Многоядерные процессоры в высокопроизводительных вычислениях

На пути к экзафлопсным вычислениям предстоит решить целый ряд проблем. Вычисления такого масштаба потребуют не только высокой производительности, но и инноваций на всех уровнях, в том числе в программном обеспечении и методах программирования. При создании суперкомпьютеров и вычислительных кластеров разработчики используют разные подходы, включая применение графических ускорителей и многоядерных процессоров x86. А исследователи пытаются довести до коммерческого использования принципиально новые решения. Среди задач, решаемых суперкомпьютерами и вычислительными кластерами, немало таких, которые требуют очень высокой производительности (см. врезку «Планы создания образцов перспективных суперкомпьютеров») — от нее зависит ценность получаемых результатов.

а пути к экзафлопсным вычислениям предстоит решить целый ряд проблем. Вычисления такого масштаба потребуют не только высокой производительности, но и инноваций на всех уровнях, в том числе в программном обеспечении и методах программирования. При создании суперкомпьютеров и вычислительных кластеров разработчики используют разные подходы, включая применение графических ускорителей и многоядерных процессоров x86. А исследователи пытаются довести до коммерческого использования принципиально новые решения. Среди задач, решаемых суперкомпьютерами и вычислительными кластерами, немало таких, которые требуют очень высокой производительности (см. врезку «Планы создания образцов перспективных суперкомпьютеров») — от нее зависит ценность получаемых результатов.

Спецслужбам нужны высокопроизводительные системы с низким энергопотреблением

Ди­рек­тор раз­вед­служ­бы США об­ра­тил­ся за по­мо­щью в со­зда­нии сверх­про­во­дя­щих тех­но­ло­гий, ко­то­рые по­мог­ли бы по­стро­ить эк­зафлопс­ный суперкомпьютер

Пат­рик Тибодо

Computerworld, США

Может слу­чить­ся так, что самый мощ­ный су­пер­ком­пью­тер в мире ока­жет­ся глу­бо­ко засекречен.

Речь идет о си­сте­ме Агент­ства на­ци­о­наль­ной без­опас­но­сти США. Про­се­и­вая ин­фор­ма­цию в мас­си­вах дан­ных, эта си­сте­ма будет по­мо­гать спец­служ­бам на­хо­дить те­ле­фон­ные но­ме­ра, тек­сто­вые со­об­ще­ния и фо­то­гра­фии тер­ро­ри­стов. По­сколь­ку си­сте­мы спец­служб за­сек­ре­че­ны, ни­ка­кой ин­фор­ма­ции об их мас­шта­бах и про­из­во­ди­тель­но­сти в от­кры­том до­сту­пе не публикуется.

По­это­му в раз­ве­ды­ва­тель­ном агент­стве, ско­рее всего, не ска­жут, какие мощ­но­сти у них уже име­ют­ся, но вот чего они же­ла­ли бы по­лу­чить, вполне можно выяснить.

АНБ хо­те­лось бы по­лу­чить «ком­пью­тер неболь­ших раз­ме­ров со сверх­про­во­дя­щи­ми ло­ги­че­ски­ми схе­ма­ми и крио­ген­ной па­мя­тью, об­ла­да­ю­щий вы­со­кой эф­фек­тив­но­стью энер­го­по­треб­ле­ния, мас­шта­би­ру­е­мо­стью и спо­соб­но­стью ре­шать ин­те­рес­ные задачи»

США нужны сверх­про­во­дя­щие вы­чис­ли­тель­ные тех­но­ло­гии, ко­то­рые от­кры­ли бы путь к со­зда­нию эк­зафлопс­ных си­стем – су­пер­ком­пью­те­ров, спо­соб­ных ра­бо­тать в ты­ся­чу раз быст­рее, чем се­го­дняш­ние си­сте­мы с про­из­во­ди­тель­но­стью в несколь­ко пе­тафлоп­сов. За по­мо­щью в раз­ра­бот­ке такой сверх­про­во­дя­щей си­сте­мы ди­рек­тор аме­ри­кан­ской раз­ве­ды­ва­тель­ной служ­бы и об­ра­тил­ся к на­уч­ной об­ще­ствен­но­сти. Си­сте­ма по­доб­но­го рода с низ­ким энер­го­по­треб­ле­ни­ем ста­нет при­вле­ка­тель­ной аль­тер­на­ти­вой се­го­дняш­ним технологиям.

АНБ хо­те­лось бы по­лу­чить «ком­пью­тер неболь­ших раз­ме­ров со сверх­про­во­дя­щи­ми ло­ги­че­ски­ми схе­ма­ми и крио­ген­ной па­мя­тью, об­ла­да­ю­щий вы­со­кой эф­фек­тив­но­стью энер­го­по­треб­ле­ния, мас­шта­би­ру­е­мо­стью и спо­соб­но­стью ре­шать ин­те­рес­ные задачи».

Чтобы было по­нят­но, на­сколь­ко важна про­бле­ма энер­го­по­треб­ле­ния, от­ме­тим, что самый быст­рый на се­год­ня су­пер­ком­пью­тер в США, Titan, при про­из­во­ди­тель­но­сти в 17,59 PFLOPS по­треб­ля­ет свыше 8 МВт элек­тро­энер­гии. Си­сте­мам с про­из­во­ди­тель­но­стью в несколь­ко пе­тафлоп­сов нужно го­раз­до боль­ше энер­гии, чем обыч­ным компьютерам.

