Суперкомпьютеры и их применение

Содержание:

Введение

Стремительное развитие информационных технологий – настоящий тренд современного мира. Год от года растет мощность и быстродействие наших смартфонов и ноутбуков. Однако они только часть огромного компьютерного мира, в котором существуют куда более сложные и совершенные вычислительные машины, естественно, недоступные рядовому юзеру. Речь идет о суперкомпьютерах.

Сегодня такие устройства работают в самых разных сферах: решают сложнейшие математические задачи, помогают исследовать строение атома, предсказывают погоду, расшифровывают геномы живых организмов и делают многое другое. Суперкомпьютеры разрабатывают ядерное оружие нового поколения и моделируют его испытания. Поэтому неудивительно, что между ведущими государствами мира идет настоящая «суперкомпьютерная» гонка. Сейчас в США и Китае ведутся работы по созданию ЭВМ, способных производить один квадрильон операций в секунду. Машину с такими характеристиками планируют построить к 2020 году.

Сейчас лидерами в создании суперкомпьютеров являются США, Китай, Европа и Япония. Россия, к сожалению, в данном вопросе существенно отстает. В Соединенных Штатах находятся 5 из 10 наиболее мощных ЭВМ подобного типа. Но прежде чем говорить о суперкомпьютерах и их применении, следует разобраться в конструкции данных устройств и сказать несколько слов об эволюции этих машин.

Общее определение и описание

Суперкомпьютер – это высокопроизводительная вычислительная машина, по своим параметрам существенно превосходящая большинство образцов компьютерной техники. Обычно они представляют собой значительное количество параллельно работающих серверных ЭВМ, соединенных локальной сетью. За счет концентрации процессорной мощности, подобные устройства могут обрабатывать огромные массивы данных. Суперкомпьютеры – это современные вычислительные машины с высокой мощностью и скоростью обработки данных. Они не выпускаются большими партиями и не продаются в магазинах. Суперкомпьютеры могут быть как микроскопически малы, так и занимать несколько комнат или даже этажей, все зависит от функций и задач, которые будет решать электронная техника. 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. Следующие модели Крея – «Крей 1-М» и «Крей X-МР» обладали ещё большим быстродействием.

Сферы применения

В основном, суперкомпьютеры применяются в научных исследованиях, а также в областях, связанных с интенсивными вычислениями, а именно:

• физика плазмы и статическая механика;
• молекулярная и атомная физика;
• газовая динамика и теория турбулентности;
• астрофизика, космические исследования;
• метеорология, изучение и моделирование климатических, атмосферных явлений, в том числе долгосрочный прогноз погоды;
• ядерная энергетика, моделирование ядерных испытаний;
• квантовая химия, химия твердого тела;
• молекулярная динамика, теория поверхностных явлений;
• генетика, анализ и расшифровка ДНК;
• сейсморазведка, обработка сейсмических данных;
• геопространственная разведка в нефте- и газодобывающей промышленности;
• моделирование прототипов и креш-тестов в автомобилестроении;
• проектирование сложных электронных устройств;
• фармакология и синтез новых лекарственных материалов;
• обеспечение государственной безопасности, в том числе кибербезопасности, анализ военно-политических процессов;
• имитационное, ситуационное моделирование и поддержка принятия решений;
• визуализация и виртуальные среды, распознавание изображений, рендеринг, речевой синтез;
• искусственный интеллект;
• анализ больших объемов данных.

Биология и медицина.

Современные медицинские исследования, новейшие разработки и научные открытия стали возможны именно благодаря суперкомпьютерам, которые позволяют проводить своевременную диагностику, с большим процентом вероятности прогнозировать ход болезни и реакцию организма на лечение. Суперкомпьютеры позволяют моделировать процессы, происходящие в жизненно важных органах, чтобы понять основной принцип их работы и эффективно бороться с патологиями. 
В биологии суперкомпьютеры, микрочипы и электронные микроскопы используются для изучения процессов, происходящих на клеточном уровне, что дает большие возможности для серьезнейших научных открытий, способных изменить современную науку. 
 В медицине и биологии суперкомпьютеры больше нужны именно для исследовательской работы, хотя, некоторые крупные клиники могут позволить себе использовать такие машины и для решения прикладных задач: диагностики и лечения.

