Прошлое и будущее высокопроизводительных вычислений

Сергей Бобровский

История суперкомпьютеров неразрывно связана с именем Сеймора Крея (Seymour Cray, 1925–1996), известного прежде всего как основателя компании Cray, лидера американского рынка суперкомпьютеров. Первый транзисторный суперкомпьютер CDC 1604 Крей создал в 1958 г., возглавляя компанию Control Data Corporation (CDC), основанную им с Уильямсом Норрисом годом раньше. Затем он приступил к проектированию параллельного CDC 6600, способного работать с 60-разрядными словами. Из-за разногласий со своим партнером Крей покинул CDC и в 1972 г. основал фирму Cray Research. К тому времени в НАСА был установлен 64-разрядный ILLIAC IV корпорации Burroughs, показывавший 20 млн. операций в секунду. Он успешно действовал до 1981 г.

Через четыре года после организации Cray Research на свет появилась самая быстрая в мире машина Cray-1 с производительностью 160 млн. оп./с и 8 Мб ОЗУ. Схожие характеристики имел и CYBER 205, выпускавшийся бывшими партнерами Крея в корпорации CDC. Но в Cray-1 впервые была реализована концепция векторных вычислений (одновременное выполнение однотипной операции над большим набором данных) и архитектура RISC. Cray-1 обошлась Лос-Аламосской лаборатории США в 8,8 млн. долл.

Суперкомпьютер Cray-1

Следующая модель, Cray-2, достигшая в 1985 г. быстродействия 2 млрд. оп./с, также стала самой мощной на земле, как и Cray-3 (5 млрд. оп./с в 1989 г.). Интересно, что Cray-3 моделировалась на компьютерах Apple, а компания Apple в то же время купила компьютер Cray для проектирования дизайна своих ПК.

К концу 80-х годов холодная война закончилась и финансирование военных проектов, неразрывно связанных с суперкомпьютерами, в США временно сократилось. Лидерство на мировом рынке сразу же захватили энергичные японские фирмы – Fujitsu, Hitachi и NEC. Предложенная ими коммерческая концепция распределенных вычислений в среде из множества дешевых микропроцессоров (в настоящее время признанная в Японии стратегической) быстро себя оправдала.

В условиях отсутствия государственной поддержки в 1995 г. Cray испытала серьезные финансовые проблемы и вскоре объединилась с Silicon Graphics (SGI). Никогда не сдававшийся Сеймор Крей основал другую компанию – SRC Computer Labs, в которой и продолжил создание суперкомпьютеров. Уже тогда он предсказывал, что будущее высокопроизводительных вычислений – за молекулярными компьютерами и наномашинами. Однако в 1996 г. в возрасте 71 года отец суперкомпьютеров, как окрестила Крея пресса, трагически погиб в автомобильной аварии.

Летом 1995 г. два токийских университета продемонстрировали специализированный (предназначенный для моделирования задач астрофизики) суперкомпьютер GRAPE-4, собранный из 1692 микропроцессоров и обошедшийся всего в 2 млн. долл. Он первым в мире преодолел порог в 1 трлн. оп./с с результатом 1,08 Тфлопс. Через 15 месяцев Cray Research сообщила, что модель Cray T3E-900, насчитывавшая 2048 процессоров, побила рекорд японцев и достигла 1,8 Тфлопс. К тому времени результат NEC SX-4 составлял 1 Тфлопс, Hitachi SR2201 – 0,6 Тфлопс, а Fujitsu Siemens VPP700 – 0,5 Тфлопс.

В 1997 г. появились сообщения о проекте моделирования работы ядерного оружия (ASCI) в Лос-Аламосской лаборатории, финансируемом министерством энергетики США. Комплекс ASCI Red из 9632 процессоров Pentium Pro, созданный Intel, показал производительность сначала 1,8 Тфлопс, а затем 3,2 Тфлопс.

В 2002 г. в рамках ASCI временами удавалось добиться скорости обработки информации 10,2 Тфлопс, а проект поиска внеземных цивилизаций, объединяющий сотни тысяч пользователей ПК, предоставляющих ресурсы своих компьютеров для распределенных вычислений, достиг уникальной пиковой производительности 92 Тфлопс (впрочем, подобная схема вычислений позволяет решать лишь ограниченный круг задач, допускающих простое распараллеливание).

14 ноября фирма Cray анонсировала решение Cray X1 с характеристиками 52,4 Тфлопс и 65,5 Тб ОЗУ. Его стартовая цена начинается с 2,5 млн. долл. Этим комплексом сразу заинтересовался испанский метеорологический центр. А на следующий день был опубликован юбилейный, 20-й список Top 500 (http://www.top500.org), в который входят системы, официально показавшие максимальную производительность. Его возглавила компьютерная модель Земли (Earth Simulator) с результатом 35,86 Тфлопс (5120 процессоров), созданная одноименным японским центром и NEC. На втором – четвертом местах со значительным отставанием расположились решения ASCI (7,7; 7,7 и 7,2 Тфлопс). Они эксплуатируются Лос-Аламосской лабораторией, а созданы Hewlett-Packard (первые два насчитывают по 4096 процессоров) и IBM (8192 процессора).

Порог вхождения в первую десятку составил 3,2 Тфлопс. Четыре системы из десяти принадлежат Hewlett-Packard (две в проекте ASCI и по одной в Питтсбургском суперкомпьютерном центре и Министерстве атомной энергии Франции), три – IBM (ASCI, Английский центр высокопроизводительных вычислений и Национальный центр атмосферных исследований США), по одной – NEC, Linux NetworX (Ливерморская лаборатория) и HPTi (Центр предсказаний погоды США). 47 решений из Top 500 преодолели в тесте Linpack порог в 1 Тфлопс (полгода назад таких систем было всего 23). Система ASCI Red, постоянно пребывавшая в первой десятке Top 500 с 1997 г. и семь раз занимавшая первое место (результаты Top 500 подводятся два раза в год), опустилась на 15-е место.

Суперкомпьютер Grape-6

Петафлопсный рубеж (тысяча триллионов операций с плавающей запятой в секунду) Cray обещает преодолеть к концу десятилетия. Схожие сроки сулят и японцы. В Токио в рамках соответствующего проекта GRAPE (http://grape.astron.s.u-tokyo.ac.jp/grape/) готовится модель GRAPE-6. Она объединяет 12 кластеров и 2048 процессоров и показывает производительность 2,889 Тфлопс (с потенциальными возможностями 64 Тфлопс). В перспективе в GRAPE-решение будет включено 20 тыс. процессоров, а обойдется оно всего в 10 млн. долл. Правда, еще в 1996 г. создатели GRAPE выдвигали оптимистичный лозунг: “Даешь петафлопс к 2000 г!”.

В каких рыночных нишах будет востребована подобная производительность? Прежде всего это проектирование самолетов и ракет, создание лекарств, предсказание погоды и природных катаклизмов, повышение эффективности электростанций и надежности автомобилей (преимущественно путем моделирования их столкновений) и фундаментальные научные исследования.