Исследовательская работа на тему:
«Суперкомпьютеры и их применения»
Выполнила: ученица 11 Б класса
Алексеенко Анастасия Александровна
Руководитель: учитель информатики
МБОУ СОШ №2 г.Томари
Вырупаева Наталья Алексеевна
г.Томари
2022г
Содержание
Введение…………………………………………………………………….3
Первый суперкомпьютер…………………………………………………..4
Система мониторинга включена в структуру суперкомпьютерного
комплекса или она автономна? (Беседа с Константином Сергеевичем
Стефановым — старший научный сотрудник
Научно-исследовательского вычислительного центра
Московского государственного университета
им. М.В. Ломоносова)……………………………………………………...5
Сферы применения суперкомпьютеров…………………………………..7
Суперкомпьютеры постоянно обновляются и развиваются.
Как специалистам поспеть за всеми изменениями?
(Беседа с Константином Сергеевичем Стефановым —
старший научный сотрудник Научно-исследовательского
вычислительного центра Московского государственного
университета им. М.В. Ломоносова).........................................................8
Типы архитектур……………………………………………………………9
Суперкомпьютеры в России………………………………………………11
Перспективы суперкомпьютерных технологий в России………………12
TOP 500…………………………………………………………………......13
Заключение…………………………………………………………………14
Список используемой литературы………………………………………..15
|
Введение
С момента появления первых компьютеров одной из основных проблем, стоящих перед разработчиками, была производительность вычислительной системы. Что же такое суперкомпьютеры, и зачем они нужны? В принципе, суперкомпьютер это обычная вычислительная система, позволяющая производить сложные расчеты за более короткие промежутки времени. Суперкомпьютер - это вычислительная машина, значительно превосходящая по своим параметрам большинство существующих компьютеров. Как правило, современные суперкомпьютеры представляют собой большое число высокопроизводительных серверных компьютеров, соединенных друг с другом локальной высокоскоростной магистралью, для достижения максимальной производительности в рамках подхода распараллеливания вычислительной задачи.
Основные признаки, характеризующие суперЭВМ .Среди которых кроме высокой производительности следует отметить:
· Самый современный технологический уровень
· Специфические архитектурные решения, направленные на повышения быстродействия
( например: Наличие операций над векторами )
· Цена выше 1-2 миллионов долларов.
Первый суперкомпьютер
Cray-1 принято считать одним из первых
суперЭВМ. Он появился в 1974 году. В процессорах компьютера был огромный набор
регистров, которые разделялись на группы. Каждая группа имела свое собственное
функциональное назначение. Блок адресных регистров, который отвечал за адресацию
в памяти ЭВМ, Блок векторных регистров, блок скалярных регистров.
Производительность суперЭВМ составляла 180 миллионов операций в секунду над
числами с плавающей точкой. Использовались 32 разрядные команды - это учитывая
то, что современники данного компьютера только начинали переходить от 8
разрядных команд к 16 разрядным.
Так же после появился компьютер Cray-2.
Компьютеры Крея применялись в правительственных организациях ,промышленных и научно - исследовательских центрах. Так же было много конкурирующих компаний. Но многие из них так и не достигли успеха. В 90-х годах эти фирмы начали банкротиться. Компания Крея до сих пор является одним из ведущих производителей суперкомпьютеров.
Система мониторинга включена в структуру суперкомпьютерного
комплекса или она автономна?
Любое программное и аппаратное обеспечение суперкомпьютера — это некий комплекс. Каждый суперкомпьютер уникален. Все компоненты подбираются и подгоняются для конкретной суперкомпьютерной установки.
При создании нового суперкомпьютера применяются и новые инфраструктурные и программные решения. Это серьезная работа, которая проводится на этапе проектирования, на этапе запуска и на протяжении всего периода эксплуатации. Система мониторинга должна также обладать собственной производительностью. Только так она сможет обрабатывать огромный объем информации. И речь не только о работоспособности компьютера, но и об эффективности.
Как я упоминал, программы не всегда эффективны. И понять, насколько хорошо работает та или иная программа, отдельная сложная задача.
Прежде всего, у нас не всегда есть необходимая информация. Операционная система, например, может указать лишь на время работы процессора, затраченное на решение. Если мы видим, что при подсчете были паузы, значит, есть проблема. Возможно, операционная система ждет данные от системы хранения или обращения в память. Возможно, перегрелся процессор, и аппаратура компьютера специально уменьшила время работы или тактовую частоту, чтобы не допустить выхода из строя.
Это лишь часть информации.
При этом каждый компонент суперкомпьютера выдает порядка сотни разных величин.
