W świecie technologii największe cuda często kryją się wewnątrz stalowych skrzyń, gdzie dziesiątki tysięcy procesorów dokonują obliczeniowej magii. Mówimy o superkomputerach, dziełach ludzkiego umysłu, które umożliwiają najśmielsze odkrycia naukowe i postępy technologiczne.
W tym artykule zbadamy, czym jest superkomputer, jego możliwości oraz perspektywy na przyszłość.
Czym jest superkomputer?
Superkomputer to potężna maszyna zdolna do wykonywania najbardziej złożonych zadań obliczeniowych — od prognozowania pogody po symulacje naukowe i badania nad sztuczną inteligencją. W ciągu sekundy wykonuje miliardy lub biliony operacji.
Superkomputery są budowane w oparciu o zaawansowane konfiguracje sprzętowe i programowe, które umożliwiają równoległe przetwarzanie danych, co przekłada się na ich wyjątkową wydajność.
Różnica między zwykłym komputerem a superkomputerem
W przeciwieństwie do zwykłych komputerów, superkomputery składają się z tysięcy, a nawet milionów procesorów, które pracują jednocześnie nad rozwiązywaniem złożonych problemów. Posiadają one również specjalne architektury i technologie połączeń krzyżowych, które umożliwiają wydajną wymianę danych między węzłami, zapewniając płynną współpracę nad zadaniami.
Zadania, które zwykłemu komputerowi zajęłyby tydzień, superkomputer może wykonać w kilka godzin. Jego głównym celem jest wykonanie maksymalnej liczby obliczeń w jak najkrótszym czasie.
Historia superkomputerów
Pierwsze maszyny
W 1960 roku firma Control Data Corporation (CDC) zbudowała komputer CDC 6600. Wykonywał on ponad milion operacji na sekundę. Maszyna ta była wykorzystywana do badań naukowych i odegrała kluczową rolę w rozwoju prognozowania pogody, fizyki jądrowej i inżynierii lotniczej. CDC 6600 położył podwaliny pod współczesne superkomputery i zainspirował inne firmy do tworzenia własnych maszyn.
Superkomputery wektorowe
W latach 70. i 80. ubiegłego wieku popularność zdobyły superkomputery wektorowe, zaprojektowane do obsługi skomplikowanych operacji matematycznych i wykorzystywane w takich dziedzinach jak fizyka, chemia i inżynieria. Cray-1 był jednym z najsłynniejszych superkomputerów wektorowych tamtego czasu. Mógł wykonywać do 250 poleceń i wyróżniał się unikalnym designem. Cray-1 był używany przez wiele instytucji, w tym Narodowe Centrum Badań Atmosfery i Narodowym Laboratorium w Los Alamos.
Superkomputery masowo równoległe
Pojawiły się w latach 90. ubiegłego wieku. Maszyny te zostały zaprojektowane do wykonywania wielu obliczeń jednocześnie i były wykorzystywane do zadań takich jak prognozowanie pogody, sekwencjonowanie genomu i odkrywanie nowych leków. Connection Machine był jednym z najpopularniejszych superkomputerów masowo równoległych tamtego czasu. Posiadał do 65 536 procesorów i mógł wykonać do 131 000 poleceń. Connection Machine był używany przez wiele organizacji, a mianowicie Agencję Bezpieczeństwa Narodowego i Narodowe Centrum Zastosowań Superkomputerów.
TOP 500 współczesnych superkomputerów
Od 1993 roku istnieje lista Top 500, która jest aktualizowana dwa razy w roku. Najpotężniejszym superkomputerem na świecie jest obecnie Frontier o wydajności 1,194 eksaflopsa, tuż za nim plasuje się Aurora (585 petaflopsów), a Eagle firmy Microsoft jest trzeci (561 petaflopsów). Współczesne superkomputery są niezbędne do przyspieszania badań naukowych i przesuwania granic możliwości.