Космическое пространство.

Суперкомпьютеры нужны не только для фиксирования данных на борту космических станций и обеспечения эффективности работы этих грандиозных сооружений. Мощнейшая вычислительная техника позволяет проектировать новые орбитальные и межпланетные станции, выстраивать данные оптимальной траектории движения станций, изучать процессы, влияющие на геомагнитный фон Земли, отслеживать и предугадывать всплески солнечной активности и выявить их закономерности.  
При разработке новых моделей космических станций и искусственных спутников, суперкомпьютеры проводят серьезную работу по моделированию и прогнозированию всех возможных ситуаций, обеспечивая, таким образом, безопасность полета.
Климат и погода. Благодаря суперкомпьютерам стало возможно очень точно предсказывать погоду. Цифровая обработка данных, полученных на метеорологических станциях, производится в кратчайшие сроки, что дает шанс заглянуть в будущее и предупредить людей о возможных погодных неприятностях. Эта работа суперкомпьютеров тесно связана с прогнозами стихийных бедствий, которые способны спасти жизнь многих людей.
Стихийные бедствия и экологические  катастрофы.
Современные мощные суперкомпьютеры дают возможность с большой долей вероятности прогнозировать природные катаклизмы: землетрясения, цунами, пожары, наводнения и штормы. Чем раньше люди получат информацию о надвигающейся беде, чем больше у них шансов спастись.
Промышленность.
Благодаря суперкомпьютерам наша жизнь становится более комфортабельной и безопасной, ведь именно эти машины помогают разрабатывать новые модели автомобилей и самолетов. Исследование аэродинамических свойств, устойчивости, маневренности, способы сочетать эти качества в оптимальной пропорции могут только суперкомпьютеры. 

Кто лидирует в суперкомпьютерной гонке

Самым мощным суперкомпьютером 2020 года является американская ЭВМ Summit (до 143,5 петафлокс). На втором месте находится система Sierra (до 94,6 петафлопс), потеснившая китайский суперкомпьютер Sunway TaihuLight (93 петафлопс). На четвертом месте находится Tianhe-2A (61,4) из КНР, а на пятом – швейцарское устройство Piz Daint (21,23).

К 2021 году американские компании AMD и Cray обещают построить самый мощный компьютер не только в США, но и во всем мире. Он получит название Frontier. ЭВМ будет обладать быстродействием в 1,5 эксафлопса и превосходить первые 160 суперкомпьютеров из текущего списка топ-500. Вычислительную машину планируют оснастить искусственным интеллектом следующего поколения.

Заключение

Тенденции дня сегодняшнего свидетельствуют о том, что в ближайшем будущем нас ожидает этап концентрации информационных ресурсов в больших вычислительных центрах или центрах обработки данных нового поколения. Поэтому, не менее актуальным является проблема быстрой интеллектуальной обработки больших массивов данных, с которой помогут справиться именно суперкомпьютеры. К сожалению, в этом процессе Россия пока сильно отстает от лидеров, я искренне надеюсь, что это в скором времени положение поменяется.

Японский суперкомпьютер Фугаку оборудована 158к 48 ядерными процессорами Fujitsu A64FX. K Computer

Суперкомпьютер Сray cs-storm

Суперкомпьютер Juqueen – Blue Gene/Q

Vulcan – Blue Gene/Q

Stampede – PowerEdge C8220

Piz Daint – Cray XC30

Mira - Blue Gene/Q

Sequoia – Blue Gene/Q

Titan – Cray XK7

Tianhe-2 / Млечный путь-2

Список литературы:

1. Жирков, А. Суперкомпьютеры: развитие, тенденции, применение/А. Жирков//CTA. −2014. −№2. −С.16-20.
2. Статья в журнале ЦЭ «Центры обработки данных нового поколения – взгляд на горизонт».
3. Суперкомпьютер [Электронный ресурс]. −Режим доступа//https://ru.wikipedia.org/wiki/
4. http://digital-economy.ru/.

Спасибо за внимание!