Информатика. Суперкомпьютеры. Реферат по теме Суперкомпьютеры и их применение

• Название: Реферат по теме Суперкомпьютеры и их применение
• Дата: 11.05.2023
• Размер: 38.48 Kb.
• Имя файла: Информатика. Суперкомпьютеры.docx
• Тип: Реферат; #1123440

«Международная академия бизнеса и новых технологий (МУБиНТ)»

Юриспруденция

Гражданско-правовая

Реферат

по теме: «Суперкомпьютеры и их применение»

Выполнил: студент 22-ЮБ511 группы

Косарев Сергей Александрович

Проверил: Ковырялова Татьяна Николаевна

Ярославль – 2023

Оглавление

Ведение 2

Понятие суперкомпьютера 4

История развития суперкомпьютеров 6

Устройство суперкомпьютера 9

Современные тенденции развития суперкомпьютерной техники 11

Применение суперкомпьютеров 13

Заключение 15

Список использованных источников 16

Ведение

Еще 10–15 лет назад суперкомпьютеры были чем-то вроде элитарного штучного инструмента, доступного в основном ученым из засекреченных ядерных центров и криптоаналитикам¹ спецслужб. Однако развитие аппаратных и программных средств сверхвысокой производительности позволило освоить промышленный выпуск этих машин, а число их пользователей в настоящее время достигает десятков тысяч. Сегодня использование высокопроизводительных вычислительных систем (суперкомпьютеров) в научных и инженерных проектах является одним из приоритетных направлений технологического развития.

С момента появления первых компьютеров одной из основных проблем, стоящих перед разработчиками, была производительность вычислительной системы. За время развития компьютерной индустрии производительность процессора стремительно возрастала, однако появление все более изощренного программного обеспечения, рост числа пользователей и расширение сферы приложения вычислительных систем предъявляют новые требования к мощности используемой техники, что и привело к появлению суперкомпьютеров. Что же такое суперкомпьютеры, и зачем они нужны?

Рассмотрим особенности, характерные для суперкомпьютеров, проанализируем ход развития суперкомпьютерной техники, современное состояние и возможные перспективы развития, а также области применения.

Таблица 1 Характеристики ПК и ПО, использованных для оформления и выполнения контрольной работы

Характеристики персонального компьютера	Процессор	Intel CORE i5 10400f 2,9 Ghz
	Видеокарта	AORUS GeForce RTX 2070 super
	Оперативная память	Kingstone HYPERX Predator 32gb 3600 Mhz
	Материнская плата	AORUS Gigabyte PRO AX
	Блок питания	SuperFlover 650w gold
Характеристики программного обеспечения	Операционная система	Microsoft Windows 10
	Текстовый редактор	Microsoft Word 2019
Интернет-сайты	Онлайн инструмент	I love PDF

Понятие суперкомпьютера

В настоящее время суперкомпьютерами принято называть компьютеры с огромной вычислительной мощностью, предназначенные для высокопроизводительных вычислений.

В принципе, суперкомпьютер — это обычная вычислительная система, позволяющая производить сложные расчеты за более короткие промежутки времени. О чем, собственно, и говорит приставка «Супер»².

Важным показателем производительности компьютера является степень его быстродействия. Она измеряется так называемыми Флопсами (FLOPS)³.

Вокруг попыток дать определение термина «суперкомпьютер» всегда было много споров.

Что такое супер-ЭВМ? Оксфордский толковый словарь по вычислительной технике, изданный в 1986 году, сообщает, что суперкомпьютер — это очень мощная ЭВМ с производительностью свыше 10 MFLOPS (миллионов операций с плавающей запятой в секунду). Сегодня этот результат перекрывают уже не только рабочие станции, но даже, по крайней мере, по пиковой производительности, и ПК⁴.

Однако такой подход к определению супер-ЭВМ не совсем корректен. Более корректно, на наш взгляд, перечислить основные признаки, характеризующие супер-ЭВМ, среди которых кроме высокой производительности следует отметить:

• 
  самый современный технологический уровень;
  
• 
  специфические архитектурные решения, направленные на повышение быстродействия (например, наличие операций над векторами);
  
• 
  цена, обычно свыше 1-2 млн. долл.
  

Из-за большой гибкости самого термина до сих пор распространены довольно нечёткие представления о понятии «суперкомпьютер». Шутливая классификация Гордона Белла и Дона Нельсона, разработанная приблизительно в 1989 году, предлагала считать суперкомпьютером любой компьютер, весящий более тонны. Современные суперкомпьютеры действительно весят более 1 тонны, однако далеко не каждый тяжёлый компьютер достоин чести считаться суперкомпьютером. В общем случае, суперкомпьютер — это компьютер значительно более мощный, чем доступные для большинства пользователей машины. При этом скорость технического прогресса сегодня такова, что нынешний лидер легко может стать завтрашним аутсайдером.