Jak mierzy się wydajność superkomputerów
Moc superkomputerów mierzy się w FLOPS (od ang. floating point operations per second, operacje zmiennoprzecinkowe na sekundę).
Początkowo wydajność mierzono w megaflopsach, potem gigaflopsach, teraflopsach, a od 2008 roku używa się petaflopsów. Obecnie istnieją maszyny o wydajności eksaflopowej.
Wydajność superkomputera
| 1 megaflops | 1,000,000 flopsów |
| 1 gigaflops | 1,000,000,000 flopsów |
| 1 teraflops | 1,000,000,000,000 flopsów |
| 1 petaflops | 1,000,000,000,000,000 flopsów |
| 1 eksaflops | 1,000,000,000,000,000,000 flopsów |
Rodzaje superkomputerów
Superkomputery dzielą się na dwie główne kategorie:
Superkomputery ogólnego przeznaczenia. Dzielą się one na trzy podkategorie:
- z przetwarzaniem wektorowym — używają procesorów wektorowych lub macierzowych, w przeciwieństwie do procesorów skalarnych, które mogą przetwarzać tylko jeden element na raz. Działają wydajnie jako centralne procesory zdolne do szybkiego wykonywania operacji matematycznych na ogromnych zbiorach danych.
- klaster — łańcuch połączonych komputerów, które działają jako całość. Mogą to być klastry równoległe, oparte na węźle centralnym, dwuwęzłowe lub wielowęzłowe. Dobrze znanym przykładem jest klaster komputerów z systemem Linux i otwartoźródłowym oprogramowaniem do obliczeń równoległych. Przykładami obliczeń klastrowych są również Grid Engine firmy Sun Microsystems i OpenSSI.
- standardowe superkomputery — składają się z wielu standardowych komputerów połączonych szybkimi, niskolatencyjnymi sieciami lokalnymi.
Superkomputery specjalnego przeznaczenia
Są zaprojektowane do wykonywania określonych zadań lub celów. Często wykorzystują specjalizowane układy scalone (ASIC), które zapewniają wyjątkową wydajność. Wśród nich można wymienić Belle, Deep Blue (do gry w szachy) oraz MDGRAPE-3 (do obliczeń struktury białek i dynamiki molekularnej).
Zastosowania superkomputerów
- badania nad pogodą i klimatem — przewidywanie wpływu ekstremalnych zjawisk pogodowych i zrozumienie wzorców klimatycznych.
- wiercenia naftowe i gazowe — gromadzenie ogromnych ilości geofizycznych danych sejsmicznych w celu identyfikacji i rozwoju złóż ropy naftowej.
- przemysł lotniczy i motoryzacyjny — rozwój symulatorów lotu i symulowanych środowisk samochodowych, a także wykorzystanie aerodynamiki w celu osiągnięcia najniższego współczynnika oporu aerodynamicznego.
- badania nad fuzją jądrową — tworzenie reaktorów fuzji jądrowej i wirtualnych środowisk do testowania eksplozji jądrowych i broni balistycznej.
- badania medyczne — opracowywanie nowych leków, terapii przeciwnowotworowych, terapii rzadkich chorób genetycznych, badania nad COVID-19 oraz badanie genezy i ewolucji epidemii i chorób.
- rozwój aplikacji czasu rzeczywistego — obsługa gier online podczas turniejów i tworzenie nowych gier.
- obliczenia o wysokiej wydajności (HPC), które umożliwiają synchronizację obliczeń na dużą skalę między wieloma połączonymi w sieci superkomputerami. W rezultacie złożone obliczenia z dużymi zbiorami danych są wykonywane znacznie szybciej niż na zwykłych komputerach.
Przyszłość superkomputerów
Obecnie toczy się intensywny wyścig o osiągnięcie wydajności eksaflopowej. Superkomputery eksaflopowe mają pozwolić na stworzenie bardzo dokładnych modeli mózgu ludzkiego, co wpłynie na rozwój neuromorficznych systemów obliczeniowych.