В США счи­та­ют, что ис­поль­зо­ва­ние сверх­про­во­дя­щих тех­но­ло­гий по­мо­жет по­лу­чить про­из­во­ди­тель­ность 1 PFLOPS при по­треб­ля­е­мой мощ­но­сти 25 кВт или даже 100 PFLOPS при мощ­но­сти 200 кВт, вклю­чая рас­хо­ды на охла­жде­ние криогена.

Сверх­про­во­дя­ще­му су­пер­ком­пью­те­ру нужны очень низ­кие тем­пе­ра­ту­ры, чтобы ме­талл пе­ре­шел в со­сто­я­ние, когда он не ока­зы­ва­ет (или почти не ока­зы­ва­ет) со­про­тив­ле­ния элек­три­че­ско­му току.

«Ну­ле­во­го со­про­тив­ле­ния при ны­неш­нем уровне раз­ви­тия науки до­бить­ся невоз­мож­но, – ука­зал Ретиф Гер­бер, ди­рек­тор юж­но­аф­ри­кан­ской ком­па­нии NioCAD, ра­бо­та­ю­щей над со­зда­ни­ем сверх­про­во­дя­щих тех­но­ло­гий. – Под­дер­жа­ние тем­пе­ра­ту­ры сверх­про­во­дя­щей элек­тро­ни­ки на долж­ном уровне на­по­ми­на­ет хра­не­ние куска льда в хо­ло­диль­ни­ке. Когда вода уже за­мо­ро­же­на, на под­дер­жа­ние ее в таком со­сто­я­нии тре­бу­ет­ся го­раз­до мень­ше энер­гии. Под­дер­жа­ние же обыч­ной элек­тро­ни­ки в хо­лод­ном со­сто­я­нии на­по­ми­на­ет по­пыт­ки по­ме­стить в хо­ло­диль­ник ста­кан воды, на­хо­дя­щий­ся внут­ри печи.

Ком­мер­че­ские ку­ле­ры спо­соб­ны под­дер­жи­вать очень низ­кие тем­пе­ра­ту­ры (при­мер­но 268 °С), ко­то­рые нужны для по­лу­че­ния сверх­про­во­ди­мо­сти и кон­так­та Джо­зеф­со­на, для со­зда­ния пе­ре­клю­ча­те­лей, рас­се­и­ва­ю­щих очень мало энергии.

АНБ уже дол­гое время про­яв­ля­ет ин­те­рес к тех­но­ло­ги­ям сверх­про­во­ди­мо­сти, но «изу­че­нию сверх­про­во­дя­щих ком­пью­те­ров ме­ша­ют се­рьез­ные тех­ни­че­ские труд­но­сти». К со­вре­мен­ным ин­но­ва­ци­он­ным ре­ше­ни­ям от­но­сит­ся крио­ген­ная па­мять, поз­во­ля­ю­щая вы­пол­нять опе­ра­ции с па­мя­тью и ло­ги­че­ски­ми схе­ма­ми в непо­сред­ствен­ной бли­зо­сти от хо­лод­ной среды и обес­пе­чи­ва­ю­щая го­раз­до более вы­со­кую ско­рость переключения.

По сло­вам Гер­бе­ра, за по­след­ние два де­ся­ти­ле­тия раз­ра­бот­чи­ки сверх­про­во­дя­щей элек­тро­ни­ки до­би­лись се­рьез­ных успе­хов и по­до­шли к ру­бе­жу, когда слож­ные схемы могут функ­ци­о­ни­ро­вать на так­то­вых ча­сто­тах, пре­вы­ша­ю­щих 100 ГГц.

Бюд­же­ты раз­вед­служб США не раз­гла­ша­ют­ся, но им дей­стви­тель­но нужны ком­пью­те­ры с вы­со­кой эф­фек­тив­но­стью энергопотребления.

АНБ стро­ит в штате Юта да­та-центр пло­ща­дью около 100 тыс. кв. мет­ров и сто­и­мо­стью 1,2 млрд долл. Он смо­жет под­дер­жи­вать энер­го­по­треб­ле­ние на уровне 65 МВт, при этом энер­гия долж­на пи­тать не толь­ко ком­пью­те­ры, но и всю осталь­ную инфраструктуру.

Про­из­во­ди­тель­ность са­мо­го быст­ро­го в мире на се­го­дняш­ний день су­пер­ком­пью­те­ра, ки­тай­ско­го Tianhe-2, до­сти­га­ет 33,86 PFLOPS. При пи­ко­вой на­груз­ке его энер­го­по­треб­ле­ние со­став­ля­ет 16,7 МВт, а вме­сте с си­сте­мой охла­жде­ния – 24 МВт. На него при­хо­дит­ся боль­шая часть мощ­но­сти, вы­ра­ба­ты­ва­е­мой целой электростанцией.

Обыч­ные же ком­пью­тер­ные си­сте­мы с тра­ди­ци­он­ны­ми ме­тал­ли­че­ски­ми со­еди­не­ни­я­ми не в со­сто­я­нии быст­ро по­вы­шать эф­фек­тив­ность энер­го­по­треб­ле­ния, удо­вле­тво­ряя рас­ту­щий спрос на вы­чис­ли­тель­ные мощности.