Τι Είναι Ένας Υπερυπολογιστής Και Τα Σημαντικότερα Συστήματα

Οι εξωπραγματικές δυνατότητες των τεράστιων υπολογιστικών συστημάτων ανέκαθεν προκαλούσαν δέος με τη δύναμη και την ταχύτητά τους. Στις ημέρες μας, η ισχύ τους σχεδόν διπλασιάζεται κάθε χρόνο, και κανείς δεν μπορεί να φανταστεί πού θα φτάσουν, όταν στο εγγύς μέλλον βασιστούν στην κβαντομηχανική. Δείτε τι μπορεί να κάνει ένας υπερυπολογιστής, και ποια είναι τα σημαντικότερα συστήματα στον κόσμο.

Τι είναι ο υπερυπολογιστής

Ο όρος του υπερυπολογιστή (Supercomputer) χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά από την εφημερίδα New York World το 1920. Αφορούσε τις ειδικές ηλεκτρομηχανικές συσκευές που κατασκεύαζε η IBM για το πανεπιστήμιο Κολούμπια.

Οι πραγματικοί υπερυπολογιστές έκαναν την εμφάνισή τους τη δεκαετία του 1960. Έκτοτε και εξ' ορισμού διαφέρουν αισθητά απ' τους υπολογιστές που χρησιμοποιούνται από απλούς χρήστες, και αποτελούνται από εκατοντάδες ή και χιλιάδες επεξεργαστές.

Παρά τις θηριώδεις δυνατότητές τους, οι supercomputerts δεν είναι κατασκευασμένοι για να εκτελούν ταυτόχρονα πολλά προγράμματα.

Επικεντρώνονται συνήθως σε μία εργασία η οποία χρειάζεται υψηλής πολυπλοκότητας υπολογισμούς, και την αναλαμβάνουν με τη μεγαλύτερη δυνατή ταχύτητα. Αυτή είναι και η βασική τους διαφορά απέναντι στους μεγάλους ή κεντρικούς υπολογιστές (mainframes).

Η ικανότητά τους στους υπολογισμούς μετριέται συνήθως με τον όρο Flops (FLoating-point Operations Per Second, πράξεις κινητής υποδιαστολής ανά δευτερόλεπτο).

Λόγω της κατακόρυφης αύξησης στην υπολογιστική ικανότητα τα τελευταία χρόνια, χρειάστηκε να ανέβουμε πιο πάνω από τα TeraFlop, που αντιστοιχούν σε τρισεκατομμύρια πράξεις. Η εξίσωση διαμορφώθηκε ως εξής: 1000 TeraFlop=1 PetaFlop.

Η θεωρητική υπολογιστική ικανότητα των σημερινών υπερυπολογιστών έχει φτάσει στα 125 Petaflops, που σημαίνει 125 τετράκις εκατομμύρια υπολογισμούς το δευτερόλεπτο.

Εδώ πρέπει να αναφέρουμε ότι η πραγματική απόδοση ενός υπολογιστή, γνωστή και ως “Linpack Performance” (Rmax), συχνά υπολείπεται της αντίστοιχης θεωρητικής υπολογιστικής ικανότητας, γνωστής και ως “Theoretical Peak” (Rpeak).

Εφαρμογές υπερυπολογιστών

Ο υπερυπολογιστής χρησιμοποιείται κυρίως σε μεγάλα εργαστήρια, και μεταξύ άλλων για πολύ απαιτητικές προσομοιώσεις, που θα ήταν αδύνατον να ολοκληρωθούν με συμβατικούς υπολογιστές. Μερικά μόνο παραδείγματα είναι τα παρακάτω:

• η συμπεριφορά των αστεριών ενός γαλαξία σε βάθος δισεκατομμυρίων ετών
• μελέτη της κλιματικής συμπεριφοράς σε πλανητική κλίμακα
• η συμπεριφορά και οι αλλαγές πρωτεϊνών σε έναν οργανισμό

Οι αστροφυσικοί χρησιμοποιούν τους υπερυπολογιστές ως “μηχανές χρόνου”, για να εξερευνήσουν το παρελθόν και το μέλλον του σύμπαντος μας.

Μια προσομοίωση υπερυπολογιστών που έγινε το 2000, απεικόνιζε τη σύγκρουση του δικού μας γαλαξία με τον αντίστοιχο της Ανδρομέδας.

Αν και αυτή η σύγκρουση θα συμβεί μετά από δισεκατομμύρια χρόνια, η προσομοίωση επέτρεψε στους επιστήμονες να τρέξουν το πείραμα και να εξάγουν τα συμπεράσματά τους, βλέποντας τα αποτελέσματα πολύ νωρίτερα.

