Supercomputerele, cele mai bune din istorie și componentele lor

Supercomputerele sunt ceea ce cunoaștem în mod colocvial ca „computere NASA”, referindu-se la un computer extrem de puternic, unic în lume în orice moment. Puterea sa enormă de calcul este utilizată pentru a rezolva probleme tehnice și științifice care altfel nu ar fi posibile.

Faptul că sunt construcții unice înseamnă că de multe ori nu se limitează la a fi clusterul de hardware de server, dar au existat cazuri în istorie în care au fost create componente hardware, cum ar fi noile arhitecturi de procesor. În plus, o mare parte din progresele tehnologice pe care le-am văzut apărând pentru PC-uri au avut ca origine dezvoltarea unui supercomputer și apoi au fost implementate la scară largă.

Pe scurt, când ne referim la supercalculatoare, ne referim la cel mai puternic hardware din fiecare moment din istoria calculelor.

CDC 6600, primul dintre supercomputerele din istorie

Conceptul de supercomputere îi datorăm informaticienului Seymour Cray, care a fost primul care a propus arhitectura generală a unuia. Cray a lucrat în centrul de control al datelor al armatei Statelor Unite și când CDC nu l-a lăsat să-și dea seama de invenția sa, a amenințat că va pleca, în cele din urmă au cedat și acest lucru i-a permis să creeze primul supercomputer din istorie, CDC 6600.

CDC 6600 a fost cel mai puternic supercomputer din 1964 până în 1969, a fost o piesă complexă pentru timp compusă din 400,000 de tranzistoare în total, o viteză de ceas de 40 MHz și o unitate în virgulă mobilă la 3 MFLOPS. Să nu uităm că primele computere casnice care au ieșit un deceniu mai târziu au funcționat la viteze cuprinse între 1 MHz și 4 MHz, erau alcătuite din câteva mii de tranzistoare și nu aveau o unitate cu virgulă mobilă.

Cel mai puternic computer din acea vreme era IBM 7030, iar CDC 6600 îl depășea din toate punctele de vedere, făcând din Seymour Cray și proiectele sale un punct de referință în calculul de înaltă performanță, dar CDC 6600 era doar începutul poveștii.

Cray-1, supercomputerele care au văzut nașterea unității SIMD

Astăzi, unitățile SIMD se găsesc în toate procesoarele pentru dispozitive de tot felul, dar le datorăm existența celui de-al doilea supercomputer din istorie. Care a fost proiectat și de Seymour Cray, dar de data aceasta deja sub compania numită cu numele său de familie, Cray Research și primul dintre supercomputerele sale.

Cray-1 a fost lansat în 1975 și a folosit un 80 MHz Procesor și avea o unitate SIMD încorporată cu precizie pe 64 de biți, care a fost un salt uriaș care a permis un salt al celor 3 MFLOPS de putere ale CDC. 6600 la 160 MFLOPS în Cray-1. Pentru a vă face o idee despre ceea ce ar putea însemna acest lucru, trebuie să spunem că abia la mijlocul anilor 90 nu am văzut un procesor în PC cu aceeași putere ca Cray-1 în virgulă mobilă și nu a fost decât până la apariția de Inteltehnologia SSE și AMDAcum nu am văzut un SIMD cu virgulă mobilă pe 3 de biți într-un procesor PC.

În 1982, Cray Research a lansat o versiune îmbunătățită a supercomputerului său, sub forma lui Cray X-MP, unde inițialele „MP” provin din multiprocesor și nu aveau una, ci patru, care atingeau 105 MHz fiecare și cu o putere de 820 MFLOPS , dar cântecul tău de lebădă a apărut sub forma Cray 2 lansat în 1985, care a crescut puterea la 1.9 GFLOPS. Cray-2 a fost

Cray-2, supercomputerul NASA

Datorim meme-ului „supercomputer NASA” lui Cray-2, creat pentru celebra agenție specială și desfășurat în 1985, a fost atât un cântec de lebădă pentru Cray Research, cât și ultimul dintre supercomputerele sale. Cray Research a mărit numărul procesorului acestui prim supercomputer cu 8 nuclee CPU. Care a adăugat, de asemenea, o serie de procesoare suplimentare, care au fost responsabile de gestionarea accesului la memorie, stocare și interfețe I / O. Puterea sa de calcul? 1.9 GFLOPS de putere de calcul, deci nu a fost un salt atât de impresionant, dar cea mai mare particularitate a sa este faptul că a fost răcit cu lichid.

Cu toate acestea, sfârșitul războiului rece se apropia și pentru proiectarea supercomputerelor sale, Cray Research depindea de capitalul enorm în apărarea armatei Statelor Unite, pe lângă faptul că procesoarele sale erau de dimensiuni enorme și erau imposibil de transferat către alte piețe. Cu alte cuvinte, când Cortina de Fier a căzut și a scăzut interesul de a avea un supercalculator de apărare, Cray și-a pierdut cei mai mari clienți care i-au permis nu numai să supraviețuiască, ci și să dezvolte noile sale procesoare.

ASCI Red, supercomputerele vin la teraFLOP

Curând a devenit clar că proiectarea unor procesoare nu atât de complexe era necesară pentru a crea un supercomputer, deoarece nimeni nu era dispus să cheltuiască sumele uriașe de capital după ce războiul rece sa încheiat. Așadar, a fost necesară o schimbare de paradigmă și aceasta a intrat sub conceptul de a folosi procesoare mult mai simple, cum ar fi cele utilizate în PC-uri și servere pentru crearea supercomputerelor.