Эту информацию необходимо получать с высокой частотой, поскольку суперкомпьютер
обрабатывает до миллионов и миллиардов операций в секунду. Даже если мы
будет получать данные раз в секунду, мы всё равно не сможем точно понять, к
какому месту программы они относятся, поскольку информация поступает о
достаточно больших «кусках» программы. Эти сообщения мы должны свести, понять,
к какой конкретно задаче они относятся, эффективно ли она расходует мощности
или неэффективно.
Бывают задачи, которые не могут работать лучше на существующем «железе». В этом случае нам приходится закрывать глаза на существующие проблемы, ведь эти задачи все равно надо решать.
Система мониторинга производительности создана как раз для того, чтобы получать исходные данные и передавать их другим системам, которые займутся интеллектуальным анализом. Перед нами две разные задачи. Первая связана со сбором данных в режиме реального времени. А вторая предполагает более сложный анализ, который возможен уже после отработки программы.
Сферы применения суперкомпьютеров
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, укажем на 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.
|
Суперкомпьютеры постоянно обновляются и развиваются. Как специалистам поспеть за всеми изменениями?
Поток информации действительно велик. С другой стороны, революционные изменения происходят не так часто. При этом в суперкомпьютерном мире наблюдается и некая эволюция. Есть ряд проектов, которые предполагают создание к 2022 году установок с кардинально новой производительностью. Ведутся теоретические дискуссии о том, чего мы можем достигнуть с такой производительностью, к чему нужно быть готовыми, чего мы еще не знаем. Как правило, перед созданием очередной большой установки, решения проверяются на установках меньшего масштаба. Результаты обобщаются и публикуются в статьях. Всё это, конечно, нужно изучать, чтобы не отставать.
Сейчас ситуация осложняется тем, что многие конференции отменены из-за пандемии. Вроде бы кажется, что общение с коллегой не несет полезной информации по сравнению с научной статьей. Однако при неформальном общении и возникают полезные идеи. Это позволяет оставаться на «гребне волны», понимать, что происходит в индустрии и чего ждать дальше.
8
Типы архитектур
Основной параметр классификации параллельных компьютеров — наличие общей или распределенной памяти. Нечто среднее представляют собой архитектуры, где память физически распределена, но логически общедоступна. С аппаратной точки зрения для реализации параллельных систем напрашиваются две основные схемы. Первая — несколько отдельных систем, с локальной памятью и процессорами, взаимодействующих в какой-либо среде посредством посылки сообщений. Вторая — системы, взаимодействующие через разделяемую память. Не вдаваясь пока в технические детали, скажем несколько слов о типах архитектур современных суперкомпьютеров.
Идея массивно-параллельных систем с распределенной памятью (Massively Parallel Processing, MPP) довольно проста . Для этой цели берутся обычные микропроцессоры, каждый из которых снабжают своей локальной памятью и соединяют посредством некоей коммутационной среды. Достоинств у такой архитектуры много. Если нужна высокая производительность, то можно добавить еще процессоров, а если ограничены финансы или заранее известна требуемая вычислительная мощность, то легко подобрать оптимальную конфигурацию. Однако у MPP есть и недостатки. Дело в том, что взаимодействие между процессорами идет намного медленнее, чем обработка данных самими процессорами.
У параллельных компьютеров с общей памятью вся оперативная память разделяется между несколькими одинаковыми процессорами. Это снимает проблемы предыдущего класса, но добавляет новые. Дело в том, что число процессоров, имеющих доступ к общей памяти, по чисто техническим причинам нельзя сделать большим.
Основные особенности векторно-конвейерных компьютеров — это, конечно, конвейерные функциональные устройства и набор векторных команд. В отличие от традиционного подхода векторные команды оперируют целыми массивами независимых данных, что позволяет эффективно загружать доступные конвейеры.
9
Последнее направление, строго
говоря, не является самостоятельным, а скорее представляет собой комбинации
предыдущих трех. Из нескольких процессоров (традиционных или
векторно-конвейерных) и общей для них памяти формируется вычислительный узел.
Если полученной вычислительной мощности недостаточно, то объединяют несколько узлов
высокоскоростными каналами. Как известно, подобную архитектуру называют
кластерной.
Суперкомпьютеры в России
|
СуперЭВМ являются национальным достоянием, и их разработка и производство, несомненно, должны быть одним из приоритетов государственной технической политики стран, являющихся мировыми лидерами в области науки и техники. Блестящим примером глубокого понимания всего комплекса соответствующих проблем является статья известного нобелевского лауреата в области физики К. Вильсона. Опубликованная свыше десять лет назад, она и сейчас представляет интерес для российского читателя.