Άλλες σύγχρονες εφαρμογές υπερυπολογιστών περιλαμβάνουν την έρευνα για τον δικό μας υπερυπολογιστή, που δεν είναι άλλος από τον ανθρώπινο εγκέφαλο.

Πιο συγκεκριμένα, οι νευροεπιστήμονες χρησιμοποιούν τους υπερυπολογιστές για την ανάπτυξη τρισδιάστατων προγραμμάτων προσομοίωσης του ανθρώπινου εγκεφάλου, για να κατανοήσουν τη λειτουργία του.

Βέβαια, όπως θα δούμε και στη συνέχεια, οι διεθνείς υπερδυνάμεις κατασκευάζουν υπερυπολογιστές όχι μόνο για επιστημονική έρευνα, αλλά και για στρατιωτικούς λόγους.

Από τι αποτελείται ένας υπερυπολογιστής

Εξ' αντικειμένου τα βασικότερα υποσυστήματα που έχει ένας υπερυπολογιστής μοιάζουν πολύ με τα αντίστοιχα ενός τυπικού επιτραπέζιου υπολογιστή, και κυρίως περιλαμβάνουν:

• Μητρικές Κάρτες: Κάθε απλός υπολογιστής έχει μια μητρική κάρτα. Οι υπερυπολογιστές έχουν από εκατοντάδες μέχρι χιλιάδες μητρικές, τοποθετημένες σε ειδικά rack, οι οποίες επικοινωνούν μεταξύ τους και συγχρονίζονται μέσα από ένα ταχύτατο δίκτυο οπτικών ινών.

• CPUs: Οι γνωστή σε όλους μας κεντρική μονάδα επεξεργασίας είναι – όπως υποδηλώνει το όνομα – η καρδιά των λειτουργιών ενός υπολογιστή. Οι σύγχρονοι υπερυπολογιστές διαθέτουν δεκάδες χιλιάδες πολυπύρηνους επεξεργαστές, συνήθως τοποθετημένους ανά δύο ή ανά τέσσερις σε κάθε μητρική.
• Μνήμη RAM: Κάθε είδους υπολογιστής χρειάζεται υποχρεωτικά μνήμη RAM. Ενώ όμως στους οικιακούς υπολογιστές τη μετράμε σε Gigabyte, οι υπερυπολογιστές έχουν το Terabyte ψωμοτύρι, ενώ θα βρούμε ακόμα και συστήματα με πάνω από 1 Petabyte RAM. Αυτή η μνήμη είναι μοιρασμένη στις μητρικές που βρίσκονται και οι επεξεργαστές.
• GPUs: Ενώ οι υπερυπολογιστές προφανώς δεν παίζουν παιχνίδια, αρκετοί από αυτούς ενσωματώνουν μεγάλο αριθμό από κάρτες γραφικών, όπως η Nvidia Tesla. Συγκεκριμένοι τύποι υπολογισμών γίνονται πιο αποδοτικά από τις GPU παρά από τους επεξεργαστές.
• Δικτύωση: Όπως προαναφέραμε,κάθε υπερυπολογιστής αποτελείται από πολλαπλές μητρικές στις οποίες λειτουργούν οι επεξεργαστές. Για τον συντονισμό όλου του συστήματος και την απρόσκοπτη επικοινωνία χρειάζονται συσκευές δικτύωσης switch σε μέγεθος ντουλάπας, το κόστος των οποίων μετριέται σε εκατομμύρια δολάρια, και υποστηρίζουν ταχύτητες επικοινωνίας της τάξης των 100Gbps.
• Μονάδες αποθήκευσης: Εκτός από σκληρούς δίσκους HDD και SSD – με ειδικά racks με δεκάδες μονάδες δίσκου το καθένα – στους περισσότερους υπερυπολογιστές θα βρούμε και μονάδες αποθήκευσης σε ταινία (Tape Backup) που αποθηκεύουν μεγάλο όγκο δεδομένων αλλά με χαμηλή ταχύτητα πρόσβασης.
• Cooling (Ψύξη): Οι σύγχρονοι υπερυπολογιστές απορροφούν πολλή ενέργεια, ικανή για να τροφοδοτήσει 24.000 κατοικίες για έναν ολόκληρο μήνα. Αυτή η ενέργεια απελευθερώνεται ως θερμότητα, και ως εκ τούτου απαιτούνται εξελιγμένα συστήματα ψύξης. Μάλιστα, ο υπερυπολογιστής Aquasar της IBM αξιοποιεί τη θερμότητά του για να παρέχει θέρμανση με ζεστό νερό στο κτήριο του Swiss Federal Institute of Technolοgy της Ζυρίχης.

