Суперкомпьютеры: титаны вычислений

Супер-ЭВМ: квадриллион операций в секунду

Точного определения, что такое «суперкомпьютер», не существует. Компьютерная индустрия находится в постоянном развитии, и сегодняшние супермашины завтра уже будут далеко позади. Можно сказать, что суперкомпьютер – это очень мощный компьютер, который способен обрабатывать гигантские объемы данных и производить сложнейшие расчеты. Там, где человеку для вычислений нужны десятки тысяч лет, суперкомпьютер обойдется одной секундой. И если в 1980-х суперкомпьютером в шутку предлагали называть любые ЭВМ, весящие более тонны, то сегодня они чаще всего представляют собой большое количество серверных компьютеров с высокой производительностью, объединенных высокоскоростной сетью.

Современный суперкомпьютер – это огромное устройство, состоящее из модулей памяти, процессоров, плат, объединенных в вычислительные узлы, связанные между собой сетью. Управляющая система распределяет задания, контролирует загрузку и отслеживает выполнение задач. Системы охлаждения и бесперебойного питания обеспечивают беспрерывную работу супер-ЭВМ. Весь комплекс может занимать значительные площади и потреблять огромное количество энергии.

Производительность суперкомпьютеров измеряется во флопсах – количестве операций с плавающей запятой, которые система может выполнять в секунду. Так, например, один из первых суперкомпьютеров, созданный в 1975 году американский Cray-1, мог совершать 133 миллиона операций в секунду, соответственно, его пиковая мощность составляла 133 мегафлопс. А самый мощный на июнь 2019 года суперкомпьютер Summit Ок-Риджской национальной лаборатории обладает вычислительной мощностью 122,3 петафлопс, то есть 122,3 квадриллиона операций в секунду.

Суперкомпьютер «Ломоносов-2». Фото: «Т-Платформы»

Существует международный рейтинг топ-500, который с 1993 года ранжирует самые мощные вычислительные машины мира. Данные рейтинга обновляются два раза в год, в июне и ноябре. В 2019 году в первую десятку входят суперкомпьютеры США, Китая, Швейцарии, Японии и Германии. Единственный отечественный суперкомпьютер в первой сотне рейтинга − «Ломоносов-2» из Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ производительностью 2,478 терафлопс, занявший в июне 2019 года 93-е место.

Чтобы определить мощность суперкомпьютера, или, как его еще называют в английском языке, «числодробилки» (number cruncher), используется специальная тестовая программа, которая предлагает машинам решить одну и ту же задачу и подсчитывает, сколько времени ушло на ее выполнение.

Первым программистом мира является

а) Появление второго поколения ЭВМ было обусловлено переходом от электронных ламп к транзисторам.

б) В ЭВМ первого поколения отсутствовало устройство управления.

в) В ЭВМ первого поколения отсутствовала оперативная память.

г) Машины третьего поколения — это семейства машин с единой архитектурой, то есть программно совместимых.

д) Компьютер с процессором Intel Pentium Ш относится к четвёртому поколению ЭВМ.

+ а, г, д

В истории становления информатики система счета АБАК представляет-..

+механический этап

Последовательность смены элементной базы ЭВМ:

а) дискретные полупроводниковые приборы

б) электронно-вакуумные лампы

в) интегральные микросхемы

+б), а), в)

Хронологическая последовательность появления операционных систем:

г) Windows Vista

+а), в), б), г)

Компьютеры, созданные для решения предельно сложных вычислительных задач, — это .

+суперкомпьютеры

6)

Частота генератора тактовых импульсов измеряется в.

+мегагерцах

Верным(и) является(ются) утверждение(я):

a) Сетевая плата не является устройством приема-передачи данных.

b) Микропроцессор не имеет элементов памяти.

c) Флэш-память является долговременной памятью.

d) В мониторах на жидких кристаллах отсутствует электромагнитное излучение.

2. Типы и назначение компьютеров

Существование различных типов компьютеров определяется различием задач, для решения которых они предназначены. С течением времени появляются новые типы задач, что приводит к появлению новых типов компьютеров. Поэтому приведенное ниже деление очень условно.

