HIPERKOMPUTER.pdf

hiper komputer

Thomas Sterling

Symulacje, rozwizywanie najwaýniejszych problemw ludzkoæci

i innych skomplikowanych zadaÄ wymagaj

znacznie szybszych superkomputerw

Zdj«cia: Olivier Laude

Jak zbudowa

SUPERKOMPUTERY

NAST¢PNEJ GENERACJI

OBECNE SUPERKOMPUTERY s zbyt wolne w sto-

sunku do potrzeb wsp¸czesnej nauki. Mimo rewolucji w ko-

munikacji i informatyce nie potrafi sprosta wielu wyzwa-

niom, zwizanym z rozwizywaniem zagadnieÄ numerycznych

kluczowych dla zdrowotnoæci, dobrobytu, bezpieczeÄstwa

i rozwoju ludzkoæci. Prze¸om w tak waýnych dziedzinach, jak

klimatologia, medycyna, nauki biologiczne, kontrolowana

synteza termojdrowa, obrona, nanotechnologia, zaawanso-

wana inýynieria i handel, zaleýy od powstania maszyn co naj-

mniej tysic razy szybszych niý najbardziej zaawansowane

wsp¸czesne superkomputery [ ramka na stronie 55 ].

Rozwizanie niebywale z¸oýonych problemw zaleýy od

wiernego, niezawodnego, a cz«sto d¸ugotrwa¸ego symulowa-

nia i modelowania procesw. Przekracza to wyranie moýli-

woæci dost«pnych superkomputerw, ktre s zdolne wyko-

nywa co najwyýej kilka bilionw operacji zmiennoprzecin-

kowych (dzia¸aÄ arytmetycznych) na sekund« (teraflopy). I tak

na przyk¸ad najwi«kszy istniejcy dziæ system potrzebowa¸by

ponad 100 lat, by przeprowadzi pe¸ne obliczenia fa¸dowania

bia¸ka. Aby wykona podobne zadania, naukowcy potrzebuj

hiperkomputerw o szybkoæci petaflopw, czyli realizujcych

przesz¸o biliard operacji zmiennoprzecinkowych na sekund«.

Obecnie najbardziej zaawansowane superkomputery s nie

tylko zbyt wolne, ale takýe za drogie. Trzyteraflopowe (maksy-

malna wydajnoæ) komputery Blue naleýce do systemu za-

rzdzania zasobami broni jdrowej Stanw Zjednoczonych

(ASCI Ð Accelerated Strategic Computer Initiative) kosztowa-

¸y z grubsza po 120 mln dolarw kaýdy. Stosunek ceny do ich

wydajnoæci szczytowej wynosi wi«c 40 dolarw za megaflop

(milion flopw), czyli 10 razy wi«cej niý w najlepszych kom-

puterach osobistych. Ale na tym nie koniec kosztw. Roczne

op¸aty za energi« elektryczn zuýyt przez system mog prze-

kroczy milion dolarw. Utrzymanie hal o duýej kubaturze to

takýe znaczny wydatek. Trudno teý pomin honoraria pro-

gramistw tworzcych z¸oýony kod dla tych maszyn.

Mimo godnej podziwu szybkoæci dzia¸ania moc obliczenio-

wa zaawansowanych systemw nie jest wykorzystywana efek-

tywnie. Ich sprawnoæ jest zdumiewajco niska Ð zazwyczaj

25%, a w niektrych zastosowaniach spada nawet do 1%.

SZYBKI KOMPUTER: system Blue o wydajnoæci trzech teraflopw

Ð jeden z elementw Accelerated Strategic Computer Initiative

zainstalowany w Lawrence Livermore National Laboratory Ð pomaga

utrzymywa w stanie gotowoæci zapasy broni jdrowej.

SZYBKIE UKüADY SCALONE: inýynierowie

w zak¸adach TRW Space Park w Redondo

Beach w Kalifornii nak¸adaj na pod¸oýa

krzemowe cienkie warstwy nadprzewodnika,

pos¸ugujc si« technik rozpylania jonowego.

Jest to jeden z etapw wytwarzania

prototypowych procesorw

nadprzewodnikowych.