Οι 5 ισχυρότεροι υπερυπολογιστές στον κόσμο

Παρότι δεν είναι αναμενόμενο, οι Ηνωμένες Πολιτείες τη στιγμή που γράφονται αυτές οι γραμμές δεν έχουν υπερυπολογιστή σε καμία από τις τρεις πρώτες θέσεις παγκοσμίως.

Στο βάθρο ανεβαίνουν δύο κινέζικοι υπερυπολογιστές, και ένας ελβετικός. Τους παραθέτουμε συνοπτικά.

Sunway TaihuLight

Στις ημέρες μας, ο κινέζικος υπερυπολογιστής Sunway TaihuLight είναι ο ταχύτερος στον κόσμο, και μια από τις πιο εντυπωσιακές κατασκευές που έφτιαξε ποτέ ο άνθρωπος.

Έχει θεωρητική υπολογιστική ικανότητα στα 125 Petaflops, δυόμιση φορές πιο γρήγορα από όσο ο συντοπίτης υπερυπολογιστής στη δεύτερη θέση.

Ο Sunway TaihuLight στεγάζεται στο Εθνικό Κέντρο Supercomputing στην πόλη Wuxi της Κίνας. Αποτελείται από 10,6 εκατομμύρια πυρήνες και διαθέτει μάλιστα μόλις 1.310.720 GB μνήμης RAM, που είναι αρκετή για να αντέξει ίσαμε 20 καρτέλες του Chrome.

Το σύστημα χρησιμοποιείται για την έρευνα του κλίματος, τη μοντελοποίηση των συστημάτων της γης, και την ανάλυση δεδομένων.

Ο υπερυπολογιστής τρέχει το δικό του λειτουργικό σύστημα Sunway RaiseOS 2.0.5, το οποίο βασίζεται στο Linux. Από τον Ιούνιο του 2017, κατατάσσεται ως ένας από τους πιο ενεργοβόρους υπερυπολογιστές, με κατανάλωση 15.371kW (kilowatt).

Δεν γνωρίζουμε πόσο κοστίζει η κιλοβατώρα στην Κίνα. Αν όμως αυτό το σύστημα ήταν στην Ελλάδα (λέμε τώρα), και με το επαγγελματικό τιμολόγιο Γ21, κάθε ώρα λειτουργίας του θα κόστιζε κάτι παραπάνω από 3.040 ευρώ, μόνο για το ρεύμα.

NUDT Tianhe-2

Ο Tianhe-2, γνωστός και ως MilkyWay-2, είναι ένας υπερυπολογιστής που αναπτύχθηκε από το Εθνικό Πανεπιστήμιο Αμυντικής Τεχνολογίας της Κίνας, και κατασκευάστηκε τον Ιούνιο του 2013.

Έχει θεωρητική υπολογιστική ικανότητα στα 54,9 Petaflops, και το λειτουργικό του σύστημά είναι το Kylin Linux. Αποτελείται από 48.000 επεξεργαστές Intel Xeon E5 2.2GHz και Xeon Phi, με ενσωματωμένους επιταχυντές επεξεργαστών. Η δε μνήμη RAM ανέρχεται στα 1.024.000 GB.

Ο Tianhe-2, εκτός από προσομοιώσεις εφαρμογών κυβερνητικής ασφάλειας, χρησιμεύει επίσης ως ανοικτή ερευνητική πλατφόρμα για τους επιστήμονες στην Κίνα. Για την πραγματοποίησή του δαπανήθηκαν 390 εκατομμύρια δολάρια, και καταναλώνει 17.808kW.

Piz Daint

H Cray είναι ένας από τους πιο γνωστούς κατασκευαστές υπερυπολογιστών στον κόσμο. Από το 1972 μέχρι σήμερα έχει σχεδιάσει 57 υπερυπολογιστές, ενώ στο Top-5 αυτή τη στιγμή είναι υπεύθυνη για δύο συστήματα.

Το Δεκέμβριο του 2012, και για λογαριασμό του Swiss National Supercomputing Center, η Cray εγκατέστησε στο Λουγκάνο της Ελβετίας ένα σύστημα XC30. Η όλη εγκατάσταση ονομάστηκε Piz Daint, από το ομώνυμο όρος στις Ελβετικές Άλπεις.

Το 2013, η Cray επέκτεινε το σύστημα με τον Piz Dora, έναν Cray XC40. Τον Οκτώβριο του 2016, τα δύο συστήματα συγχωνεύτηκαν σε ένα υβριδικό σύστημα  XC50/XC40 που περιλαμβάνει και GPU NVIDIA Tesla P100.

