Superračunala su ono što kolokvijalno znamo kao “NASA računala”, što se odnosi na iznimno moćno računalo koje je jedinstveno u svijetu u svakom trenutku. Njegova ogromna računalna snaga koristi se za rješavanje tehničkih i znanstvenih problema koji inače ne bi bili mogući.
Činjenica da se radi o jedinstvenim konstrukcijama znači da mnogo puta nisu ograničeni na to da budu klaster poslužiteljskog hardvera, ali je u povijesti bilo slučajeva u kojima su se stvarale hardverske komponente kao što su nove arhitekture procesora. Nadalje, velik dio tehnološkog napretka koji smo vidjeli da se pojavljuje za računala imao je kao svoje podrijetlo razvoj superračunala, a zatim se implementirao u velikim razmjerima.
Ukratko, kada govorimo o superračunalima, mislimo na najmoćniji hardver u svakom trenutku u povijesti računalstva.
CDC 6600, prvo od superračunala u povijesti
Koncept superračunala dugujemo informatičkom znanstveniku Seymouru Crayu koji je prvi predložio opću arhitekturu jednog. Cray je radio u centru za kontrolu podataka američke vojske i kada mu CDC nije dopustio da realizuje svoj izum, zaprijetio je da će otići, na kraju su popustili i to mu je omogućilo da stvori prvo superračunalo u povijesti, CDC 6600.
CDC 6600 je bio najmoćnije superračunalo od 1964. do 1969. godine, bio je složen komad za to vrijeme sastavljen od ukupno 400.000 tranzistora, brzine takta od 40 MHz i jedinice s plutajućim zarezom na 3 MFLOPS. Ne zaboravimo da su prva kućna računala koja su izašla desetljeće kasnije radila brzinom između njih 1 MHz i 4 MHz, bili su sastavljeni od nekoliko tisuća tranzistora, a nedostajala im je jedinica s pomičnim zarezom.
Najmoćnije računalo u to vrijeme bio je IBM 7030, a CDC 6600 ga je nadmašio u svakom pogledu, čineći Seymoura Craya i njegove dizajne mjerilom u računalstvu visokih performansi, ali samo CDC 6600 je bio početak priče.
Cray-1, superračunala koja su dovela do rođenja SIMD jedinice
Danas se SIMD jedinice nalaze u svim CPU-ima za uređaje svih vrsta, ali njihovo postojanje dugujemo drugom superračunalu u povijesti. Koju je također dizajnirao Seymour Cray, ali ovaj put već pod tvrtkom nazvanom po njegovom prezimenu, Cray Research i prvo od njegovih superračunala.
Cray-1 lansiran je 1975. i koristio je CPU od 80 MHz i imao je ugrađenu 64-bitnu preciznu SIMD jedinicu s pomičnim zarezom, što je bio ogroman skok koji je omogućio skok CDC-a 3 MFLOPS snage. 6600 pri 160 MFLOPS u Cray-u1. Da bismo vam dali predodžbu o tome što to potencijalno znači, moramo reći da tek sredinom 90-ih nismo vidjeli CPU u PC-u s istom snagom kao Cray-1 u pokretnom zarezu i tek kada se pojavila Intelova SSE tehnologija i AMD-ov 3Dnow nismo vidjeli 64-bitni SIMD s pomičnim zarezom u PC CPU-u.
1982. Cray Research je lansirao poboljšanu verziju svog superračunala u obliku svog Cray X-MP, gdje inicijali “MP” dolaze iz višeprocesora i nisu imali jedan nego četiri, koji su svaki dostizali 105 MHz i sa 820 MFLOPS konjskih snaga. , ali tvoja labudova pjesma došla je u obliku Craya 2 objavljen 1985. koji je povećao konjsku snagu na 1.9 GFLOPS. Cray-2 bio
Cray-2, NASA-ino superračunalo
Cray-u dugujemo mem “NASA superkompjuter”2, stvoren za slavnu specijalnu agenciju i raspoređen 1985., bio je i labudova pjesma za Cray Research i posljednje od njegovih superračunala. Cray Research je povećao broj CPU-a ovog prvog superračunala 8 CPU jezgre. Što je također dodalo niz dodatnih procesora, koji su bili odgovorni za rukovanje pristupom memoriji, pohrani i I/O sučeljima. Njegova računalna snaga? 1.9 GFLOPS računalne snage, tako da nije bio tako impresivan skok, ali najveća mu je posebnost činjenica da je bio hlađen tekućinom.
Međutim, bližio se kraj hladnog rata i za dizajn svojih superračunala, Cray Research je ovisio o ogromnom kapitalu u obrani američke vojske, uz to što su njegovi procesori bili enormne veličine i bilo ih je nemoguće prenijeti na druga tržišta. Drugim riječima, kada je pala željezna zavjesa i opao je interes za obrambenim superračunalom, Cray je izgubio najveće kupce koji su mu omogućili ne samo da preživi, već i da razvije svoje nove procesore.
ASCI Red, superračunala dolaze na teraFLOP
Ubrzo je postalo jasno da je dizajn ne tako složenih procesora bio neophodan za stvaranje superračunala, budući da nitko više nije bio spreman trošiti ogromne količine kapitala nakon završetka hladnog rata. Stoga je promjena paradigme bila neophodna i to je došlo pod konceptom korištenja mnogo jednostavnijih procesora, poput onih koji se koriste u računalima i poslužiteljima za stvaranje superračunala.