Практически единственными странами, разрабатывающими и производящими суперЭВМ в больших масштабах, являются США и Япония. Свои суперкомпьютеры были созданы в Индии и Китае. Большинство развитых стран, в том числе и ряд государств Восточной Европы, предпочитают использовать суперкомпьютеры, произведенные в США и Японии. Работы над отечественными суперЭВМ в последние годы велись сразу в нескольких организациях. Под управлением академика В.А.Мельникова была разработана векторная суперЭВМ "Электроника CC-100" с архитектурой, напоминающей Сгау-1. Проводятся работы по созданию суперкомпьютеров "Эльбрус-3". Этот компьютер может иметь до 16 процессоров с тактовой частотой 10 нс. Что касается отечественных суперЭВМ, то без необходимой государственной поддержки проектов по их разработке не приходиться рассчитывать на создание промышленных образцов в ближайшие несколько лет , и вряд ли такие компьютеры смогут составить основу парка суперЭВМ в создающихся сегодня отечественных суперкомпьютерных центрах. Пока еще не все компании в России понимают, насколько вычисления могут дать им преимущества в конкурентной борьбе и позволить сэкономить деньги. А тем временем, например, в США суперкомпьютеры строятся уже не на деньги государства, а на деньги регионов, то есть их важность понимают и на региональном уровне. И это достаточно мощные машины, ведь по ту сторону океана бизнес и правительство понимают, что для развития надо не просто производить вычисления - надо в них побеждать, побеждать по качеству вычислений и скорости.
11
Перспективы
суперкомпьютерных технологий в России
Далеко не каждое предприятие может позволить себе купить, содержать и использовать суперкомпьютер. Вероятнее всего, должна быть создана сеть высокопроизводительных вычислений, содержащая топовые модели с максимальной производительностью в основных регионах нашей страны. Это позволит снизить нагрузку на каналы связи и сократить расходы на построение ЦОД (центр обработки данных) и электроэнергию. Системы второго уровня, более слабые, должны быть равномерно распределены по регионам с развитой наукой, образованием и промышленностью. Как считает Леонид Борисович Соколинский, профессор, зав. кафедрой Южно-Уральского государственного университета, высокопроизводительные вычисления должны иметь «облачную» структуру, которая позволит любому университету, конструкторскому бюро или предприятию пользоваться их мощностями удалённо, возможно с оплатой за процессорочасы.
Естественно, такой путь развития невозможен без поддержки на уровне правительства РФ - выделения бюджетов на построение HPC(Национальный Реестр Специалистов), развитие каналов связи, предоставления дополнительных льгот институтам.
|
Многие страны в современном мире стремятся создать и использовать суперкомпьютеры. Однако, с 1993 года все суперкомпьютеры ранжируются в списке Top500 по результатам специального теста LINPACK, основанном на скорости решения системы линейных алгебраических уравнений, являющейся общей задачей для численного моделирования.
На сегодняшний день суперкомпьютеры географически распределены следующим образом: 213 суперкомпьютеров находится в Азии, 175 в Америке и 104 в Европе. Абсолютным рекордсменом по обладанию наиболее эффективными и мощными суперкомпьютерами является Китай, где с 2013 года разрабатываются и используются в различных целях рекордсмены рейтинга Top500.
Распределение по количеству суперкомпьютеров в разных странах мира в июне 2018 года:
Китай — 206
США — 124
Япония — 36
Великобритания — 22
Германия — 21
Франция — 18
Нидерланды - 9
Ю.Корея - 7
Ирландия - 7
Канада – 6
другие страны — 44 (включая Россию - 4, пик количества суперкомпьютерных систем в России пришелся на июнь 2011 года - 12 шт.).
|
Заключение
Каждый день технологии совершенствуются, и жизнь людей становится проще. Думаю, человечество будет и дальше стремится к повышению вычислительной мощности суперкомпьютеров, если конечно разработки квантовых компьютеров не окажутся более плодоносными. Есть вероятность, что в будущем грань между суперкомпьютерами и компьютерами исчезнет и в руках одного человека будет вычислительная мощь целой страны. Я думаю, что при таком раскладе жизнь людей изменилась бы к лучшему.
14
Список используемой
литературы
1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Суперкомпьютер
2. https://trends.rbc.ru/trends/industry/5f54c9479a79475b796f2b7d
3. К. Вильсон, "Высокоскоростные вычисления". М. Радио и Связь, 1988, стр.12-48.
4. https://infourok.ru/referat-po-discipline-informacionnye-tehnologii-v-tehnologicheskom-obrazovanii-na-temu-superkompyutery-i-ih-primenenie-5369778.html
|
Скачано с www.znanio.ru
Материалы на данной страницы взяты из открытых источников либо размещены пользователем в соответствии с договором-офертой сайта. Вы можете сообщить о нарушении.