Το τελικό σύστημα, που ονομάζεται απλώς Piz Daint, διαθέτει πλέον 361.760 πυρήνες από 5.272 Intel Xeon E5 2.6GHz και GPU NVIDIA Tesla P100.

Αυτή η νέα ισχύς τριπλασίασε την θεωρητική υπολογιστική του απόδοση στα 25,3 Petaflops, καθιστώντας τον ως τον 3ο ταχύτερο υπερυπολογιστή του πλανήτη.

Η βασική εργασία του Piz Daint είναι οι προηγμένες προσομοιώσεις απεικόνισης υψηλής ανάλυσης. Σύντομα θα παρέχει ισχύ επεξεργασίας στο CERN, βοηθώντας το να αναλύσει τεράστια ποσά δεδομένων.

O Ελβετικός υπερυπολογιστής είναι ένας από τους λιγότερο ενεργοβόρους υπερυπολογιστές, με κατανάλωση μόνο 1631,13 kW.

Cray Titan

Είναι ο πιο γνωστός υπερυπολογιστής στον δυτικό κόσμο, και βρίσκεται στο Εθνικό Εργαστήριο του Όουκ Ριτζ του Τενεσί των ΗΠΑ. Ο Cray Titan ήταν ο ταχύτερος υπερυπολογιστής στον πλανήτη μέχρι το 2013, που εμφανίστηκαν οι κινέζικοι ομόλογοί του.

Η έκταση που καταλαμβάνει ο Αμερικάνος “Τιτάνας” είναι περί τα 404 τετραγωνικά μέτρα. Το κόστος της κατασκευής του άγγιξε τα 97 εκατομμύρια δολάρια, ενώ η αναβάθμισή του το 2012 κόστισε άλλα 60 εκατομμύρια δολάρια.

Συνδυάζει επεξεργαστές AMD Opteron και GPU NVIDIA Tesla, επιτυγχάνοντας συνολική θεωρητική απόδοση στα 27 Petaflops, ενώ η πραγματική του δύναμη κυμαίνεται στα 17,6. Η μνήμη RAM ανέρχεται στα 710.144 GB και η ενεργειακή του απόδοση στα 8.209kW.

Η τεράστια υπολογιστική του ικανότητα επιτρέπει στους ερευνητές να εκτελούν τις σύνθετες προσομοιώσεις που απαιτούνται για την επιστήμη του κλίματος, την αστροφυσική, και τη μοριακή φυσική.

IBM Sequoia

Ο Sequoia, το όνομα του οποίου προέρχεται από τα γιγάντια κωνοφόρα δέντρα του είδους, κατασκευάστηκε το 2013 από την IBM. Στόχος του ήταν να μετρήσει τους κινδύνους πυρηνικού πολέμου, κάνοντας προηγμένους υπολογισμούς των αμυντικών όπλων.

Το σύστημα είναι ιδιοκτησία του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Livermore στην Καλιφόρνια.

Με την θεωρητική υπολογιστική ικανότητα να αγγίζει τα 20 Petaflops από τους 98,304 CPU με 1.572.864 πυρήνες, και με 1.572.864 GB μνήμη RAM, ο Sequoia-BlueGene κατατάσσεται ως ο πέμπτος πιο ισχυρός υπερυπολογιστής του πλανήτη.

Μάλιστα, καταλαμβάνει έκταση 280 τετραγωνικών μέτρων με ενεργειακή απόδοση στα 7.890kW.

Οι πρωτότυπες υλοποιήσεις

Οι υπερυπολογιστές όπως είδαμε είναι πολύ ακριβοί στην κατασκευή τους.

Το Sony PlayStation 3 (PS3), αλλά και το Raspberry Pi, είναι πολύ πιο φθηνά, και αποτέλεσαν εναλλακτική λύση για την κατασκευή οικονομικότερων υπερυπολογιστών, με πολύ χαμηλότερο κόστος.

Υπερυπολογιστής από εκατοντάδες PS3

Πρόκειται για το σύστημα AFRL του Ερευνητικού Εργαστηρίου της Πολεμικής Αεροπορίας των ΗΠΑ, το οποίο αποτελείται από 1.760 κονσόλες PS3.

Εκτός από τη μεγάλη χωρητικότητά του, το λεγόμενο “Condor Cluster” είναι ικανό να εκτελεί 500 Teraflops, καθιστώντας τον ως τον ταχύτερο διαδραστικό υπολογιστή σε ολόκληρο το τμήμα άμυνας των ΗΠΑ.

