Каждый день мы встречаемся с компьютерами в нашей повседневной жизни, нам кажется, что мы знаем о них практически все. Конечно, ведь компьютеры есть сейчас у огромного количества людей. Однако существует целый спектр вычислительной техники, которая далеко не так хорошо известна массовому пользователю, как вездесущие персоналки.

Для решения непосильных задач даже для самой производетельной рабочей станции, например научных расчетов, исследования биржевых тенденций, предсказания погоды и многого другого, необходимы вычислительные ресурсы несравнимые с мощностью самого передового персонального компьютера. В этих отраслях работают машины, скорость вычислений которых доходит до нескольких миллиардов арифметических операций в секунду. Эти машины стоимостью в десятки миллионов долларов производятся в очень малом количестве и относительно небольшим кругом фирм-производителей. Одной из таких фирм является Cray research.

Что же такое суперкомпьютер, как он устроен и зачем нужен? Постараемся ответить на этот, довольно неоднозначный вопрос, взяв для наглядности историю развития машин Сеймура Крея.

Еще совсем недавно суперкомпьютеры были игрушкой очень узкого круга ученых, работавших в основном в области государственных оборонных заказов. Связано это в первую очередь с крайне высокой стоимостью производства машин сверхвысокой производительности. Однако развитие аппаратных средств и программного обеспечения сделало возможным серийный выпуск суперкомпьютеров. Сегодня с их помощью решаются не только научные но и многие другие задачи не имеющие непосредственного отношения к оборонной промышленности и государственному заказу.

Принцип работы любой большой вычислительной машины состоит в параллелизации процесса обработки данных. Дело в том, что сплошь и рядом в задачах самых различных направлений встречается необходимость обработки большого количества данных по одной и той же инструкции, любой программист, работавший с циклами, прекрасно знает, о чем идет речь. Вполне естественно, что у специалистов по разработке архитектуры ЭВМ возникло острое желание ускорить выполнение подобных однотипных процедур. Решение этой проблемы было найдено с помощью применения так называемых векторных операций. Суть их заключается в том, что процессор, получив команду, применяет ее на целый массив данных, который и называется вектором. Таким образом, удалось сильно сократить затраты времени и системных ресурсов на выполнение задач данного типа. Подобная архитектура получила название SIMD (Single Instruction, Multiply Data). Используя данный принцип в больших машинах, уже в 1972 г. удалось разработать и построить машину, обрабатывающую за один такт 256 элементов вектора. Она базировалась на 64 процессорных элементах, каждый из которых имел свою внутреннюю память. Эта машина называлась ILLIAC IV, она была установлена в исследовательском центре NASA в Эймсе. ILLIAC IV демонстрировал производительность 20 млн операций в секунду - это был потрясающий результат для того времени. Однако возникли и проблемы, дело в том, что программирование подобных систем сильно затруднено отсутствием языков высокого уровня для написания программ под векторную машину. В итоге, на смену множеству процессоров, выполняющих одну и ту же команду над разными элементами вектора, пришел один единственный конвейер операций, в котором каждому процессору необходимо выполнять только одну фазу операции, тогда как другие выполнялись соседними процессорами.

Такая архитектура получила название векторно-конвейерной. Машины, основанные на этом принципе, демонстрировали производительность вдвое выше своих предшественников, и к тому же гораздо дешевле стоили. Окончательно сошли со сцены векторные машины после выпуска Cray-1, это было поистине эпохальное событие в мире больших ЭВМ.

Небольшая по габаритам машина имела 8 Мбайт оперативной памяти и демонстрировала производительность 160 млн операций в секунду. К тому же, в пакет программного обеспечения, поставлявшийся вместе с машиной, входил компилятор FORTRAN, обладающий способностью выявления однотипных операций и преобразования их в векторизированный код. Правда, не обошлось и без ложки дегтя, дело в том, что производительность тракта процессор - память была равна 640 Мбайт/с, и это оказалось самым узким местом системы. Несмотря на это, машина вполне успешно конкурировала на рынке суперкомпьютеров вплоть до 1982 г., когда на свет появилась новая модель Cray X-MP, а спустя еще два года Cray-2.