Архитектура также не может считаться признаком принадлежности к классу суперкомпьютеров. Ранние компьютеры CDC⁵ были обычными машинами, всего лишь оснащёнными быстрыми для своего времени скалярными процессорами, скорость работы которых была в несколько десятков раз выше, чем у компьютеров, предлагаемых другими компаниями.

История развития суперкомпьютеров

Понятие «суперкомпьютер» существует почти так же долго, как и само представление о компьютере, но началом эры суперкомпьютеров можно, пожалуй, назвать 1976 год, когда появилась первая векторная система Cray 1.

Изобретателем суперкомпьютера является американский инженер С.Крей. В 1972 году он открыл свою фирму под названием «Крей Ресерч Инкорпорейтед». Эта фирма занималась разработкой самых высокоскоростных компьютеров в мире. Изобретением стали мультипроцессорные компьютеры, способные осуществлять одновременную обработку данных. В 1976 году был выпущен первый суперкомпьютер под названием «Крей-1», который мог осуществлять 240 млн. вычислений в одну секунду. Он применялся для научных исследований, таких, например, как моделирование сложных физических явлений. Такие компьютеры приобретались правительственными учреждениями и университетскими лабораториями. Cray-1, был самым быстродействующим на тот момент времени. Работая с ограниченным в то время набором приложений, Cray 1 показала настолько впечатляющие по сравнению с обычными системами результаты, что заслуженно получила название “суперкомпьютер” и определяла развитие всей индустрии высокопроизводительных вычислений еще долгие годы.

Следующие модели Крея – «Крей 1-М» и «Крей X-МР» обладали ещё большим быстродействием.

В 1985 г. появился «Крей-2», который мог выполнить 1 200 млн. операций за 1 с. Представленный в 1988 г. «Крей Y-MP» обладал быстродействием 2 670 млн. операций за секунду. Позднее были созданы суперкомпьютеры с ещё большим быстродействием.

Первым отечественным суперкомпьютером является БЭСМ-6, выпущенный в 1967 году под руководством, гениального инженера Сергея Алексеевича Лебедева. В данном компьютере было заложено так много инновационных решений, что её производство продолжалось на протяжении двадцати лет! Попытка американских инженеров создать что-либо совершеннее БЭСМ-6, носившая имя ILLIAC-IV, окончилась неудачей: данный суперкомпьютер оказалась дороже, сложнее и медленнее "русской машины". БЭСМ-6 не была единственным советским суперкомпьютером. В последние годы своей жизни Лебедев руководил работами по созданию многопроцессорного комплекса "Эльбрус". Работы над первым компьютером серии "Эльбрус" завершились в 1979 году, и, хотя по производительности он, равно как и другие компьютеры серии, отставали от зарубежных аналогов, в его процессоре впервые была применена технология суперскалярности. Суперскалярная архитектура, то есть технология параллельного выполнения нескольких команд, независимых друг от друга, вскоре была реализована в большинстве процессоров для персональных компьютеров; таким образом, в процессорах Intel и AMD есть частичка нашего, русского, инженерного знания.

Современный ПК раз в 500 превосходит по быстродействию Cray. Приставка супер- за это время нивелировалась, и сейчас многие избегают термина «суперкомпьютер». Как правило, современные суперкомпьютеры представляют собой большое число высокопроизводительных серверных компьютеров, соединённых друг с другом локальной высокоскоростной магистралью для достижения максимальной производительности в рамках подхода распараллеливания вычислительной задачи.

Безусловно, это уже не те монстры, которые помнят ветераны - новые технологии и требовательный рынок коммерческих применений существенно изменили облик современного суперкомпьютера, теперь это не огромные шкафы с уникальной аппаратурой, вокруг которой колдуют шаманы по информатики, а вполне эргономичные системы с унифицированным программным обеспечением, совместимые со своими младшими собратьями.

Устройство суперкомпьютера

Существуют различные подходы к достижению высокой вычислительной мощности вычислительных установок. Ряд таких подходов можно найти в работе.