Παρότι τα 0,5 Petaflops τον βάζουν αρκετά πίσω στην κατάταξη σε σχέση με τους θηριώδεις ομολόγους του, έχει ένα σημείο στο οποίο πλεονεκτεί.

Λόγω των προηγμένων δυνατοτήτων γραφικών των κονσολών των βιντεοπαιχνιδιών, ο πρωτότυπος υπερυπολογιστής έχει βελτιωμένους αλγόριθμους που μπορούν να αναγνωρίσουν καλύτερα τα θολά ιπτάμενα αντικείμενα από ό,τι οι άλλοι.

Έτσι εξηγείται…

Αυτός ήταν και ο λόγος της κατασκευής του, καθότι θεωρείται ιδανικός στα κέντρα της Πολεμικής Αεροπορίας των ΗΠΑ, για εργασίες όπως η ενίσχυση του ραντάρ, η αναγνώριση προτύπων, και η επεξεργασία δορυφορικών εικόνων.

Ένα άλλο πλεονέκτημα του υπερυπολογιστή που βασίζεται στο PS3 είναι η ενεργειακή του απόδοση. Η πρωτότυπη αυτή υλοποίηση καταναλώνει μόλις το 10% της ισχύος των συγκρίσιμων υπερυπολογιστών.

Raspberry Pi Supercomputer

Ένα νέο έργο στο τμήμα υπολογιστών υψηλών επιδόσεων του Εθνικού Εργαστηρίου του Los Alamos (LANL), επιδιώκει να καταστήσει τους υπερυπολογιστές πολύ πιο οικονομικούς, με λίγη βοήθεια από τα Raspberry Pi.

Η LANL δημιούργησε τον νέο υπερυπολογιστή από 750 Raspberry Pi. Το σύστημα βασίζεται σε πέντε μονάδες, που η καθεμιά έχει 150 κόμβους Pi 3 σε δίκτυο, δηλαδή 750 συνολικά Pis.

Κάθε Raspberry Pi 3 έχει ένα SoC Broadcom BCM2837 με τέσσερις 64-bit CPU πυρήνες, χρονισμένους στα 1.2GHz.

Αυτό δίνει συνολικά 3.000 διαθέσιμους πυρήνες CPU στο πλήρες σύστημα. Είναι οι ίδιοι πυρήνες των ARM Cortex-A53, που συναντάμε σε πολλά smartphone με MediaTek SoCs.

Όπως και με τον υπερυπολογιστή των PS3, το LANL εκτιμά ότι το σύστημα καταναλώνει μόνο 1.000 Watt σε κατάσταση αδράνειας, και 2.000W κατά τη διάρκεια της συνήθους χρήσης. Το μέγιστο φορτίο είναι 4.000W, σταγόνα στον ωκεανό σε σχέση με αυτό που καταναλώνουν οι περισσότεροι υπερυπολογιστές.

Το πιο εντυπωσιακό είναι πως θα μπορούσε θεωρητικά οποιοσδήποτε από εμάς να δημιουργήσει ένα τέτοιο σύστημα, αν του περίσσευαν καμιά σαρανταριά χιλιάδες ευρώ, και χρειαζόταν οπωσδήποτε ένα σύστημα με 3.000 πυρήνες επεξεργασίας.

Ποια είναι η γνώμη σας για τους υπερυπολογιστές?

Η πλειονότητα των σημερινών υπερυπολογιστών έχουν σαφώς μικρότερο μέγεθος από τους προκατόχους τους. Ωστόσο, δεν παύουν και σήμερα να είναι θηριώδη μηχανήματα που καταλαμβάνουν πολλά τετραγωνικά, και είναι χρήσιμοι για την εξέλιξη της ανθρωπότητας.

Βέβαια, ο Cray 1 του 1975, που κόστιζε τότε $8,86 εκατομμύρια δολάρια, είχε ισχύ επεξεργασίας 160 MegaFLOPS. Σήμερα, ένας επεξεργαστής i9 7980ΧΕ των 2.000 ευρώ έχει ισχύ 977 GigaFLOPS, ή αλλιώς 6.106,25 φορές μεγαλύτερη.

Είναι λοιπόν να αναρωτιέται κανείς, σε άλλα 42 χρόνια, πόση ισχύ θα έχει ο οικιακός υπολογιστής, και πόση θα έχουν οι τότε υπερυπολογιστές.

Αν σας γεννήθηκαν απορίες ή θέλετε να μοιραστείτε την άποψή σας για το θέμα, μπορείτε να μας γράψετε στα σχόλια.