4. Классификация и краткий обзор современных компьютеров

Современные компьютеры можно разбить на 4 больших класса.

1. Суперкомпьютеры.

2. Универсальные компьютеры общего назначения (Mainframe).

3. Миникомпьютеры.

4. Микроконтроллеры.

1. Суперкомпьютеры

Суперкомпьютеры находятся на верхушке компьютерной пирамиды. Они необходимы для работы с приложениями, требующими производительности в сотни и тысячи миллиардов операций с плавающей запятой в секунду.

Конечно, создать такие компьютеры на одном микропроцессоре невозможно. Ограничением является конечная скорость распространения электромагнитных волн (300 000 км/с), поскольку время распространения сигнала в кристалле микропроцессора (размером несколько миллиметров), при быстродействии уже 100 миллиардов операций в секунду, становится соизмеримым со временем выполнения одной операции. Поэтому суперкомпьютеры создаются в виде многопроцессорных вычислительных систем с высоким параллелизмом выполнения вычислительных операций.

Суперкомпьютеры могут включать в себя десятки и сотни тысяч микропроцессоров (а в последнее время говорят и о миллионах микропроцессоров). Оперативная память в современных суперкомпьютерах достигает 100 и более Гбайт, при внешней памяти до 10 и более Тбайт. При этом они используют весь арсенал параллельной обработки информации для достижения основной цели, которая позволяет их выделять в отдельный класс компьютеров, а именно: выдержать отрыв по производительности от остальных вычислительных систем минимум в 10 раз!

Конечно, надо иметь в виду, что наряду с огромной производительностью, максимальным объемом оперативной и внешней памяти, они имеют свое специализированное программное обеспечение для решения задач, позволяющих распараллеливание алгоритма обработки информации.

Создание таких компьютеров обходится в десятки и сотни миллионов долларов. Конечно, в принципе страна может прожить и без суперкомпьютеров. В настоящее время, даже мощной промышленно развитой стране нужно их не больше несколько десятков или сотен штук. Но без них:

• Инженеры будут годами проводить натурные испытания новых самолетов, кораблей и двигателей;

• Геологи долго и мучительно бурить скважины для обнаружения новых полезных ископаемых;

• Физики-ядерщики и биохимики станут стерильно чистыми теоретиками;

• Прогнозы погоды не выйдут за пределы одного, двух дней и то с относительной точностью.

А все это вместе взятое приведет к резкому замедлению темпов развития общества по пути прогресса. Кроме того, современное человечество подошло к управлению такими силами (например, термоядерными), что во многих случаях исключен натурный эксперимент, который всегда проводится для экспериментального подтверждения тех или иных теоретических построений. Один такой эксперимент закончился Чернобыльской катастрофой и только подтвердил это положение. Поэтому подобные исследования можно проводить только математическим моделированием изучаемых ситуаций на сверхмощных суперкомпьютерах.

Так, например, лет 30 тому назад, еще при напряженном противостоянии двух самых мощных держав США и СССР, ученых и политиков и той и другой стороны очень интересовал вопрос, что же может произойти с человечеством, при возникновении III мировой войны. Физиками и математиками, как США, так и СССР, независимо друг от друга были разработаны программы моделирования следующей ситуации: что будет, если произойдет взрыв хотя бы 10% всех ядерных запасов человечества, даже независимо от места взрыва? Для моделирования использовались самые мощные, к тому времени, суперкомпьютеры. Оказалось, что и у американцев и у нас получился аналогичный результат: на всем земном шаре наступит, так называемая «ядерная зима» и человечество погибнет.

Но суперкомпьютеры с успехом используются и для других целей.

- Так Holywood приобрел за 15 млн. долларов суперкомпьютер фирмы Crey для создания мультипликационных фильмов и прорисовки задних планов полнометражных художественных фильмов. Трудоемкость этих операций можно оценить по тому, что даже для такого суперкомпьютера, на расчет и прорисовку 3 секундного кадра из фильма «Звездные войны» потребовалось неделя работы.

- По данным компании Ford, для выполнения crash-тестов, при которых реальные автомашины разбиваются о бетонную стену с одновременным измерением необходимых параметров, со съемкой и последующей обработкой результатов, ей потребовалось бы от 10 до 150 прототипов для каждой новой модели. При этом общие затраты составили бы от 4 до 60 миллионов долларов. Использование же суперкомпьютеров для моделирования crash-тестов позволило сократить число прототипов на одну треть.

- Известной фирме DuPont суперкомпьютеры помогли синтезировать материал, заменяющий хлорфлюорокарбон. Нужно было синтезировать материал, имеющий те же положительные качества: невоспламеняемость, стойкость к коррозии, низкую токсичность, но без вредного воздействия на озоновый слой земли. За одну неделю были произведены необходимые расчеты на суперкомпьютере с общими затратами около 5 тысяч долларов. По оценкам специалистов фирмы DuPont, использование традиционных экспериментальных методов исследований потребовало бы 50 тысяч долларов и около 3 месяцев работы – и это без учета времени, необходимого на синтез и очистку требуемого количества вещества.

