Казалось бы, сравнительно недавно суперкомпьютеры преодолели планку производительности в один терафлопс (триллион операций с плавающей запятой в секунду), а уже не за горами эра петафлопс (квадриллион, или 1015 операций с плавающей запятой в секунду).
Первые пета-суперкомпьютеры, по прогнозам экспертов, появятся в 2008-2009 годах, в Европе уже стартовала подготовка к нескольким пета-проектам. Между тем Россия, успешно начавшая инвестировать в разработку и строительство высокопроизводительных систем, имеет все шансы к концу десятилетия прочно утвердиться в престижном мировом списке самых мощных суперкомпьютеров ТОР500. На данный момент наша страна представлена в рейтинге 4 системами.
Как показывают исследования, в среднем вычислительная мощь настольных ПК отстаёт от уровня производительности суперкомпьютеров на 13 лет. Иными словами, по уровню производительности сегодняшние профессиональные ПК практически полностью соответствуют суперкомпьютерам 13-летней давности. Поэтому положение дел в суперкомпьютерах определяет ситуацию на компьютерном потребительском рынке в следующем десятилетии.
Американский профессор и писатель Стив Чен попытался рассчитать, какая производительность необходима для решения различных задач будущего. По его мнению, для задач аэродинамики хватит производительности в несколько петафлопсов, для задач молекулярной динамики требуется уже 20 петафлопсов, а для вычислительной космологии — фантастическая производительность на уровне 10 экзафлопсов (10 квинтиллионов флопсов, или 10Х1018 флопс). Для задач вычислительной химии потребуются ещё более мощные процессоры. По мнению Стива Павловского, старшего заслуженного инженера-исследователя Intel, главного директора по технологиям и генерального менеджера по архитектуре и планированию подразделения Digital Enterprise Group корпорации Intel, появление компьютеров с производительностью в секстиллион операций в секунду (1021 флопс) можно ожидать уже к 2029 году.
Прогресс в суперкомпьютерных технологиях последних лет и распространение этих технологий во всё новые сферы человеческой деятельности свидетельствуют о том, что суперкомпьютеры — это мощный инструмент, который позволяет форсировать продвижение научно-технологической мысли во многих отраслях. Ведущие страны мира создали и используют этот инструмент для решения особо сложных задач науки, образования, экономики, для долгосрочных прогнозов, в том числе экологической обстановки, для обеспечения национальной безопасности. В последнее десятилетие произошли заметные сдвиги в организации научного процесса: вследствие широкого внедрения вычислительной техники заметно усилилось направление компьютерного моделирования и эксперимента, что позволяет значительно повысить эффективность процессов научного и технологического поиска. Становится возможным моделировать сложные физико-химические процессы и ядерные реакции, глобальные атмосферные явления, развитие экономики и промышленности.
Высокопроизводительные вычислительные системы расширяют пределы, ограничивающие возможности инженеров и учёных, но реализованные в этих системах технологии важны не только для исследовательских лабораторий — в конечном итоге они позволяют улучшить нашу повседневную жизнь. Моделирование электромагнитных полей, вычислительная гидродинамика и анализ методом конечных элементов — вот лишь несколько примеров приложений, которые когда-то считались прерогативой суперкомпьютеров для научных целей, а сегодня используются многими компаниями для разработки и производства самых разных товаров: от картофельных чипсов до сотовых телефонов и автомобилей.
Суперкомпьютеры сегодня — это как SMP-системы, так и кластеры, активно использующие параллельные вычисления. С приходом многоядерных архитектур параллельное программирование распространилось и на индустрию пользовательских устройств, хотя именно высокопроизводительные вычисления сегодня используют преимущества многопоточности в наиболее полной мере, закладывая тем самым фундамент отрасли разработки ПО на следующие десятилетия.
Стоит подчеркнуть, что корпорация Intel создаёт не только высокопроизводительные процессоры, но и активно развивает инструментарий ПО для параллельных вычислений. В июне 2007 года было объявлено о выпуске двух новых программных решений, предназначенных для разработчиков программного обеспечения — системы программирования Intel® C++ Compiler Professional Edition и Intel® Fortran Professional Edition представляют собой уникальное сочетание компиляторов, библиотек производительности и механизмов поточной обработки данных Intel® Threading Building Blocks.
Список 500 самых мощных суперкомпьютеров в мире два раза в год составляют и публикуют эксперты по суперкомпьютерам Ганс Мейер (Hans Meuer) из университета Мангейма, Эрик Стромайер (Erich Strohmaier) и Хорст Саймон (Horst Simon) из Государственного научно-исследовательского вычислительного центра Министерства энергетики США, а также Джек Донгарра (Jack Dongarra) из университета Теннесси. Полный список TOP500 можно найти по адресу www.top500.org.