¸oæci. Podstawowe sk¸adowe HTMT po-

wsta¸y dzi«ki pomocy finansowej NASA,

National Security Agency, National

Science Foundation oraz Defense Ad-

vanced Research Projects Agency; stwo-

rzenie dzia¸ajcego prototypu wymaga

dalszego finansowania przez rzd.

Jak na ironi«, wielki sukces techniki

komputerowej obnaýa jej s¸abe strony.

Pod koniec lat siedemdziesitych wydaj-

noæ komputerw osobistych umoýli-

wia¸a tworzenie jedynie prostych gier

zr«cznoæciowych. îwczesne systemy do

rozwizywania zadaÄ naukowych mia-

¸y wydajnoæ kilkudziesi«ciu megaflo-

pw i kosztowa¸y ponad 40 mln dola-

rw. Dla porwnania: dost«pne dziæ za

mniej niý 2 tys. dolarw komputery oso-

biste maj lepsz wydajnoæ.

Z perspektywy czasu stwierdzamy, ýe

budowanie superkomputerw zwi«kszy-

¸o wydajnoæ przetwarzania dzi«ki za-

stosowaniu zaawansowanych technologii

i architektury dostosowanej do specyficz-

nych zadaÄ. Niestety, efektem ubocznym

sta¸ si« wzrost ceny. Olbrzymie koszty

i d¸ugi czas projektowania sprawi¸y, ýe

odpowiedni segment rynku prawie si«

nie rozwija¸ w przeciwieÄstwie do innych

dzia¸w przemys¸u komputerowego, kt-

re niemal eksplodowa¸y. Koszty windu-

jce ceny ogranicza¸y rynek na super-

komputery, a w konsekwencji inwestycje

w t« technik«, prowadzc do klasycznej

handlowej spirali æmierci.

Mimo prb wprowadzenia rozwizaÄ

alternatywnych Ð w tym indywidualnej

architektury wektorowej komputerw

(pozwala ona efektywnie wykona poje-

dyncze operacje na cigach liczb dzi«ki

potokowemu dost«powi do pami«ci

i arytmetycznych jednostek funkcjonal-

nych) oraz pot«ýnych systemw rwno-

leg¸ych w postaci wielkich macierzy

wsp¸pracujcych mikroprocesorw Ð

koszty nadal by¸y wysokie, a efektywnoæ

w wielu zastosowaniach niska. W cigu

minionych dwchÐtrzech lat wiele ze-

spo¸w zbudowa¸o wysoce rwnoleg¸e

komputery oglnego przeznaczenia, kt-

Hybrydowa technologia wielowtko-

wa (HTMT Ð hybrid technology multith-

readed) to pomys¸ na komputery nowej

klasy o stokrotnie wi«kszych moýliwo-

æciach niý wsp¸czesne zaawansowane

maszyny, bez koniecznoæci podnoszenia

ceny, zwi«kszania zuýycia energii i ga-

barytw. W przysz¸oæci ich rozwj moýe

zaowocowa przekroczeniem biliarda

flopw, a wi«c granicy petaflopa, czyli

szybkoæci tysickrotnie wyýszych niý

obecnie. Interdyscyplinarny zesp¸ opra-

cowa¸ architektur« komputera, ktra ¸-

czy w sobie zaawansowane technologie

przetwarzania, pami«ci oraz komunika-

cji, co pozwala jak najlepiej wykorzysta

ich mocne strony i omin niedoskona-

54 åWIAT NAUKI WRZESIEÁ 2001

rych szczytowe szybkoæci przekraczaj

teraflop. Ale ich ma¸a sprawnoæ ozna-

cza, ýe jedynie niewielk cz«æ poten-

cjalnej mocy moýna wykorzysta w rze-

czywistych aplikacjach. W rezultacie

jedynym op¸acalnym rozwizaniem oka-

za¸y si« klastry robocze Ð po¸czone sie-

ci standardowe podsystemy komputero-

we. Ich rozwj nie wymaga wiele pracy

mimo trudnoæci w programowaniu

i opnieÄ w wymianie danych spowodo-

wanych komunikacj.