В последнее время все большую популярность завоевывают архитектуры MPP⁶ и кластерный принцип построения суперкомпьютеров:

1) используются широкодоступные компоненты – самые обычные процессоры, материнские системные платы (весьма часто двухпроцессорные), модули памяти, жесткие диски;

2) из этих компонентов собирают большое число вычислительных узлов;

3) вычислительные узлы соединяются между собою системной сетью, для этого используются либо существующие технологии высокоскоростных локальных сетей (например, сегодня это Gigabit Ethernet), либо специализированные высокопроизводительные сетевые технологии (Myrinet, SCI, Infiniband и т.п.);

4) системную сеть, как правило, используют только для интеграции вычислительной мощности вычислительных узлов; как правило, это делается за счет реализации при помощи аппаратуры системной сети примитивов MPI⁷;

5) часто кроме системной сети узлы связывают еще различными сетями: вспомогательной сетью, как правило, с протоколом TCP/IP⁸ (используется для передачи файлов и управления узлами); сервисной сетью (например, для управления электропитанием, для мониторинга и управления вычислительными узлами и т. п.)

Основным интерфейсом к суперкомпьютеру для пользователей является планировщик задач. Этот важнейший компонент любого суперкомпьютера выполняет функции распределения вычислительных ресурсов между различными задачами, отслеживает загруженность вычислительных узлов и фактически является распорядителем всего процесса выполнения инженерных расчетов на предприятии. Наличие планировщика задач превращает суперкомпьютер в централизованный вычислительный ресурс для всего предприятия.

Вторым важным звеном является вычислительное поле. Современные программные пакеты для инженерных расчетов широко используют методику распараллеливания вычислительных задач. Это позволяет укорить выполнение расчетов, распределив задачи между несколькими серверами вычислительного кластера.

Неотъемлемым компонентом суперкомпьютера является специализированная система хранения. Она должна быть высокопроизводительной, отвечающей высоким требованиям вычислительных задач.

Как и любой вычислительный комплекс, суперкомпьютер обладает типовыми инфраструктурными компонентами, такими как системы администрирования и резервного копирования.

Современные тенденции развития суперкомпьютерной техники

Сейчас в мире идет гонка за экзафлопсом. Дело в том, что по закону Мура, где говорится о двукратном увеличении производительности компьютеров каждые 2 года, наблюдался 10- или 11-летний цикл прироста производительности от гигафлопс до петафлопс. Рубеж 1 петафлопс был преодолён в 2008 году. Тогда же ведущие создатели суперкомпьютеров поставили себе задачу достичь к 2019 году уровня 1 экзафлопс. Но существует проблема. Она состоит в том, что пока не разработаны технологии энергосбережения, которые позволят создать такой суперкомпьютер при разумных затратах труда и денежных средств. Считается, что на данный момент достигнут предел по физическому количеству транзисторов в одном микрочипе, то есть теперь закон Мура перестаёт действовать, и даже если инженеры смогут поставить достаточное количество транзисторов для обеспечения вычислительной мощности компьютеров нового поколения, процессоры будут перегреваться и плавиться. Если же создавать системы с производительностью от 1 экзафлопс по современным технологиям, то для работы только одной из них нужно строить целую электростанцию мощностью более 2 гигаватт, а это сравнимо с энергопотреблением целого города. К тому же при гипотетической реализации проекта неизбежно возникнет проблема надёжности узлов. Чем больше узлов, тем чаще они будут выходить из строя. Такой компьютер с производительностью от 1 экзафлопс будет ломаться непрерывно, и поэтому за данный проект сейчас не возьмётся ни одна организация мира, слишком большие проблемы придётся решать, и это будет слишком дорого стоить. Всё это требует радикальных изменений компьютерной архитектуры, и наиболее важное из них – уменьшение энергопотребления.

Суперкомпьютерные технологии в современном мире стали стратегической областью, без которой невозможно дальнейшее развитие экономики. Мощность национальных суперкомпьютеров сейчас так же важна, как мощность электростанций или количество боеголовок. Суперкомпьютер стал показателем технического уровня государства. В XX веке существовали две великие гонки, оказавшие самое сильное воздействие на дальнейшее развитие человечества, – ядерная и космическая. Теперь наступила пора третьей гонки – вычислительной.

Роль суперкомпьютеров, к примеру, в поддержании боеспособности американского ядерного потенциала обеспечивает им приоритетный статус. Теперь же, когда Китай бросает серьёзный вызов западному компьютерному превосходству, многие специалисты заговорили о том, что суперкомпьютеры должны играть большую роль и в обеспечении национальной экономики. Эти аппараты многократно умножают мощь науки, инженерных разработок и делают возможным оптимальное распределение ресурсов для достижения поставленных целей, так что обладатели самых мощных компьютеров имеют фору в экономической гонке. Суперкомпьютеры не только демонстрируют уровень технологической мощи государства, но и способствуют его повышению.