Dacă vorbim despre CPU pentru PC, unul dintre cele mai importante a fost Intel Pentium Pro, deoarece a introdus concepte precum utilizarea unui cache de nivel secundar, capacitatea de a utiliza mai multe procesoare și execuția în afara ordinii. Ei bine, compania fondată de Gordon Moore a început proiectarea ASIC Red, care a fost o bestie pentru vremea aceea compusă nici mai mult și nici mai puțin de 76 de procesoare Intel Pentium Pro însoțite de 1212 GB de RAM și 9298 procesoare pentru sarcini de calculator. a sustine.

Primul supercomputer cu capacitatea de a atinge 1 TFLOPS de putere în istoria computerului, cu toate acestea, și spre deosebire de design-urile lui Seymour Cray, Pentium Pro nu este un procesor care se va remarca prin faptul că are o unitate SIMD, de fapt, îi lipsea o astfel de unitate, dar se remarcă prin faptul că este primul supercomputer din istorie care folosește un procesor PC pentru construcția sa.

IBM Blue Gene și NEC Earth Simulator, supercalculatoare mitice

Odată ce puterea teraflopului de putere a fost atinsă, următoarea provocare a fost să ajungi la PetaFLOP cu un computer, adică de 1000 de ori mai mult decât puterea de calcul a ASCI Red proiectat de Intel și a existat spațiu pentru a o atinge. Fiind una dintre companiile care s-au confruntat cu această provocare, IBM a decis să-și folosească procesoarele PowerPC pentru crearea Blue Gene, un proiect care a început în 1999 și nu sa încheiat decât în ​​noiembrie 2004.

Primul BlueGene, cunoscut sub numele de BlueGene / L, a fost format din nici mai mult, nici mai puțin de 131072 de procesoare, o cifră astronomică care i-a permis să ajungă la 70.72 TFLOPS de putere, ceva ce un NVIDIA RTX 3090 nu ajunge de la sine. Figura cu care a reușit să depășească Pământul Simulator al NEC, care era cel mai puternic supercomputer la acea vreme.

Earth Simulator a fost o dezvoltare comună între NEC și guvernul Japoniei, cu o capacitate de aproape 40 TFLOPS de putere, care a fost concepută în vederea predicției vremii. Se deosebea de Blue Gene prin faptul că se baza ca Cray în procesoare cu unități SIMD largi, în timp ce designul IBM folosea CPU-uri PowerPC ca bază fără acest tip de unități în interior. Deci, designul IBM a fost mai asemănător cu ASCI Red, în timp ce Earth Simulator a fost la începutul Cray.

IBM Roadrunner, în cele din urmă se ajunge la puterea PetaFLOP

În 2001, IBM a început dezvoltarea unui procesor cunoscut sub numele de Cell Broadband Engine, care a devenit faimos pentru a fi principalul procesor al PlayStation 3, dar a fost folosită și pentru crearea IBM Roadrunner, un supercomputer care combina un procesor. AMD Opteron cu o variantă a CBEA utilizată în PlayStation 3, care a folosit în interior procesoare vectoriale sau SIMD numite SPE.

IBM Roadrunner era format din 6,912 procesoare dual-core AMD Opteron și 12,960 procesoare Cell Broadband Engine, o cifră mult mai mică decât Blue Gene, dar care nu l-a împiedicat să rupă bariera de putere 1 PetaFLOP. Deși CBEA este un CPU în sine, în Roadrunner a fost folosit ca procesor de asistență pentru a accelera părțile paralele ale codului și a fost un precursor al utilizării GPU-urilor pentru aceste sarcini într-un supercomputer.

Primul supercomputer care folosește GPU-uri

În zilele noastre, majoritatea supercomputerelor sunt proiectate cu un procesor și GPU în interior, dar după cum știți bine, acest lucru nu a fost întotdeauna cazul și abia în 2008 a apărut primul supercomputer care a folosit un GPU pentru a-și efectua calculele, deși a făcut-o. pe un sistem destul de modest comparativ cu IBM Roadrunner.

TSUBAME a fost creat de Tokyo Institute of Technology și a folosit prima generație de NVIDIA Tesla pentru a ajunge la 170 TFLOPS, învingând astfel Blue Gene și Earth Simulator. Procesoarele grafice începuseră să aibă capacitatea de a rula algoritmi din ce în ce mai complexi de la implementarea unităților shader, iar odată cu arhitectura NVIDIA G80 au fost folosite pentru a accelera algoritmi științifici de calcul.

Cu toate acestea, un supercomputer bazat pe GPU nu a obținut primul loc până în 2013, moment în care un Cray înviat și-a lansat Titanul, alcătuit din combinația de procesoare AMD Opteron și GPU-uri NVIDIA Tesla care existau la acea vreme. Puterea de calcul obținută? 10 PetaFLOPS. Deci, vorbim despre un salt de peste 50 de ori de putere în doar 5 ani, demonstrând eficiența enormă a GPU-urilor în puterea de calcul.

Era ExaFLOP, noua barieră pe cale să fie depășită

Astăzi suntem în era ExaFLOP și scopul este de a obține 1 milion de TeraFLOPS de putere cu supercalculatoare. Ceva care a adus cu sine o obsesie care este reducerea consumului în comunicare, acest lucru a condus la dezvoltarea unor sisteme avansate de ambalare și intercomunicare pentru a putea ajunge la acea cifră fără a trage consumul de energie prin acoperiș.

Vom vedea primele supercomputere sub această nouă paradigmă din 2022, cu supercomputerul El Capitan construit cu tehnologie numai de la AMD și pe de altă parte Aurora cu tehnologie CPU și GPU de la Intel. Ambele reprezintă un fel de război rece între ambele companii, iar dezvoltarea lor a influențat și va influența arhitecturile și proiectele viitoare pe care le vom avea în viitor în computerele noastre.