Badania nad systemami petaflopo-

wymi nowej klasy trwaj od po¸owy lat

dziewi«dziesitych. Inýynierowie pr-

buj pokona ograniczenia szybkoæci,

atakujc problem z wszelkich moýli-

wych stron i korzystajc z przerýnych

dost«pnych technologii. Jeýeli znajd

si« wystarczajce ærodki na prace ba-

dawczo-rozwojowe, trudnoæci uda si«

pokona w cigu 10 lat [ ramka na stro-

nie 56 ]. Chociaý kaýda metoda ma swo-

je plusy i minusy, jedn z najodpowied-

niejszych jest technologia HTMT.

HTMT wykorzystuje bogactwo rýnych

zaawansowanych rozwizaÄ do stworze-

nia jednego elastycznego i zoptymalizo-

wanego systemu. Celem projektu jest

osigni«cie szybkoæci na poziomie peta-

flopw dzi«ki po¸czeniu w dynamiczn

i zdoln do adaptacji architektur« super-

szybkich procesorw, ¸czy komunika-

cyjnych o duýej wydajnoæci, pami«ci o

wielkiej pojemnoæci i innych technolo-

gii, ktre wkrtce powinny osign doj-

rza¸oæ techniczn.

Niezaleýnie od obranej drogi wszyscy

konstruktorzy systemw petaflopowych

musz sprosta trzem wyzwaniom. Po

pierwsze, by osign za¸oýon szczy-

tow moc obliczeniow, trzeba po¸czy

w ca¸oæ zasoby wystarczajce do prze-

twarzania, przechowywania i wymiany

danych, przezwyci«ýajc trudnoæci zwi-

zane z gabarytami, kosztami i zuýyciem

energii. Po drugie, zapewni rozsdn

sprawnoæ dzia¸ania mimo standardo-

wych czynnikw, ktre j ograniczaj:

opnieÄ czasowych w systemie (zw¸o-

ki), rywalizacji o wsplne zasoby, jak

pami« i kana¸y komunikacyjne (kon-

tencji), redukcji zasobw wynikajcej

z koniecznoæci zarzdzania i koordyna-

cji wsp¸bieýnych zadaÄ oraz rwnole-

g¸ych zasobw (narzutu), marnotra-

wienia mocy obliczeniowych wskutek

niewystarczajcej rwnoleg¸oæci lub nie-

rwnomiernego podzia¸u obciýeÄ (za-

blokowania). Po trzecie, naleýy zwi«k-

szy uýytecznoæ systemu Ð parametru,

na ktry sk¸ada si« doæ arbitralna kom-

binacja czynnikw, takich jak uniwer-

salnoæ zastosowaÄ, moýliwoæ progra-

mowania i dost«pnoæ.

Procesory nadprzewodnikowe

W MINIONYM DZIESI¢CIOLECIU logika cy-

frowa by¸a realizowana g¸wnie z wy-

korzystaniem procesorw wytwarzanych

w technologii CMOS (complementary

metal oxide semiconductor). Dzi«ki niej

ograniczano zuýycie energii, zwi«kszano

wydajnoæ, zaæ g«stoæ upakowania mo-

g¸a rosn w tempie wyk¸adniczym. Ale

Podstawowe zadania hiperkomputerw

Wiele problemw naukowych o duýych implikacjach spo¸ecznych i politycznych moýna rozwiza, korzystajc tylko

z komputerw petaflopowych zdolnych wykonywa wi«cej niý biliard operacji zmiennoprzecinkowych na sekund«.

Modelowanie klimatu

Opracowanie prognoz pogody w skali krtko- i d¸ugoterminowej

to dla mieszkaÄcw Ziemi jedna z najwaýniejszych spraw.

Na pocztku komputery petaflopowe pos¸uý do porzdkowania

olbrzymiej iloæci danych z satelitw i wykonywania szczeg¸owych

map. Zgromadzone dane b«dzie moýna wykorzysta do symulacji

i modelowania chaotycznych i wzajemnie zaleýnych sk¸adowych

klimatu, dzi«ki czemu prognozy b«d precyzyjniejsze.

Obrona

Po wprowadzeniu powszechnego zakazu prb z broni jdrow

komputery petaflopowe pos¸uý do symulacji, ktre pozwol

utrzyma w gotowoæci zapasy broni strategicznej. Inne waýne

zadanie to rozszyfrowywanie w czasie rzeczywistym coraz

bardziej skomplikowanych kodw.

Handel i finanse

Analiza pot«ýnych baz danych dotyczcych handlu

i statystyk gospodarczych umoýliwi lepsz analiz« zjawisk

finansowych.