— встроенные компьютеры-невидимки (микропроцессоры);

— персональные компьютеры (ПК).

Для выполнения изначального назначения компьютеров — вычислений — на рубеже 60-70 годов были созданы специализированные ЭВМ, так называемые суперкомпьютеры.

Суперкомпьютеры — специальный тип компьютеров, создающихся для решения предельно сложных вычислительных задач (составления прогнозов, моделирования сложных явлений, обработки сверхбольших объемов информации).

Компьютер, работающий в локальной или глобальной сети, может специализироваться на оказании информационных услуг другим компьютерам, на обслуживании других компьютеров. Такой компьютер называется сервером от английского слова serve (в переводе — обслуживать, управлять). Например, в локальной сети один из компьютеров (имеющей скоростной жесткий диск большой ёмкости) может выполнять функции файлового сервера, а другой (к которому присоединен принтер) сервера печати.

Кроме привычных компьютеров с клавиатурами, мониторами, дисководами, сегодняшний мир вещей наполнен компьютерами-невидимками. Микропроцессор представляет собой компьютер в миниатюре. Массовое распространение микропроцессоры получили и в производстве, там, где управление может быть сведено к отдаче ограниченной последовательности команд. Микропроцессоры незаменимы в современной технике. Например, управление современным двигателем — обеспечение экономии расхода топлива, ограничение максимальной скорости движения, контроль исправности и т. д. — немыслимо без использования микропроцессоров. Еще одной перспективной сферой их использования является бытовая техника.

12 августа 1981 года корпорация IBM представила первую в мире модель персонального компьютера (ПК, PC). Персональные компьютеры совершили компьютерную революцию в профессиональной деятельности миллионов людей и оказали огромное влияние на все стороны жизни человеческого общества.

Типы компьютеров

Существование различных типов компьютеров определяется различием задач, для решения которых они предназначены. С течением времени появляются новые типы задач, что приводит к появлению новых типов компьютеров. Поэтому приведенное ниже деление очень условно.

• суперкомпьютеры;
• специализированные компьютеры-серверы;
• встроенные компьютеры-невидимки (микропроцессоры);
• персональные компьютеры.

Для выполнения изначального назначения компьютеров — вычислений — на рубеже 60—70 годов были созданы специализированные ЭВМ, так называемые суперкомпьютеры.

Суперкомпьютеры — специальный тип компьютеров, создающихся для решения предельно сложных вычислительных задач (составления прогнозов, моделирования сложных явлений, обработки сверхбольших объемов информации). Принцип работы суперкомпьютера заключается в том, что он способен выполнять несколько операций параллельно.

Одной из ведущих компаний мира в производстве суперкомпьютеров является компания Cray Research. Ее основатель, человек-легенда Сеймур Крей, уже в середине 70-х годов построил компьютер Cray-1, который поражал мир своим быстродействием: десятки и даже сотни миллионов арифметических операций в секунду.

Как известно, скорость распространения любого сигнала не превышает скорости света в вакууме — 300 тысяч километров в секунду, или 300 миллионов метров в секунду. Если компьютер выполняет 300 миллионов операций в секунду, то за время выполнения одной операции сигнал успевает пройти не более одного метра. Отсюда следует, что расстояние между частями суперкомпьютера, выполняющими одну операцию, не может превосходить нескольких десятков сантиметров. И действительно, суперкомпьютеры компании Cray были очень компактны и выглядели как «бублик» диаметром менее двух метров. Этот «бублик» занимался только вычислениями. Для общения с человеком и доставки данных для вычислений к «бублику» были подключены несколько достаточно производительных обычных компьютеров.

Компьютер, работающий в локальной или глобальной сети, может специализироваться на оказании информационных услуг другим компьютерам, на обслуживании других компьютеров. Такой компьютер называется сервером от английского слова serve (в переводе — обслуживать, управлять). В локальной сети один из компьютеров может выполнять функции файлового сервера, т. е. использоваться для долговременного хранения файлов.

