Výkon jednotlivých osobních počítačů zdaleka nepostačuje pro řešení některých náročnějších úloh, mezi kterými nechybí například předpovědi počasí nebo zkoumání struktury a vlastností lidského genomu. V takových a mnoha dalších případech se využívá výpočetní síly tzv. superpočítačů.
Kdo očekává přesnou definici vymezující, které stroje se mohou honosit titulem superpočítač a které nikoli, ten bude pravděpodobně zklamán – taková prostě neexistuje. Pod označením superpočítač se pouze obecně rozumí počítače, které mají oproti ostatním, ve své době běžně používaným počítačům alespoň o řád vyšší výkon.
Cesty k výšinám
| Srovnejte se svým počítačem |
| Pokud vám stále jednotky FLOPS nic neříkají, bude nejlepší, když si budete moci srovnat rekordní výsledky z článku s výkonem svého počítače. Dost nepřesnou, ale rychlou cestou je spustit benchmark Linpack, který vám během pár sekund změří rychlost vašeho procesoru a dá výsledek v MFLOPS. Benchmark Linpack se používá i při sestavování žebříčku nejrychlejších superpočítačů na stránkách www.top500.org.
Chcete-li si změřit výkon MFLOPS programem zkompilovaným pro platformu Win32 x86 a porovnat s větším množstvím desktopových procesorů, můžete sáhnout po bohužel dále nevyvíjeném programu TestCPU od spolupracovníka Computeru Roberta Šmída. |
Jedním z nejvýmluvnějších ukazatelů výkonu klasického počítače je rychlost jeho klíčových čipů udávaná v megahertzích. U superpočítače se většinou používá jednotka FLOPS (FLOating Point Operation per Second) vyjadřující, kolik základních operací je stroj schopen za sekundu provést při práci s čísly s plovoucí desetinnou čárkou.
Nejrozšířenějšími typy superpočítačů jsou vektorové superpočítače – ty dokáží najednou provést nějakou instrukci nad všemi prvky vektoru, který obsahuje například 128 čísel v pohyblivé desetinné čárce. Samozřejmě také programy pro takovéto stroje musejí být patřičně upraveny, proto se používají speciální překladače, jež v kódu dokáží nalézt možnosti použití vektorových instrukcí. Příkladem mohou být některé vektorové počítače sloužící k časově náročným výpočtům předpovědi počasí pracují rychlostí přesahující 10 TFLOPS (tedy více než deset milionů milionů operací za sekundu!).
Dalším typem jsou distribuované nebo sdílené paralelní počítače. V těch prvně jmenovaných má každý procesor svoji vlastní paměť a ve sdílených počítačích se pak naopak veškerá paměť jeví jako dostupná pro všechny procesory. Mezi typické zástupce paralelní architektury patří SP Power3-II společnosti IBM, který dosahuje rychlosti až kolem 3 TFLOPS.
Často se do skupiny superpočítačů řadí také tzv. farmy. Ačkoli to z názvu není zřejmé, jedná se o využití volného času procesorů počítačů připojených na síti. Pokud není procesor počítače využit na sto procent, začne se ihned svým zbývajícím výkonem podílet na části výpočtu nějaké úlohy.
Kromě rychlého procesoru musí mít superpočítače samozřejmě i dostatečně velkou a rychlou operační paměť. Jestliže v osobním počítači je v současné době považováno za optimum 512 MB, pak například stroj AlphaServer GS1280 od Hewlett Packard může obsahovat až 512 GB, což je tisíckrát více. Řešení SGI Altix 3700 se dokonce chlubí překonáním bariéry adresace paměti nad 24 TB (terabajt je více než miliarda bajtů).
Seymour Cray, který stál u zrodu opravdových superpočítačů, zachycen při práci s počítačem CDC 1604 se zajímavým 48b procesorem, 5µs pamětí, hmotností okolo jedné tuny a půltunovou ovládací konzolí. Psal se rok 1957
Simulátor Země a superšachista
Jedním z nejzajímavějších superpočítačů současnosti je bezesporu japonský Earth Simulator. Tento projekt byl zahájen v roce 1997 a jeho posláním je vytvořit realistický model Země. Díky tomu bude možné například předpovídat přicházející zemětřesení nebo simulovat seismické děje obecně. Dále se od tohoto superpočítače očekává větší objasnění problému globálního oteplování a výpomoc při jeho analýze a řešení. Výkon celého kolosu dosahuje neuvěřitelných 40 TFLOPS a jeho více než pět tisíc procesorů je umístěno společně s dalšími součástmi v trojpatrové budově.
