Německo buduje petaflopový superpočítač

V listopadu byl zveřejněn žebříček pětistovky nejrychlejších superpočítačů světa, uběhly ale jen tři měsíce a IBM společně s americkou armádou oznámily, že do roku 2011 zprovozní cluster s teoretickým výkonem, který současný nejvýkonnější superpočítač Roadrunner přesáhne více než dvacetkrát.

Nejvíce superpočítačů vyrábí HP, IBM ale nabízí ty nejvýkonnější

Ačkoliv má celou polovinu nejvýkonnějších počítačů světa na svědomí HP, z hlediska výkonu jasně vede IBM, která se soustředí právě na clustery – sálové počítače, které zaberou celé patro administrativní budovy a k vnitřní komunikaci mezi komponentami používají namísto klasické sběrnice velmi výkonnou optickou sít, switche a routery. Takový cluster je ve své podstatě skutečně spíše „lokální supersíť tisíců procesorů, diskových úložišť a pamětí“.

 
Nejvýkonnější superpočítačový cluster Roadrunner od IBM

Superpočítačovou velmocí jsou samozřejmě USA. Nejvýkonnější počítač mimo USA, který okupuje až desátou příčku, je čínský Dawning 5000A s šestinovým výkonem Roadrunneru.

Evropa nechce být chudým příbuzným

Na lepší časy se ale blýská i v Evropě, která se musí spokojit s dramaticky menšími rozpočty a tedy ve srovnání s USA se superpočítačovými skřítky. Nejrychlejší evropský počítač JUGENE se nachází v Německu a jeho výkon je jen o špetku nižší než čínský Dawning. I toho má na svědomí IBM, jedná se totiž o slavný model Blue Gene/P, který svého času zaujímal první místo.

Pokud se podíváte na listopadový žebříček TOP500, zjistíte, že první evropská desítka se vleze do celosvětové čtyřicítky. Ten zbytek pochází po několika kusech z Japonska, Číny, zbytek je americké provenience.

Evropské nejvýkonnější počítače, které jsou již v provozu

Jak je patrné z tabulky výše, evropskou superpočítačovou velmocí je Francie, ačkoliv na počet zařízení v celé TOP500 vede po USA naopak Británie. Evropskou desítku si z hlediska výrobců rozdělily IBM, SGI, Cray a HP.

Německý petaflopový cluster bude vyžadovat 2,2 MW

Statistika TOP500 vzniká dvakrát do roka, vždy v červnu a listopadu. Podle posledních zpráv se zdá, že ta červnová se výrazně promění a Evropa přestane hrát druhé housle. Z hlediska petaflopového výkonu si zároveň výrazně polepší Německo, právě zde by měl být totiž v polovině roku uveden do provozu zatím nejrychlejší plánovaný superpočítač kontinentu – starý dobrý známý Blue Gene/P, následovník JUGENE. Jestli má JUGENE změřený výkon 180 teraflopů (v teoretické špičce až 222 teraflopů), pak modernizovaný a rozšířený Blue Gene/P bude moci disponovat teoretickým výkonem ve špičce až 1000 teraflopů, pokoří tedy alespoň na papíře magický petaflop. Při srovnání s dnešními desktopy takový výkon odpovídá cca 50 000 osobních počítačů. Pokud by jej tedy němečtí inženýři ve spolupráci s IBM spustili před čtyřmi měsíci, Evropa by měla třetí nejrychlejší počítač planety – 250krát rychlejší než česká Amálka, která je pro změnu ikonou českého supercomputingu.

Blue Gene/P je stejně jako Roadrunner a z technologického důvodu nutně i jako většina těch nejrychlejších počítačů světa cluster – stavebnice desítek rackových skříní pospojovaných ventilačními jednotkami a optickou kabeláží. Každá taková skříň se pak zpravidla skládá z dílčích bloků a takový blok obsahuje několik kazet. Každá kazeta pak obsahuje „plástev“ procesorů, resp. procesorových jader, přidělenou operační paměť a ventilační jednotku. Díky této síťové architektuře lze clustery neustále rozšiřovat, model IBM Blue Gene/P tak má dle některých odborníků teoretický limit až 3 000 teraflopů. Zároveň se ale může jednat i o „docela malý“ sálový počítač s výkonem několika desítek teraflopů.

