Суперкомпьютеры: гонки за флопсами

В ноябре 2004 года в США на международной конференции SC2004 был обнародован очередной перечень пятисот самых быстрых суперкомпьютеров нашей планеты. Из всех вошедших в него вычислительных комплексов 267 находятся в США, 127 — в Европе и 87 — в Азии.

Два первых места в этом списке принадлежат американским компьютерам, третье — японскому, а четвертое — самому мощному суперкомпьютеру стран Евросоюза, который находится в Барселоне. Быстрейший компьютер Китая занимает 17-ю позицию, Израиля — 49-ю, латиноамериканского региона — 53-ю (Бразилия), Канады — 54-ю, Южной Кореи — 64-ю, Индии — на 267-м. Страны бывшего СССР представлены в этом рейтинге только суперкомпьютером Объединенного Института проблем информатики Национальной Академии Наук Беларуси, который занял 98-е место.
Суперкомпьютерами принято называть наиболее мощные вычислительные системы, превосходящие все остальные по быстродействию и объему памяти. Некоторые суперкомпьютеры специально проектируются под решение определенного круга задач, например, моделирования глобальных климатических изменений, проведения расчетов, связанных с хранением и применением ядерного оружия, исследования ДНК, моделирования действий фармацевтических препаратов и т. д. Впрочем, абсолютное большинство суперкомпьютеров не обладают столь узкой специализацией и поэтому могут с равной эффективностью использоваться для любых расчетов. Один суперкомпьютер стоит, минимум, $ 30 млн., но цена может доходить до $ 500 млн. и более (к примеру, компания IBM, изготовившая суперкомпьютер ASCI Purple для Министерства Энергетики СШАDepartment of Energy, получила $ 250 млн.). Стоимость программного обеспечения для суперкомпьютеров обычно превышает $ 25 тыс.
Раньше быстродействие этих машин измеряли числом программных команд, осуществляемых в течение секунды (первый суперкомпьютер, ламповый Colossus, с помощью которого британская разведка взломала германские шифры в 1943 году, осуществлял 5 тыс. команд в секунду), но постепенно этот критерий вышел из употребления. В настоящее время универсальной мерой скорости работы суперкомпьютеров является количество вычислений с плавающей точкой, выполняемых за одну секунду, так называемых флопсов (floating-point operations per second, сокращенно — flops). Миллион таких операций составляет мегафлопс, миллиард — гигафлопс, и триллион — терафлопс. Во всем мире имеется лишь девять суперкомпьютеров, максимальное быстродействие которых превышает 10 терафлопс. В настоящее время уже проектируются системы, скорость работы которых будет измеряться на квадриллионы флопсов — петафлопсы.
История создания суперкомпьютеров неразрывно связана с именем американца Сеймура КреяSeymour Cray. В 1957 году он создал электронную компанию Control Data Corporation, которая занялась проектированием и постройкой вычислительных комплексов, ставших родоначальниками современных суперкомпьютеров. В 1958 году под руководством Крея был создан первый в мире мощный компьютер на транзисторах CDC 1604, за которым последовали более совершенные системы CDC 6600 и CDC 7600. В 1972 году Крей основал собственную фирму Cray Research, которая занялась разработкой и производством настоящих суперкомпьютеров. В 1976 году она выпустила систему CRAY-1 с быстродействием порядка 100 мегафлопс. Девятью годами позже появился суперкомпьютер CRAY-2, который работал со скоростью 1−2 гигафлопс. В 1989 году Крей основал фирму Cray Computer Corporation и вскоре создал суперкомпьютер CRAY-3, быстродействие которого доходило до пяти гигафлопс. После появления этой машины в английский язык вошло выражение «время Крея"Cray time — то есть, стоимость часа работы суперкомпьютера (тогда она составляла $ 1 тыс. в час).
5 октября 1996 году Крей погиб в автомобильной катастрофе, когда его фирма уже уступила мировое лидерство в гонке суперкомпьютеров. К концу того года три быстрейших компьютера мира находились в Японии. Два из них были изготовлены корпорацией Hitachi (с быстродействием 368 и 220 гигафлопс), и один — корпорацией Fujitsu (230 гигафлопс).
В 1997 году американская компания Intel выпустила суперкомпьютер ASCI Red, первую в мире систему с быстродействием более одного триллиона операций в секунду, точнее, 1.334 терафлопс. Суперкомпьютеры этой фирмы сохраняли первенство еще два года, но в 2000 году их опередил компьютер ASCI White корпорации IBM, установленный в Ливерморской лабораторииLawrence Livermore National Laboratory (проводит исследования в ядерной сфере), который ежесекундно производил 4 трлн. 938 млрд. вычислений (4.938 терафлопс). Он оставался мировым лидером и год спустя, причем после ряда модификаций его скорость дошла до 7.226 терафлопс. Однако в апреле 2002 года японская коррпорация NEC запустила свой специализированный суперкомпьютер Earth Simulator, который достиг максимальной скорости 35.86 терафлопс. Вплоть до недавнего времени эта машина сохраняла титул самого быстрого компьютера нашей планеты.
Смена лидеров рейтинга суперкомпьютеров произошла во второй половине осени 2004 года. 29 сентября на первое место вышел суперкомпьютер фирмы IBM Blue Gene/L, который во время тестовой прогонки достиг скорости 36.01 терафлопс. Этот рекорд, однако, продержался меньше месяца. 26 октября НАСАNASA сообщила, что его новый суперкомпьютер Columbia, названный в честь погибшего в феврале 2003 года шаттла, выполнил серию вычислений со скоростью 42.7 терафлопс. Буквально через несколько дней стало известно, что тот же самый компьютер (построенный фирмой Silicon Graphics) дошел до быстродействия 51.87 терафлопс. Однако в начале ноября звание абсолютного рекордсмена вновь завоевал Blue Gene/L, который корпорация IBM построила по заказу Министерства Обороны СШАDepartment of Defense. В настоящее время максимальная скорость его работы составляет 70.72 терафлопс, в силу чего он и занимает первое место в новейшем рейтинге суперкомпьютеров. Columbia стоит там на втором месте, а Earth Simulator — на третьем. Как уже говорилось, четвертая позиция принадлежит барселонскому компьютеру MareNostrum (20.53 терафлопс).
Суперчемпион компьютерного мира пока что проходит окончательную отладку на заводе фирмы IBM в штате Миннесота, однако вскоре его установят в Ливерморской лаборатории. Сейчас Blue Gene/L оснащен 16 384 процессорами, но со временем их число вырастет в четыре раза. Расчеты показывают, что после такой модернизации компьютер сможет достичь быстродействия 360 терафлопс. Это означает, что рубеж в 1 петафлопс может быть перейден уже в ближайшие годы.
В ноябре 2004 года Конгресс СШАUS Congress согласился выделить $ 165 млн. в течении трех лет на поддержку исследований в сфере производства суперкомпьютеров. Формально эти деньги достанутся Министерству Энергетики США, которое однако должно предоставить американским ученым возможность пользоваться суперкомпьютерами.

Полный перечень 500 мощнейших суперкомпьютеров (английский язык) доступен здесь.