В его очередную редакцию в июне 2007 года попали сразу четыре российских суперкомпьютера (напомним, что в ноябре 2006 года в ТОР500 присутствовал только один высокопроизводительный вычислительный комплекс отечественного производства). Самый мощный из них — «СКИФ Cyberia» с пиковой производительностью 12 Тфлопс, расположенный в Томском государственном университете, занимает 105 место. Комплексный экологический мониторинг атмосферы и гидросферы, контроль за разливом рек, распространением пожаров и эпидемий, рациональное использование лесных и минеральных ресурсов, новые конкурентоспособные методы разведки нефтегазовых месторождений, восстановление загрязнённых почв, проектирование ракетно-космической техники и безопасного шахтного оборудования, создание новых видов ракетного топлива и сверхтвёрдых покрытий с помощью нанотехнологий — вот лишь малая часть сложнейших задач, которые учёные ТГУ будут решать с помощью «СКИФ Cyberia» в тесном сотрудничестве с предприятиями региона.
В общей сложности около 600 двухъядерных процессоров Intel® Xeon® составляют основу двух других ведущих российских суперкомпьютеров, установленных в Межведомственном суперкомпьютерном центре РАН (265 место в списке, 7,6 Тфлопс) и МФТИ (415 место, 4,5 Тфлопс).
Как три столетия назад великий Пётр I принял решение «рубить окно в Европу», заложив строительство мощных морских фрегатов, так и российская суперкомпьютерная отрасль сейчас строит «стапели», чтобы «ногою твёрдой стать при море». Уже в ноябрьском 2007 года списке ТОР500 можно ожидать прибавления количества российских суперкомпьютеров, и ещё гораздо больше их должно появиться в ведущем мировом рейтинге в 2008 году. Ведёт разработки и планирует внедрение собственных кластеров и SMP-систем ряд государственных университетов из Нижнего Новгорода, Санкт-Петербурга и других вузовских центров России, МСЦ собирается в несколько раз расширить свой кластер. Традиционно сильные позиции суперкомпьютеров в российских научных учреждениях подкрепляются проникновением высокопроизводительных кластеров в производственную сферу. Так, суперкомпьютер мощностью 0,9 ТФлопс установлен в НПО «Сатурн», ведущем отечественном разработчике и производителе авиадвигателей гражданского и военного назначения. В российском списке самых мощных суперкомпьютеров ТОР50 он занимает 11 место. Причём, «Сатурн» уже сейчас планирует на порядок увеличить производительность своего вычислительного центра, построив в ближайшем будущем новую систему. Росгидромет планирует внедрить у себя несколько суперкомпьютеров, эффект от применения которых составит до 1 млрд долл., а самый мощный из них займёт достойное место в верхней части рейтинга мировых вычислительных систем. Словом, «кластеростроение» приобретает характер плановой комплексной программы, причём поддерживаемой государством. В итоге у России есть все шансы к концу десятилетия прочно утвердиться в первой полусотне рейтингового списка TOP500.
Стоить отметить, что 289 из 500 самых мощных суперкомпьютеров мира построены на базе процессоров Intel. По сравнению с остальными производителями процессоров, Intel демонстрирует самые высокие темпы роста — в предыдущем списке, опубликованном в ноябре 2006 года, Intel занимал только 263 позиции.
Интересен также тот факт, что количество систем, построенных на базе двухъядерного процессора Intel® Xeon® серии 51xx с микроархитектурой Intel® Core™ выросло за полгода с 31 до 205. И хотя в текущем списке всего 19 систем, содержащих четырёхъядерные процессоры Intel® Xeon® 53xx, можно с уверенностью сказать, что в ноябре 2007 г. количество таких систем в ТОР500 резко возрастёт, что приведёт к росту и общего количества систем на базе процессоров Intel в рейтинге.
Характерной особенностью нынешнего рейтинга ТОР500 является его стремительное обновление: 192 системы на базе процессоров Intel выпали из списка, зато 218 новых систем в него вошли. Растёт доля систем на базе процессоров Intel и в рейтинге 500 европейских суперкомпьютеров: в июне 2007 года она составила почти 60%, тогда как в ноябре 2006 года — лишь 45%.
Итак, суперкомпьютеры и параллельные вычисления стремительно движутся к рубежу петафлопов. Скорее всего, он будет достигнут в 2008 году, а отечественного суперкомпьютера с такой мощностью придётся подождать еще год-другой, но он наверняка будет!
«Нас не может не радовать то, что научные достижения, реализованные в сотнях суперкомпьютеров на базе стандартизированных серверных платформ Intel, стали доступны учёным всего мира, — сказал Кирк Скауген (Kirk Skaugen), генеральный менеджер подразделения Server Platforms корпорации Intel. — Всего лишь несколько лет назад никто даже не мечтал о том, что университеты, компании и государственные организации смогут позволить себе приобретать высокопроизводительные системы, выполняющие более 1 триллиона вычислений в секунду. Теперь это становится реальностью».