Kontrolowana synteza termojdrowa

Synteza termojdrowa Ð potencjalne lekarstwo na problemy

energetyczne æwiata i metoda nap«dzania statkw kosmicznych

przemierzajcych Uk¸ad S¸oneczny Ð to cigle jeszcze

przysz¸oæ. Komputery petaflopowe mog¸yby pos¸uýy do symulacji

oddzia¸ywaÄ termicznych, elektromagnetycznych i jdrowych

duýej liczby czstek w dynamicznym polu magnetycznym,

co pomog¸oby zaprojektowa reaktor termojdrowy.

Nanotechnologia

Wraz ze zmniejszaniem si« rozmiarw podstawowych elementw

elektronicznych do skali atomowej, w ktrej waýna staje si«

mechanika kwantowa, nie moýna juý d¸uýej pos¸ugiwa si«

uærednionymi wartoæciami parametrw.

Medycyna i nauki biologiczne

Wyrany wzrost mocy obliczeniowej komputerw sta¸by si«

or«ýem w walce z cigle ewoluujcymi chorobami.

Potrzebne s symulacje na poziomie czsteczkowym,

ktre przyæpiesz poszukiwanie nowych lekw i pomog

zrozumie skomplikowane procesy fa¸dowania bia¸ek.

Zaawansowana inýynieria

Moýliwoæ prowadzenia obliczeÄ z duý szybkoæci b«dzie

niezb«dna w przypadku symulowania w¸aæciwoæci nowych

materia¸w i kompozytw w mikroskali. Precyzyjne modelowanie

wykorzystane zostanie takýe do opracowania nowych konstrukcji

lotniczych i innych skomplikowanych systemw.

Rolnictwo

Wyýywienie stale wzrastajcej liczby mieszkaÄcw Ziemi

b«dzie wymaga uprawy genetycznie zmodyfikowanych roælin

i rozwizania æwiatowych problemw ekologicznych.

Superszybkie komputery u¸atwi te zadania.

Astronomia

Aby æciæle modelowa zachowanie si« galaktyki sk¸adajcej si«

ze 100 mld gwiazd, trzeba b«dzie uwzgl«dni ich oddzia¸ywania

z oærodkiem mi«dzygwiazdowym i ci«ýszymi czsteczkami,

wykorzystujc w tym celu superszybkie komputery.

WRZESIEÁ 2001 åWIAT NAUKI 55

CMOS to z pewnoæci nie najszybsza ze

znanych dziæ technologii cyfrowych.

Miejsce to zajmuje rozwizanie si«gaj-

ce do zupe¸nie innych podstaw fizycz-

nych Ð logika nadprzewodnikowa.

Istot nadprzewodnictwa odkrytego

na pocztku XX wieku jest zanik oporu,

ktry zwykle towarzyszy przep¸ywowi

prdu elektrycznego. Zjawisko wyst«-

puje w niektrych materia¸ach po sch¸o-

dzeniu ich do wystarczajco niskiej tem-

peratury. W zasadzie prd wzbudzony

w p«tli z nadprzewodnika moýe p¸yn

nieskoÄczenie d¸ugo. Co wi«cej, przy-

rzdy nadprzewodnikowe wykazuj w¸a-

æciwoæci charakterystyczne dla mecha-

niki kwantowej w skali makroskopowej,

w¸aæciwej rozmiarom elementw elek-

tronicznych. Na pocztku lat szeædzie-

sitych naukowcy opracowali nieliniowy

element prze¸czajcy oparty na nad-

przewodnictwie i dzia¸ajcy z niezwy-

k¸ szybkoæci Ð z¸cze Josephsona.