Применение суперкомпьютеров

Суперкомпьютеры используются во всех сферах, где для решения задачи применяется численное моделирование; там, где требуется огромный объём сложных вычислений, обработка большого количества данных в реальном времени, или решение задачи может быть найдено простым перебором множества значений множества исходных параметров.

Изначально суперкомпьютеры применялись почти исключительно для оборонных задач: расчёты по ядерному и термоядерному оружию, ядерным реакторам. Потом, по мере совершенствования математического аппарата численного моделирования, развития знаний в других сферах науки — суперкомпьютеры стали применяться и в «мирных» расчётах, создавая новые научные дисциплины: численный прогноз погоды, вычислительная биология и медицина, вычислительная химия, вычислительная гидродинамика, вычислительная лингвистика и проч., — где достижения информатики сливались с достижениями прикладной науки.

Применение суперкомпьютеров предполагает два основных конкурентных преимущества: экономию времени и денег.

Чуть ли не самой важной задачей использования суперкомпьютеров в области медицины ведущие биологи и врачи считают разработку лекарственных препаратов, где начальный этап упрощается за счет применения методов компьютерного молекулярного моделирования.

Кардинально меняются возможности диагностических процессов как в осмыслении результатов известных инструментальных методов типа МРТ, так и возможности прогнозирования развития патологий в большой совокупности влияющих факторов посредством имитационного моделирования. Например: исследование процесса циркуляции крови, для нахождения причин новообразований.

И всё же самая большая потребность в HPC-вычислениях существует в ядерной энергетике. Для выполнения условий международного договора о запрещении испытаний ядерного оружия основная задача заключается в том, чтобы без реальных испытаний на полигонах осуществлять расчёт процессов старения существующих ядерных зарядов. Главная же проблема ядерной энергетики – это построение вычислительного комплекса, на котором будет возможно моделирование ядерного взрыва в режиме реального времени. Даже машина с производительностью от 1 экзафлопс будет слишком медлительной для такого рода вычислений. И весьма вероятно, что для моделирования ядерного взрыва в режиме реального времени потребуется компьютер с производительностью более 100 йоттафлопс, то есть в 100 млн раз быстрее, чем 1 экзафлопс. Так что гонка вычислений будет продолжаться ещё не одно десятилетие.

Заключение

В наше время в суперкомпьютерном мире наблюдается новая волна, которая вызвана как успехами в области микропроцессорных технологий, так и появлением нового круга задач, выходящих за рамки традиционных научно-исследовательских лабораторий.

В современном мире суперкомпьютерные технологии стали стратегической областью. И без нее неосуществимо дальнейшее развитие экономики. Мощность национальных супер-ЭВМ сейчас так же важна, как мощность электростанций или количество боеголовок. Суперкомпьютер стал показателем технического уровня государства.

Список использованных источников

1 Жирков, А Суперкомпьютеры: развитие, тенденции, применение [Текст]/ А. Жирков. – CTA, 2014.−№2.− С.16-20

2 Аверьянов, Г.П., Дмитриева, В.В. Современная информатика [Текст]: учеб. пособие / Г.П.Аверьянов, В.В. Дмитриева. – М.:НИЯУ МИФИ, 2011. – 436с.

3 Энциклопедия компьютера. Суперкомпьютер [Электронный ресурс]/Режим доступа: http://infosoft.far.ru.

4 Мегаобучалка. Применение суперкомпьютеров [Электронный ресурс]/ Режим доступа: http://megaobuchalka.ru.

5 Аналитика. Основные тенденции в развитии суперкомпьютеров [Электронный ресурс]/Режим доступа: http://www.future.cnews.ru.

1^ Криптоаналитик — специалист по криптоанализу. Одним из первых криптоаналитиков был Аристотель, криптографически вскрывший скиталу — одно из первых известных криптографических устройств.

2^ Super в переводе с английского означает: сверх, над.

3^ FLOPS - от английского сокращения, обозначающего количество операций с числами, представленными в форме с плавающей запятой, в секунду. То есть за основу берется подсчет - сколько наиболее сложных расчетов машина может выполнить за один такт.

4^ Персональный компьютер, однопользовательская ЭВМ.

5^ CDC6600 первый в мире суперкомпьютер, разработанный и созданный американской компанией Control Data Corporation в 1963 году.

6^ MPP – класс архитектур параллельных вычислительных систем. Особенностью архитектуры состоит в том, что память физически разделена.

7^ MPI – интерфейс для обмена данными.

8^ Протокол TCP/IP – сетевая модель передачи данных.