В отличие от своих конкурентов, которые пошли по пути увеличения количества векторных и скалярных регистров в целях повышения производительности, Сеймур Крей избрал другой путь. Он увеличил параллелизм системы за счет многопроцессорной архитектуры, и к тому же резко уменьшил длительность машинного цикла за счет максимальной плотности монтажа, для охлаждения такой системы понадобился специальный жидкий хладагент. Кроме того, объем памяти вырос до 2 Гбайт. UNIX-подобная операционная система только увеличила коммерческий успех этих моделей.

Все особенности архитектуры Cray унаследовали и более ранние модели вплоть до Т90. В настоящий момент существует масса всевозможных вариантов базовых моделей.

Составив себе определенное мнение относительно современного положения на рынке больших ЭВМ, зададимся вопросом: "А зачем, собственно, необходима такая чудовищная производительность? Есть ли у нее реальные сферы применения?".

Оказывается есть, и вот тому несколько примеров:

Самой классической задачей, для выполнения которой необходима сверхмощная машина, является расчет траектории полета баллистических ракет. Для выполнения этой задачи была построена самая первая ЭВМ. Данные вопросы традиционно находились в ведомстве военных. Видимо, именно в этой связи до сих пор существует масса всевозможных ограничений на экспорт суперкомпьютеров в страны третьего мира (Россия входит в их число). Расчет старта, полета, попадания ракеты, траектория которой выходит за пределы атмосферы, а координаты цели задаются с точностью до нескольких десятков метров, требуют чудовищного количества вычислений. Среди них: поправки на ветер, учет изменения плотности атмосферы при наборе высоты, изменение массы ракеты (сгорающее топливо постоянно уменьшает общую массу летящего объекта) и многое другое. Кроме того, и система противоракетной обороны базируется на всевозможных радарных комплексах, системах раннего оповещения и суперкомпьютерах, рассчитывающих все характеристики полета вражеского объекта и траектории возможного перехвата цели. Управление летящей противоракетной ракетой (это звучит именно так) тоже требует массы вычислений.

После окончания холодной войны необходимость в выполнении этих задач не отпала, но все же секретность вокруг машин с большой производительностью несколько уменьшилась. Это дало возможность использовать их в сугубо мирных целях, причем область их применения расширяется с каждым днем. Сегодня трудно найти какую-либо область научных исследований, в которой за последние годы не применялась бы математика. В настоящий момент и физики, и медики с удовольствием используют высокопроизводительные вычислительные комплексы, тому есть масса примеров:

64 процессорная система Cray Origin2000, укомплектованная 16 Гбайт оперативной памяти и жестким диском в 1 Гбайт, установлена в прошлом году в Канаде. Эта машина интересна тем, что является самым мощным компьютером в мире, работающим исключительно в области медицины и биологических исследований. Счастливым обладателем подобного монстра стал детский госпиталь, расположенный в Торонто (Канада). По словам специалистов этого центра, данная машина давно уже была необходима больнице для хранения и обработки огромных массивов информации, которые служат для построения моделей человеческих протеинов. Кроме того, машина используется для быстрого поиска повторяющихся участков в генетических кодах. Дело в том, что госпиталь, о котором идет речь, принимает активное участие в программе "Геном человека" (Human Genome Project). Цель программы - полная расшифровка человеческого генетического кода, а эта задача требует неимоверных вычислительных мощностей.

Не так давно компания Silicon Graphics объявила о поставке 16-процессорного суперкомпьютера Cray SV1 в вычислительный центр Военно-морского океанографического ведомства США (U.S.Naval Oceanographic Office, NAVOCEANO). Эта машина будет использоваться для построения более подробных, чем существующие, карт морского дна. Специалисты центра полагают, что применение данного суперкомпьютера повысит точность предварительных расчетов по океанографическому моделированию.