Nejrychlejší superpočítač současnosti – stále ještě ne zcela dokončený IBM BlueGene /L – je využíván k simulacím chování složitých bílkovin, tuků, mastných kyselin a cholesterolu. Díky unikátní architektuře se očekává zvýšení výkonu až k hranici 300 TFLOPS, což je více, než má v součtu dalších deset nejrychlejších superpočítačů na světě
Od roku 1993 se pravidelně dvakrát do roka sestavuje žebříček pěti set nejrychlejších superpočítačů na světě, jejichž výkon je měřen pomocí testovacího balíku s název Linpack, který obsahuje sadu úloh z lineární algebry. Poslední pořadí bylo zveřejněno začátkem listopadu loňského roku na pittsburské konferenci Supercomputing 2004. Uvedený Earth Simulator v něm skončil na třetím místě, přičemž prvenství připadlo stroji Blue Gene/L společnosti IBM. Díky svým šestnácti tisícům procesorů Power PC 440 dosáhl závratné rychlosti přibližně 70 TFLOPS a to ještě není vše – do budoucna se plánuje jeho rozšíření umožňující dosáhnout výkonu kolem 300 TFLOPS.
| Superpočítače Cray |
| Při vyřčení slova superpočítač vám dost možná vyvstanou na mysli stroje Cray, které svůj název získaly po člověku považovaném za otce superpočítačů. Byl jím Seymour Cray narozený v roce 1925. Roku 1976 dokončil tým pod vedením již padesátiletého Craye superpočítač s názvem Cray-1, nejstarší z řady vysoce výkonných Cray, jehož výpočetních možností jako první využívaly národní laboratoře Los Alamos v Novém Mexiku.
Cray-1 vážil přes pět tun a pracoval s frekvencí 80 MHz. Počítačů Cray-1 bylo prodáno přes osmdesát kusů, přičemž cena každého z nich se pohybovala kolem osmi milionů dolarů.
Tak jako většina úspěšných počítačů dočkal se i Cray-1 svého nástupce, kterým se stal roku 1982 dokončený Cray X-MP. Ten byl v letech 1983 až 1985 synonymem pro nejrychlejší počítač na světě a prodával se s jedním, dvěma nebo čtyřmi procesory (MP v názvu označuje multiprocessing) za cenu v řádech desítek milionů dolarů.
V polovině osmdesátých let společnost Cray Research představila kompletně novou architekturu pod názvem Cray-2. Systém obsahoval čtyři procesory a kapacita primární paměti dosahovala 4 GB. Zatím poslední produkt společnosti Cray nese název Cray XD1 a mezi pěti sty nejrychlejšími superpočítači se umístil na 29. místě. |
Pomyslnou stříbrnou medaili v pořadí pěti set nejrychlejších superpočítačů vybojoval stroj Columbia, na jehož vývoji spolupracovaly NASA a SGI. Ten díky dvaceti propojeným počítačům SGI Altix (každý s pěti sty procesory Intel Itanium 2) dosáhl výkonu mírně převyšujícího 50 TFLOPS. Po instalaci tohoto superpočítače výrazně vzrostly výpočetní možnosti nejznámějšího vesmírného střediska, a NASA tak může s větší rychlostí modelovat výpočetně extrémně náročné úlohy, jako jsou simulace exploze supernov.
Nejrychlejší superpočítač Evropy – MareNostrum, který sice zabírá 120 m2 a má hmotnost 60 t, ale i tak je téměř 25× menší než Earth Simulator, zaujímá v žebříčku Top500 čtvrté místo s více než 20 TFLOPS. Za tento výkon vděčí řešení IBM eServer BladeCenter, což je cluster 4 536 procesorů IBM Power PC 970 s taktem 2,2 GHz. Tento drobeček se spokojí s 9 TB operační paměti a 128 TB místa na discích. Umístěn je v Technické univerzitě Katalánska (Barcelona) a k běhu mu úplně stačí 600 kW. Věřte, nevěřte, mezi špičkovými superpočítači je to ještě hodně málo.
Článek vznikl ve spolupráci s časopisem Computer a čerpá z čísla 6/05.