Ako govorimo o CPU-u za PC, jedan od najvažnijih je bio Intelov Pentium Pro, budući da je uveo koncepte kao što su korištenje predmemorije druge razine, mogućnost korištenja više od jednog procesora i izvršavanje izvan reda. Pa, tvrtka koju je osnovao Gordon Moore započela je dizajn ASIC Reda, koji je bio zvijer za ono vrijeme sastavljen od ni više ni manje od 76 Intel Pentium Pro CPU-a uz 1212 GB RAM-a i 9298 procesora za računalne zadatke. podrška.
Prvo superračunalo s mogućnošću dosega 1 TFLOPS snage u povijesti računalstva, međutim, i za razliku od dizajna Seymoura Craya, Pentium Pro nije CPU koji će se isticati po tome što ima SIMD jedinicu, dapače, nedostajala mu je takva jedinica, ali se ističe po tome što je prvo superračunalo u povijesti koje je koristilo PC CPU za svoju konstrukciju.
IBM Blue Gene i NEC Earth Simulator, mitska superračunala
Nakon što je dostignuta snaga teraflopa snage, sljedeći izazov je bio doći do PetaFLOP-a s računalom, to jest, 1000 puta veće od računalne snage ASCI Reda koju je dizajnirao Intel i bilo je prostora da se to postigne. Kao jedna od tvrtki koja se suočila s ovim izazovom, IBM je odlučio upotrijebiti svoje PowerPC procesore za stvaranje svog Blue Genea, projekta koji je započeo 1999. godine i nije završio do studenog 2004. godine.
Prvi BlueGene, poznat kao BlueGene / L, bio je sastavljen od ni više ni manje od 131072 CPU-a, astronomske brojke koja mu je omogućila da dosegne 70,72 TFLOPS snage, nešto što NVIDIA RTX 3090 ne postiže sam. Figura s kojom je uspio nadmašiti simulator Zemlje NEC-a, koji je u to vrijeme bio najmoćnije superračunalo.
Earth Simulator bio je zajednički razvoj NEC-a i vlade Japana s kapacitetom od gotovo 40 TFLOPS snage koji je dizajniran s ciljem predviđanja vremena. Od Blue Genea se razlikovao činjenicom da je bio baziran kao Cray u procesorima sa širokim SIMD jedinicama, dok je IBM dizajn koristio PowerPC CPU-e kao bazu bez ove vrste jedinica unutra. Tako je IBM dizajn bio sličniji ASCI Redu dok je Earth Simulator bio ranom Crayu.
IBM Roadrunner, konačno je dostignuta snaga PetaFLOP
2001. godine IBM je započeo razvoj procesora poznatog kao Cell Broadband Engine, koji je postao poznat po tome što je bio glavni CPU PlayStationa 3 konzole, ali je također korišten za stvaranje IBM Roadrunnera, superračunala koje je kombiniralo CPU. AMD Opteron s varijantom CBEA koja se koristi u PlayStationu 3, koji je koristio vektorske procesore ili SIMD zvan SPE iznutra.
IBM Roadrunner sastojao se od 6.912 AMD Opteron dvojezgrenih CPU-a i 12.960 Cell Broadband Engine procesora, mnogo niža brojka od Blue Genea, ali to ga nije spriječilo da razbije 1 PetaFLOP barijera snage. Iako je CBEA sam po sebi CPU, u Roadrunneru je korišten kao procesor za podršku za ubrzavanje paralelnih dijelova koda i bio je prethodnik korištenju GPU-a za te zadatke u superračunalu.
Prvo superračunalo koje koristi GPU
Danas je većina superračunala dizajnirana s CPU-om i GPU-om unutra, ali kao što možda dobro znate, to nije uvijek bio slučaj i tek 2008. pojavilo se prvo superračunalo koje je koristilo GPU za izračune, iako je učinio. na prilično skromnom sustavu u usporedbi s IBM Roadrunnerom.
TSUBAME je kreirao Tokyo Institute of Technology i koristio je prvu generaciju NVIDIA Tesle kako bi dosegao 170 TFLOPS, čime je pobijedio Blue Gene i Earth Simulator. Grafički procesori počeli su imati sposobnost pokretanja sve složenijih algoritama od implementacije shader jedinica, a s arhitekturom NVIDIA G80 korišteni su za ubrzavanje znanstvenih algoritama računanja.
Međutim, superračunalo temeljeno na GPU-u nije zauzelo prvo mjesto sve do 2013. godine, kada je uskrsli Cray lansirao svoj Titan, sastavljen od kombinacije AMD Opteron CPU-a i NVIDIA Tesla GPU-a koji su postojali u to vrijeme. Dobivena računalna snaga? 10 petaflopsa. Dakle, govorimo o skoku snage od više od 50 puta u samo 5 godine, demonstrirajući ogromnu učinkovitost GPU-a u računskoj snazi.
Era ExaFLOP-a, nove barijere koja će biti prevladana
Danas smo u eri ExaFLOP-a i cilj je postići 1 milijuna TeraFLOPS snage sa superračunalima. Nešto što je sa sobom donijelo opsesiju, a to je smanjenje potrošnje u komunikaciji, to je dovelo do razvoja naprednih sustava pakiranja i međukomunikacijskih sustava kako bi mogli dostići tu brojku bez pucanja potrošnje energije preko krova.
Prva superračunala pod ovom novom paradigmom vidjet ćemo od 2022. godine, s superračunalom El Capitan izgrađenim samo s AMD-ovom tehnologijom, a s druge strane Aurora s CPU i GPU tehnologijom iz Intela. Obje predstavljaju neku vrstu hladnog rata između obje tvrtke i njihov razvoj je utjecao i utjecat će na buduće arhitekture i dizajne koje ćemo imati u budućnosti na našim računalima.