Наша страна тоже не осталась в стороне. Несмотря на запрет правительства США на ввоз в нашу страну последних моделей Cray, Росгидромет все же приобрел и установил в своем вычислительном центре Cray Y-MP-8E. В комплекте к нему был также инсталлирован сервер приложений Cray EL98. Обе эти машины работают под операционной системой Unicos, в их задачи входит проведение расчетов по научно-исследовательским разработкам отечественных метеорологов, а также расчет прогнозов погоды. Кстати, именно результаты мы все можем видеть по телевидению и слышать по радио.

Кроме того, некоторые из суперкомпьютеров даже умудряются окупиться. В основном это относится к японским моделям. Несколько лет назад разгорелся крупный юридический скандал. Дело в том, что компания Cray подала в суд на ряд японских производителей суперкомпьютеров. В иске утверждалось, что японские производители продают свои суперкомпьютеры со схожими с Cray характеристиками по ценам в 4,5 раза ниже себестоимости. Делается это с целью захвата рынка и вытеснения с него моделей американских производителей. В США очень внимательно относятся к подобному притеснению отечественных компаний, вполне естественно, что Cray выиграла дело. В настоящий момент импорт азиатских суперкомпьютеров в США запрещен. Однако хитроумные восточные люди всегда находили выход даже из самых трудных ситуаций. Конечно, внутренний рынок не в состоянии усвоить все предлагаемые машины, зато можно продавать их время! Теперь японские суперкомпьютеры спокойно стоят на земле своих создателей, а в просторах Internet вполне можно выйти на эти машины, купить машинное время и использовать все вычислительные мощности, предоставляемые этими гигантами, не имея непосредственного доступа к самому аппарату. Таким образом, продаются теперь не транзисторы с конденсаторами, а миллиарды операций в секунду. Законодательство США ничего не может поделать с таким интересным поворотом событий, и азиаты спокойно зарабатывают деньги.

Естественно, что помимо этих применений, суперкомпьютеры находят еще массу всевозможных задач, которые по силам только подобным машинам. Каковы же их перспективы на будущее?

Повышение производительности процессора является важным, но не единственным условием достижения высокой скорости системы в целом. Пропускная способность различных устройств оказывает огромное влияние на быстродействие. Классические узкие места любой вычислительной техники присутствуют и здесь. В первую очередь это шины, поэтому в настоящее время все внимание направлено именно на повышение скорости передачи информации внутри системы. Для этого необходимо физическое сближение различных элементов компьютера, позволяющее снизить временные потери на внутреннюю передачу данных. Кроме того, важным стимулом к развитию является острая потребность в гибком изменении количества необходимых мощностей, то есть масштабируемость системы. Кластерная архитектура позволяет достаточно легко увеличивать мощность уже установленных машин и дает гораздо большую свободу настройки системы на выполнение конкретной задачи потребителям данного вида продукции. Вполне понятно, что и программное обеспечение должно соответствовать этим целям. В первую очередь это касается операционной системы. Сейчас уже довольно много подобных продуктов, способных удовлетворить необходимую потребность в гибких операционных системах. Надо полагать, что этот процесс продолжится и даст интересные результаты. Еще одним направлением развития современных суперкомпьютеров является повышение их совместимости с другими классами машин. По традиции многие суперкомпьютеры оснащены UNIX-подобными операционными системами, следовательно, было бы логично ожидать роста популярности подобных систем и среди рабочих станций. Спектр задач, требующих высоких вычислительных мощностей, очень широк. По этой причине постоянно расширяется парк машин, лежащих где-то посередине между мэйнфреймом (суперЭВМ) и рабочей станцией. Видимо, в этой связи произойдет сглаживание границы между этими классами машин, этот процесс уже идет и надо полагать рынок промежуточных ЭВМ будет постоянно расти вплоть до полного насыщения машинами любых мощностей.

Конечно, этот обзор не может претендовать на полноту, но мы надеемся, что вы составили себе некоторое представление о том, что же такое мир современных суперкомпьютеров и каковы его перспективы. Если вы заинтересуетесь этим вопросом, вот несколько мест, где можно удовлетворить свое любопытство:

Материалы: