкомпьютер больше 3,5 тонн. Суперкомпьютеры становятся коммерческими проектами: лаборатории готовы платить миллионы за новые возможности.

Одновременно Дэнни Хиллис применяет метод массово-параллельной архитектуры и создаёт Connection Machine — суперкомпьютер, состоящий более чем из 65 000 микропроцессоров.

● 1990-е годы: создание первого терафлосного суперкомпьютера
Развитие технологии параллельных вычислений приводит к росту производительности суперкомпьютеров. В 1996–1997 годах компания Intel разрабатывает и устанавливает ASCI Red — первый терафлопсный суперкомпьютер. Его производительность — 1,3 терафлопса, то есть больше триллиона операций в секунду. Скорость выполнения операций обеспечивали более 9000 процессоров.

● 2000–2010 годы: гонка за петафлопсами
В 2008 году суперкомпьютер IBM Roadrunner преодолевает рубеж производительности в один петафлопс. Разработчики использовали гибридную архитектуру, соединив 6120 двухъядерных процессоров Opteron и 12 240 процессоров Cell.

● 2010–2025 годы: эпоха экзафлопсов
Спустя десять лет после преодоления рубежа в один петафлопс IBM в партнёрстве с Nvidia выпускает суперкомпьютер Summit с пиковой производительностью в 200 петафлопсов.

Мощность растёт с невообразимой скоростью: в 2022 году запущен первый в мире экзафлопсный суперкомпьютер Frontier. Два года спустя компании Intel и Cray разработали суперкомпьютер Aurora, который, предположительно, должен преодолеть рубеж в два экзафлопса. На текущий момент рейтинг самых мощных суперкомпьютеров возглавляет El Capitan производительностью 2,79 экзафлопса. Мог ли такое представить Сеймур Крей в далёких 1960-х годах?

Frontier расположен в Ок-Риджской Национальной лаборатории Министерства энергетики США. Источник: wikipedia

Суперкомпьютеры — это вершина вычислительной техники, они позволяют решать сложные научные и промышленные задачи, которые не по силам обычным ПК. Вот в каких сферах их часто применяют:

● Научные исследования — моделирование последствий изменения климата и прогнозирование изменений погоды, изучение термоядерного синтеза и астрофизики (например, симуляция галактик и чёрных дыр), моделирование эволюции Млечного пути и поведения материалов в экстремальных условиях.

● Медицина и биология — расшифровка ДНК, исследование генома, моделирование белков и разработка лекарств, в том числе от COVID-19 и рака.

● Оборона и национальная безопасность — начиная от криптографии и энергетической безопасности и заканчивая ядерными испытаниями в виртуальной среде. Это значит, что время реальных ядерных взрывов на специальных полигонах уходит в прошлое.

● Искусственный интеллект — обучение глубоких нейросетей, например GPT и Stable Diffusion, а также автоматизированное управлением машинами. Так, суперкомпьютер NVIDIA Eos производительностью 18 экзафлопсов применяется для обучения GPT-6 и подобных моделей, а Tesla Dojo — для усовершенствования системы помощи водителям Full Self-Driving и обучения автопилота.

● Финансы и Big Data — алгоритмический трейдинг и анализ рисков, обработка огромных массивов бизнес-данных, например в Google и Amazon, а также оптимизация инвестиционных портфелей.

Суперкомпьютеры — незаменимый инструмент для новых открытий в науке и революционных изменений в самых разных сферах. Повышение производительности и грядущее появление в 2030–2035 годах зеттафлопсных систем (10²¹ операций в секунду) неминуемо приведёт к прогрессу в науке и медицине. Это, в свою очередь, прямо повлияет на жизнь среднестатистического человека: начиная от более точного прогноза погоды и предсказания природных катастроф, например землетрясений, до появления новых лекарств от рака.