Список 500 самых мощных суперкомпьютеров мира два раза в год публикуется в Интернете.

На сегодняшний день (июнь 2007 г.) самый мощный суперкомпьютер находится в США. Это суперкомпьютер семейства IBM BlueGene/L, изготовленный фирмой IBM в 2006г. В нем использовано 131.076 микропроцессоров той же фирмы, и он имеет максимальную производительность более 280 триллионов Flops (операций с плавающей запятой в секунду), т.е. более 280 Teraflops. Размещается он в 64 компьютерных стойках и потребляет примерно 1,5…1,7 МВт энергии.

Подробные характеристики этого суперкомпьютера я не имею, но могу привести характеристики суперкомпьютера семейства NEC Vector, который в списке Top500 занимал в 2003 году первую строчку, а в 2007 – только 20 место. Этот суперкомпьютер построен японской корпорацией NEC на 5120 микропроцессорах типа SX6, смонтированных в 320 больших шкафах. Располагается он в двухэтажном зале 65×50 метров и высотой 17 метров. При этом машинный зал расположен на первом этаже, а его освещение осуществляется через световоды со второго этажа от галогенных ламп. (Лампы накаливания слишком нагревают воздух, что неприемлемо для соблюдения жесткого температурного режима, а лампы дневного света создают слишком большие электромагнитные помехи). Максимальная производительность этого компьютера достигает 36 Tflops, т.е. 36 триллионов операций с плавающей запятой в секунду. Он известен под названием «Симулятор земли» и, в основном предназначен для следующих задач.

1. Для моделирования климатических процессов в масштабе всей планеты и предсказания погоды с большой точностью, в том числе, тайфунов и цунами. Японские ученые с его помощью намерены прогнозировать погодные условия на 30 лет вперед, а в перспективе – до 300 лет вперед.

2. Для моделирования сейсмических явлений и предсказания землетрясений.

Эти две задачи занимают 85% мощности этого суперкомпьютера, но кроме того, он используется:

3. Для криптографических работ (шифровка своих и расшифровка чужих, перехваченных секретных посланий).

4. Для моделирования ядерных процессов и ядерных взрывов.

5. Для биологических расчетов, связанных с прочтения геномов.

Стоимость этого суперкомпьютера – 400 миллионов долларов.

Для сравнения приведем параметры самого последнего в списке ТОР500 суперкомпьютера на 2007 год. Это суперкомпьютер, установленный на предприятии корпорации BMW AG в Германии. Он создан на базе 896 микропроцессоров Itanium 2 с тактовой частотой – 1,5 ГГц. Этот суперкомпьютер имеет максимальную производительность 4,005 Tflops при пиковой, теоретически возможной – 5,06 Tflops.

Представляет интерес рассмотреть распределение этих 500 наиболее мощных суперкомпьютеров, по наиболее использующим их странам, за последние 4 года.

№№ п/п	Страны	Количество суперкомпьютеров
		2003 г.	2004 г.	2005 г.	2006 г.	2007 г.
1	США	250	258	279	299	276
2	Европа Германия Англия Франция	147 55 37 13	121 35 36 16	108 39 30 11	83 18 35 8	80 25 42 13
3	Япония	40	34	25	29	21
4	Все остальные страны Китай Россия остальные	63 5 2 56	87 13 2 72	88 19 3 66	89 28 1 60	123 13 5 105

Самый последний из суперкомпьютеров, помещенных в списке Top500, установлен в корпорации BMW AG в Германии. Он состоит из 896 микропроцессоров Itanium 2 HP – 1,5 ГГц и имеет максимальную производительность 4,005, а пиковую теоретическую – 5,4 Tflops.

Суперкомпьютеры, используемые в России, которые упомянуты в рейтинге Top500, имеет следующие характеристики:

Порядковый № в ТОР500	Место установки	Количество процессоров шт.	Максимальная производительность Тflops	Пиковая теоретическая производительность Tflops
105	ТГУ	1128	9,011	12
187	Объед. центр	1148	6,645	10,102
265	Объед. центр	640	5,74	7,68
294	Logistic Serv.	672	5,242	8,064
415	Ин-т Физики	544	4,526	5,720

В большинстве случаев, в этих суперкомпьютерах использовались микропроцессоры Xeon корпорации Intel с тактовой частотой 3,0 ГГц.

Лидером в области производства суперкомпьютеров является корпорация IBM. 239 суперкомпьютеров из списка Top500, т.е. 43,8% - это суперкомпьютеры производства IBM. 33,8% суперкомпьютеров списка Top500 – суперкомпьютеры корпорации Hewlett-Packard. В 333 суперкомпьютерах, т.е. в двух третях суперкомпьютеров списка Top500 используются микропроцессоры корпорации Intel.

Самым большим потребителем суперкомпьютеров остается промышленность. 226 суперкомпьютеров из списка Top500 принадлежит коммерческим организациям, 121 – научно-исследовательским и 70 – академическим.

В России также развивается своя линия суперкомпьютеров МВС-1000 и МВС-5000 с производительностью более 1000 Gflops. Правда, в связи с отставанием технологической базы производства микропроцессоров, используются микропроцессоры семейства Alpha, фирмы DEC и Itanium II фирмы Intel.

Теоретические разработки и проекты у нас отличные. Многие идеи (например, разработки Бабаяна) заимствуются даже фирмами США при создании своих суперкомпьютеров. Однако основная наша беда – слабая технологическая база. Она требует гигантских капиталовложений, которые пока нам не под силу. В настоящее время в США на программу ASCI (Accelerated Strategic Computing Initiative), целенаправленную на развитие суперкомпьютеров, специально выделяется более 1,4 миллиарда долларов в год.

Что касается дальнейших перспектив развития суперкомпьютеров, то американский профессор Стив Чен в 2006 г. писал, что если для задач аэродинамики хватит производительности в несколько петафлопс (10¹⁵ Flops, т.е. квадриллион операций с плавающей запятой в секунду), то для задач молекулярной динамики потребуется уже 20 Pflops, для вычислительной космонавтики – порядка 10 экзафлопс ( 1 экзафлопс = 10¹⁸ Flops, т.е. квинтиллион Flops). А для задач вычислительной химии потребуются еще более мощные процессоры. По мнению Стива Павловски, старшего заслуженного инженера-исследователя корпорации Intel, компьютеры с производительностью в секстиллион Flops, то есть 10²¹ операций с плавающей запятой в секунду появятся к 2029 году.

2. Mainframe

Универсальные компьютеры общего назначения или, как их называют в западных странах, “Mainframe” (главная рама), в недавнем прошлом были основным типом выпускаемых компьютеров. К этому типу компьютеров относились, например, первый американский компьютер «ENIAC», и наши компьютеры серии МЭСМ, БЭСМ, М-20 и др. Пик их развития пришелся где-то на 60…70 годы XX века. В это время в массовом масштабе выпускались знаменитые американские компьютеры фирмы IBM семейства IBM 360/370, а также наши компьютеры семейства ЕС ЭВМ.

В это время основной идеологией вычислительных технологий была концентрация вычислительных средств в общем центре, и развитие периферии под крышей мощных вычислительных центров. Эта тенденция оправдывала постоянное увеличение мощности компьютеров, не особенно считаясь с их стоимостью. Но то, что устраивало крупные предприятия и госучреждения никак не годилось для предпринимателей средней руки, небольших офисов. Мощности этих компьютеров для них были излишними, а стоимость слишком высока. Возить же программы для отладки и обработки на крупные вычислительные центры было также очень неудобно. Как один из выходов предлагался и реализовывался способ развития удаленных терминалов на базе компьютеров с разделением времени, которые устанавливались на в таких малых предприятиях и офисах. Однако это развитие не получило широкого распространения ввиду появления другого выхода из этой ситуации – появление небольших но достаточно мощных и недорогих так называемых мини-компьютеров.

И вот в 80 годах производство мини-компьютеров стало преобладать, особенно после появления персональных компьютеров. И в конце 80 годов стали поговаривать, что класс компьютеров «Mainframe» обречен на вымирание. Дело осложнялось еще тем, что компьютеры эти той поры представляли собой закрытые (замкнутые) системы, т.е. ориентированные на образование вычислительных комплексов из аппаратных и программных средств, созданных специально под эти комплексы и не приспособленных к связи таких комплексов в единую систему. В то время как новая разновидность компьютеров – мини-компьютеры очень легко объединялись друг с другом через соответствующие интерфейсы, образуя мощные системные комплексы.

И только, когда в 1991 году корпорация IBM объявила о выпуске компьютеров с архитектурой ESA/390 (Enterprise System Architecture – архитектура систем масштаба предприятия), компьютеры типа Mainframe стали отвоевывать свои позиции. Основное достоинство этой архитектуры – ее открытость, т.е. возможность объединятся с другими компьютерами в мощные вычислительные системы. Это позволяет использовать такие компьютеры в качестве центров интеграции неоднородного вычислительного комплекса. ESA предполагает совместную работу со всеми альтернативными системами в рамках единого комплекса и одновременно реализует ряд специфических функций, которые обеспечивают Mainframes центральное место в подобных системах.

Рынок Mainframes, в связи с выпуском компьютеров IBM (в рамках архитектуры ESA/390), семейства ES/9000 (серий 9221, 9121, 9021 и др.), заметно вырос, и теперь ни у кого не вызывает сомнения в том, что Mainframes скорее всего сохранят за собой устойчивый сектор рынка объемом 20…30%. Только в США работают сотни тысяч мэйнфреймов, а по данным некоторых экспертов на мэйнфреймах сейчас находится около 70 % компьютерной информации.

В России, усилиями IBM и российских организаций (НИИЦЭВТ) разработана серия компьютеров ЕС1220, которая тоже успешно распространяется по предприятиям.