  
Zatím stále nejvýkonnější evropský superpočítač JUGENE, jeho následovník je založený na stejném systému Blue Gene/P

Rozšířený Blue Gene/P, který se zatím nedočkal žádného familiérnějšího jména, bude zpracovávat vědecké úlohy pro institut Forschungszentrum v Jülichu a bude součástí německé superpočítačové infrastruktury Gauss Centre for Supercomputing. Nutno podotknout, že toto centrum, které spojuje poměrně velké množství německých akademických clusterů, představuje svým souhrnným výkonem evropskou špičku. Skládá se ze tří center ve Stuttgartu, Garchingu a právě i Jülichu, kde sídlí Forschungszentrum.

A jaké jsou parametry clusteru, který spolufinancovala místní zemská vláda a spolkové Ministerstvo školství? Doslova magické. Ostatně posuďte sami.

Současný JUGENE se skládá z šestnácti rackových skříní, ve kterých se ukrývá 65 536 procesorů PowerPC 450 tikajících s taktem 850 MHz. Vylepšený cluster použije stejný model procesorů, bude jich zde ale bezmála 295 tisíc v 72 rackových skříních. Celý systém bude mít k dispozici také 144 terabajtů hlavní paměti.

Superpočítače v Jülichu zpracovaly například tento model kvality ovzduší (Zdroj: IUP Heidelberg)

Jelikož komunikace mezi jednotkami počítače a úložištěm probíhá oproti běžné sběrnici na síťovém principu, stojí tedy za zmínku i tyto síťové parametry. Propustnost lokální sítě by se měla pohybovat okolo 5,1 GB/s, latence pak nepřekročí hranici 160 nanosekund – takové podmínky vám holt váš ISP jen tak nenabídne. Vysoká rychlost je ostatně žádoucí, počítač bude mít po ruce úložiště přesahující 6 000 terabajtů.

Současný nejvýkonnější superpočítač světa, Roadrunner, vyžaduje k provozu 2,5 MW elektrické energie. To se sice může na první pohled zdát až příliš, světová dvojka, Juguar (Cray XT5), ale spotřebuje skoro třikrát tolik. Německý petaflopový Blue Gene/P s podobným výkonem jako Jaguar bude k chodu vyžadovat okolo 2,2 MW.

Paralelizace, paralelizace, paralelizace

A jaká je situace u nás? I zde najdete velké množství superpočítačů, nedávno ostatně proběhla médii zpráva o tom, že ČHMÚ požaduje peníze na obnovu počítače, který zpracovává předpovědní meteorologické modely. Superpočítače se ale používají i u velkých webových služeb, v datových centrech, v průmyslové výrobě a samozřejmě na akademické půdě. K těm nejvýkonnějším českým počítačům patří čtyřteraflopová Amálka, kterou najdete na Ústavu fyziky atmosféry AV ČR. Ačkoliv by se mohlo na první pohled zdát, že je to v globálním srovnání jen zanedbatelná parodie na cluster, i její parametry jsou úchvatné, celý systém totiž obsahuje bezmála šest stovek jader různých procesorů Intel Xeon.

  
Polská Galéra je s teoretickým výkonem až 50 teraflopů nejvýkonnější superpočítač ve střední Evropě

Za skutečně velkým clusterem ale musíte vycestovat až do sousedního Polska. Tamní Galéra s výkonem 38 teraflopů se totiž skládá ze čtrnácti set čtyřjádrových Xeonů, celý kolos je sedmnáct metrů dlouhý a váží pět tun. Perlička na konec – délka kabeláže Galéry přesahuje dvanáct kilometrů.

Superpočítače se v minulosti příliš nelišily od organizace dnešního desktopu, obsahovaly totiž zprvu jen jeden a později několik velmi výkonných procesorů. V osmdesátých letech se začala prosazovat paralelizace, superpočítače se skládaly z několika desítek serverových procesorů. Současné superpočítače obsahují tisíce vícejaderných procesorů.

Zatímco 90. léta charakterizovala zvyšující se frekvence, 21. století bude patřít paralelizaci

Paralelizace se postupně dostává i na běžný domácí počítač a firemní server, podle studie Dellu by se pak po roce 2010 měly na trhu objevit první serverové a skutečně spotřební procesory, které budou obsahovat dokonce až 80 výpočetních jader. Supercomputing tak možná za pár let už nebude doménou pouze bohatých firem a akademických a výzkumných pracovišť. Možná si za pár let budeme moci modelovat jaderné výbuchy i v teple domova na supervýkonném desktopu.

Více informací najdete na těchto stránkách:

• Žebříček TOP500 (listopad 2008)
• Tisková zpráva Forschungszentrum Jülich (v němčině)
• Gauss Centre for Supercomputing