Основная задача, решаемая файловыми серверами, — организация хранения, доступа и обмена данными (информацией) между компьютерами, людьми и другими источниками и поставщиками информации. Требования к серверам иные, чем к суперкомпьютеру. Важно наличие у них устройств хранения информации (типа магнитных дисков) большой емкости, скорость же обработки информации не столь критична.

В классе серверов выделяется подкласс суперсерверов, необходимых в тех случаях, когда, с одной стороны, желательна централизация данных, а с другой стороны, к этим данным необходимо обеспечить доступ очень большому количеству потребителей.

Кроме привычных компьютеров с клавиатурами, мониторами, дисководами, сегодняшний мир вещей наполнен компьютерами-невидимками. Микропроцессор представляет собой компьютер в миниатюре. Кроме обрабатывающего блока, он содержит блок управления и даже память (внутренние ячейки памяти). Это значит, что микропроцессор способен автономно выполнять все необходимые действия с информацией. Многие компоненты современного персонального компьютера содержат внутри себя миниатюрный компьютер. Массовое распространение микропроцессоры получили и в производстве, там где управление может быть сведено к отдаче ограниченной последовательности команд.

Микропроцессоры незаменимы в современной технике. Например, управление современным двигателем — обеспечение экономии расхода топлива, ограничение максимальной скорости движения, контроль исправности и т. д. — немыслимо без использования микропроцессоров. Еще одной перспективной сферой их использования является бытовая техника — применение микропроцессоров придает ей новые потребительские качества.

В 1975 году появился первый персональный компьютер. С самого начала их выпуска стало ясно, что невысокая цена и достаточные вычислительные возможности этого нового класса компьютеров будут способствовать их широкому распространению.

Персональные компьютеры совершили компьютерную революцию в профессиональной деятельности миллионов людей и оказали огромное влияние на все стороны жизни человеческого общества. Компьютеры этого типа стали незаменимым инструментом работы инженеров и ученых. Особо велика их роль при проведении научных экспериментов, требующих сложных и длительных вычислений.

В последние годы появилась разновидность персонального компьютера — так называемый домашний компьютер. По сути, он ничем не отличается от персонального, только используется для других целей: развлекательных и образовательных.

Идея сетевого компьютера, работающего только в сети и представляющего собой упрощенный вариант персонального компьютера, все больше занимает умы разработчиков. Такому компьютеру не нужно хранить программы, он в любой момент может получить их по сети.

Китайский квантовый компьютер

В 2020 году достигнуть квантового превосходства попытались китайские ученые. Для этого они разработали компьютер, предназначенный для решения задачи по сэмплированию бозонов. Если говорить очень коротко, то системе нужно было рассчитать прохождение частиц света (фотонов) через оптический прибор. Эта задача была сформулирована несколько лет назад, но математическую формулу для ее решения создать попросту невозможно. По словам авторов научной работы, суперкомпьютеру TaihuLight для решения этой задачи потребовалось бы около 2,5 миллиардов лет. Но квантовый компьютер справился с задачей всего за 200 секунд.

Один из самых мощных компьютеров в мире — Sunway TaihuLight

Решение стало возможным благодаря одной хитрости. Так как в задаче речь идет о частицах света, вместо кубитов в компьютере использовались такие же фотоны. Таким образом ученые упростили задачу прямо «на уровне железа». Получается, что исследователям действительно удалось достичь квантового превосходства. Но и на это раз без критики не обошлось. Дело в том, что созданное для решение задачи устройство можно назвать компьютером лишь с большой натяжкой. В нем используются квантовые вычисления при помощи кубитов, но его нельзя программировать. То есть, на данный момент такой компьютер нельзя использовать для решения других задач. Но факт того, что квантовое преимущество достигнуто, уже есть.

Если вам интересны новости науки и технологий, подпишитесь на наш Telegram-канал. Там вы найдете анонсы свежих новостей нашего сайта!

Однако, с течением времени программируемая система на основе квантов все равно наверняка будет создана. Когда это случится, технологии станут развиваться с молниеносной скоростью. Например, человечество сможет быстро изобретать лекарства от опасных заболеваний и даже узнавать тайны Вселенной. Подробнее о том, как работает квантовый компьютер, можно узнать из этого видео.