Суперкомпьютеры
К суперкомпьютерам относятся мощные многопроцессорные вычислительные машины с быстродействием сотни миллионов — десятки миллиардов операций с плавающей запятой в секунду (MFLOPS). Суперкомпьютеры применяются для решения таких сложных вычислительных задач, как задачи обеспечения государственной безопасности, задачи исследования космоса, метеопрогнозы (в том числе предсказание мощности и траекторий движения ураганов, прогнозирование глобального потепления), биохимические исследования животных и человека, контроль работоспособности ядерного оружия и надежности АЭС и др.
Первый суперкомпьютер был задуман в 1960 и создан в 1972 году (машина ILLIAC IV с производительностью 20 MFLOPS), а начиная с 1975 года лидерство в разработке суперкомпьютеров захватила фирма Cray Research, выпустившая Cray 1 c производительностью 160 MFLOPS и объемом оперативной памяти 8 Мбайт, а в 1984 году — Cray 2, в полной мере реализовавший архитектуру SIMD (см.гл.16) и ознаменовавший появление нового поколения суперкомпьютеров. Производительность Cray 2 — 2000 MFLOPS, объем оперативной памяти — 2 Гбайта (классическое соотношение, ибо критерий сбалансированности ресурсов компьютера — «каждому MFLOPS производительности процессора должно соответствовать не менее 1 Мбайт оперативной памяти»).
В настоящее время в мире насчитывается несколько тысяч суперкомпьютеров, начиная от простых офисных Cray EL до мощных Cray 3, Cray 4, Cray Y-MP C90 фирмы Cray; Research, Cyber 205 фирмы Control Data; SX-3 и SX-X компании NEC; VP 2000 компании Fujitsu, (обе фирмы японские), VPP 500 компании Fujitsu Siemens (немецко-японская) и др. производительностью несколько сотен тысяч MFLOPS.
В декабре 1996 года фирма Intel объявила о создании суперкомпьютера Sandia, впервые в мире преодолевшего терафлопный барьер быстродействия. За 1 час 40 минут компьютер выполнил 6,4 квадриллиона операций с плавающей запятой. Конфигурация, достигшая производительности 1060 MFLOPS по тесту MP LINPACK, представляла собой 57 стоек, содержащих более 7000 процессоров Pentium Pro с тактовой частотой 200 МГц и оперативную память 454 Гбайт. Окончательный вариант суперкомпьютера имеет производительность 1,4 TFLOPS, включает 86 стоек общей площадью 160 м2, 573 Гбайта оперативной и 2250 Гбайт дисковой памяти. Масса компьютера составляет около 45 тонн, а пиковое потребление энергии — 850 КВт.
В 1998 году японская фирма NEC (Nippon Electric Company) Corporation сообщила о создании суперкомпьютеров SX-5 с производительностью 4 TFLOPS, содержащих 512 процессоров и обеспечивающих общую скорость передачи данных 32 Тбайт/с.
Среди лучших суперкомпьютеров можно отметить и отечественные суперкомпьютеры. В сфере производства суперкомпьютеров Россия, пожалуй, впервые, представила собственные оригинальные модели компьютеров (все остальные, включая и ПЭВМ, и малые ЭВМ, и универсальные компьютеры за редким исключением, например, ЭВМ «Рута 110», копировали архитектуру зарубежных компьютеров и, в первую очередь, разработки фирм США). В СССР, а позднее в России была разработана и реализуется (сейчас, правда, почти заморожена) государственная программа разработки суперкомпьютеров. В рамках этой программы были спроектированы и выпущены такие суперкомпьютеры, как: повторяющая Cray-архитектуру модель «Электроника СС БИС»; оригинальные разработки: ЕС 1191, ЕС 1195, ЕС 1191.01, ЕС 1191.10, «Эльбрус».
Рис. 4.8. Структурная схема суперкомпьютера «Эльбрус»
На рис. 4.8 приведена структура суперкомпьютера «Эльбрус 3», разработанного в Институте точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ, Москва). Характеристики суперкомпьютера «Эльбрус 3»:
производительность 10 000 MFLOPS;
разрядность 64 бита (имеется возможность работы с 128-разрядными словами);
16 магистральных процессоров по 7 арифметико-логических устройств и 16 Мбайт оперативной памяти в каждом (итого — 256 Мбайт);
общая оперативная память — 8 блоков по 256 Мбайт (итого — 2048 Мбайт);
суммарная емкость оперативной памяти 16´16+8´256=2304 Мбайт;
8 процессоров ввода-вывода, каждый из которых имеет:
медленный канал;
быстрый канал;
дисковый канал для обмена данными, соответственно, с: внешними устройствами, модульными комплексами телеобработки и накопителями на магнитных дисках, часто с дисковыми массивами типа RAID.
Используются операционные системы «Эльбрус» и UNIX, поддерживающие большое число языков программирования: Эль, Фортран, Паскаль, Кобол, Пролог и т. д. Для суперкомпьютера «Эльбрус» разработан один из первых в мире микропроцессор E2k, имеющий VLIW-архитектуру.