Projekt hiperkomputera HTMT zak¸a-

da wykorzystanie szybkich procesorw

nadprzewodnikowych bazujcych na

z¸czach Josephsona. W technologii

RSFQ (rapid single-flux quantum) ma-

leÄkie nadprzewodzce p«telki przecho-

wuj dane w postaci pojedynczych

kwantw strumienia magnetycznego Ð

ich obecnoæ przejawia si« w postaci

skokowej zmiany nat«ýenia prdu p¸y-

ncego w p«telce. P«tla znana powszech-

nie jako SQUID (superconducting

quantum interference device) to prosty

element Ð opracowany pocztkowo jako

czujnik Ð zbudowany z dwch z¸czy Jo-

sephsona po¸czonych przewodnikiem

i przypominajcy solenoid. Jeýeli w¸-

czone s obydwa z¸cza Josephsona,

prd wzbudzony w p«tli b«dzie w niej

p¸yn¸ bez koÄca. Interesujca w¸aæci-

woæ p«tli SQUID polega na wyst«po-

waniu w niej wyranych stanw. Prd

w p«tli moýe nie p¸yn wcale, moýe

przyjmowa pewn podstawow war-

toæ lub jej dowoln ca¸kowit wielo-

krotnoæ. Inne nat«ýenia prdu nie s

dozwolone. Ta cenna w¸aæciwoæ wyni-

ka z mechaniki kwantowej. Stany 0 i 1,

wymagane przez bramki logiczne,

w technologii RSFQ s reprezentowa-

ne przez dyskretne wartoæci nat«ýenia

Pi« innych sposobw ultraszybkiego przetwarzania

Jednym ze sposobw przekroczenia przez komputery granicy petaflopa (biliarda operacji zmiennoprzecinkowych na sekund«)

jest zastosowanie architektury hybrydowej, ¸czcej kilka zaawansowanych technologii przysz¸oæci (patrz g¸wny tekst) .

Poniýej podajemy kilka innych rozwizaÄ.

NAZWA

METODA

PRZYKüAD

NAJWAûNIEJSZE

ZASTOSOWANIA

ARCHITEKTURA

Architektura sprz«tu i oprogramowanie

Projekt Grape

Z¸oýone zagadnienia

SPECJALNA,

odzwierciedlaj struktur« rozwizywanego

(Uniwersytet Tokijski)

wieloobiektowe,

CZYLI MACIERZ

problemu. Przetwarzanie ma charakter

symulacje gromad

SYSTOLICZNA

rwnoleg¸y, z szybkimi potokami danych

gwiazd, bioinformatyka

w celu przyæpieszenia obliczeÄ

AUTOMATY

Automat ze skoÄczon liczb stanw

Nigdy nie zrealizowano

Obliczenia zwizane

KOMîRKOWE

zbudowany z wielu stosunkowo prostych

w pe¸ni dzia¸ajcego

z dynamik cieczy,

komrek liczcych, po¸czonych

prototypu

symulacja dyfuzji

w rozbudowan sie dwu- lub

trjwymiarow i sterowanych synchronicznie

zegarem. Zachowanie kaýdej komrki

zaleýy od jej wewn«trznego stanu

i stanw komrek ssiednich

ARCHITEKTURA

Dzi«ki umieszczeniu w jednym uk¸adzie

IRAM

Przetwarzanie obrazu,

PIM (PROCESOR

scalonym procesora i pami«ci o znacznej

(University

szyfrowanie danych,

W PAMI¢CI)

pojemnoæci obwody logiczne widz

of California

szybkie przeszukiwanie

jednoczeænie wszystkie bity na wyjæciu

w Berkeley),

baz danych,

pami«ci DRAM. üatwa dost«pnoæ pami«ci

Blue Gene (IBM)

modelowanie

i ma¸e opnienia w transmisji danych

fa¸dowania bia¸ek

zwi«kszaj stopieÄ wykorzystania kaýdego

cyklu na obliczenia

BEOWULF,

G«sta macierz tanich procesorw roboczych

Oprogramowanie

Analiza ludzkiego genomu

CZYLI

(kaýdy wyposaýony w prosty system operacyjny) GigAssembler

ARCHITEKTURA

po¸czonych g«st sieci o duýej przepustowoæci (International

KLASTROWA

Human Genome

Sequencing Consortium)

PRZETWARZANIE

Spoýytkowanie nie wykorzystanych cykli

SETI@home

Duýe zagadnienia rwnoleg¸e,

ROZPROSZONE,

zegarowych oko¸o 500 mln komputerw

(Serendip Project)

jak symulacje Monte Carlo

CZYLI ARCHITEKTURA

osobistych pod¸czonych do Internetu.

oraz monitorowanie dzia¸ania

MEGAKOMPUTEROWA Wad jest ma¸o wydajna komunikacja

Internetu

56 åWIAT NAUKI WRZESIEÁ 2001

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: