6.4. Суперкомпьютеры

В настоящее время в самых разных областях использования вычислительной техники самым критичным является моделирование процессов, которое ведется для изучения параметров вычислений от точки к точке в условиях внешнего воздействия в течение времени. Любая область пространства содержит бесконечное число точек, поэтому для полного описания материальной среды в общем случае необходимо бесконечное число данных. Рассматривая среду как сетку, состоящую из конечного множества узлов (точек), равномерно распределенных по всей исследуемой области, исследователи концентрируют внимание на изменении параметров среды только в узлах сетки. Чтобы получить более точное решение, необходимо уменьшать ячейки сетки, иначе говоря, увеличивать точность, а значит, и объем вычислений.

Качество моделирования зависит от степени адекватности модели соответствующему фрагменту действительности, качества компьютерной программы, а также производительности вычислительной системы. Для некоторых приложений, где велика размерность модели, ключевое значение приобретает производительность вычислительной системы.

Производительность компьютера определяется, главным образом, его элементной базой и его архитектурой – логической организацией в представлении программиста. Архитектура суперкомпьютера позволяет параллельно (одновременно) выполнять похожие операции. Производительность суперкомпьютера может повышаться также вследствие углубления специализации входящих в его состав процессоров. Рост производительности суперкомпьютеров сдерживает, с одной стороны, ограниченность возможности разбиения данных для одновременного выполнения вычислений на потоке, а с другой – стоимость процессоров, используемых для параллельной обработки данных. Дело в том, что стоимость суперкомпьютера растет линейно с увеличением количества простых процессоров, тогда как его производительность повышается гораздо медленнее в связи с возрастанием количества связей и невозможностью эффективно использовать все процессоры.

Производительность современных суперкомпьютеров измеряется в мегафлопах – миллионах операций с «плавающей точкой» в секунду, гигафлопах – миллиардах операций (Гфлоп), а иногда и в терафлопах - триллионах операций (Тфлоп). «Плавающая точка» относится к двоичному представлению чисел, которые записываются в виде произведения, где один множитель имеет величину между 0,1 и 1, а другой – является степенью числа 10. Так, число 17000000 записывается как 0,17х10. Основные характеристики суперкомпьютеров: максимальная реально достигаемая производительность и теоретически возможная пиковая производительность. Их стоимость колеблется в зависимости от технических характеристик и фирмы-производителя от нескольких тысяч до десятков миллионов долларов США.

Кластерная система – это объединение компьютеров, которое выступает как единое целое для операционной системы, системного программного обеспечения, прикладных программ и пользователей. Преимуществами кластерной системы является, во-первых, минимальная стоимость создания и эксплуатации - более низкая, чем у суперкомпьютеров. Во вторых, - возможность мгновенного перехода с вышедшего из строя узла на другой, исправный узел, т.е. высокая отказоустойчивость.

Кластерные системы позволяют эффективно реализовывать технологии параллельных баз данных, когда большое количество одновременно работающих процессоров разделяет доступ к одной базе данных. Это весьма актуально для предприятий с непрерывным циклом производства.

Области применения суперкомпьютеров и кластерных систем следующие: метеорология, аэродинамика, сейсмология, военные исследования, атомная и ядерная физика, физика плазмы, математическое моделирование сплошных сред. С их помощью моделируются испытания на прочность, гидравлические процессы, электромагнитные поля, осуществляются химические и иные расчеты. Подчеркнем, что ключевое значение для эффективного использования компьютеров имеет качество отражения реальности математической моделью, на основе которой производятся вычисления.

В качестве примера приведем один и наиболее мощных в мире суперкомпьютер NEC EARTH Simulator, применяемый для прогнозирования природных катаклизмов и моделирования погодных условий. Он имеет размеры с трехэтажный дом. Исследования проводятся «Научным и технологическим центром моря» (г. Канагава, Япония). Производителем компьютера является компания NEC. Данный суперкомпьютер состоит из 640 узлов, каждый из которых включает в себя 8 специализированных процессоров NEC Vector. Его реально достигаемая производительность превышает 35 Тфлоп.¹