Суперкомпьютер — это специализированная вычислительная машина, которая по своим техническим параметрам и скорости вычислений значительно превосходящая большинство существующих в мире компьютеров.
Введение
На сегодняшний день разработан ряд технологий, позволяющих построить большие компьютеры и суперкомпьютеры на основе кластерных методик. Многие специалисты компьютерной сферы предполагают, что скоро отдельные независимые суперкомпьютеры будут заменены набором мощных серверов, объединённых в кластер.
Кластером называется взаимосвязанный комплекс полноформатных компьютеров, применяемый как единый вычислительный ресурс.
Преимущество реализации кластерных вычислительных систем состоит в том, что имеется возможность оперативного и гибкого регулирования требуемой производительности системы, путём подключения к кластеру при помощи специального аппаратного оборудования и различных интерфейсных средств обычных стандартных серверов до того момента, пока не будет достигнута необходимая мощность суперкомпьютера.
Использование кластеров даёт возможность управлять серверным набором как единой системой, что делает проще процесс управления и выше уровень надёжности. Главным преимуществом кластеров считается возможность обеспечить доступ каждого сервера ко всем блокам оперативной и дисковой памяти. Эта задача с успехом может быть решена путём объединения систем с архитектурой SMP (Shared Memory multiprocessing, то есть мультипроцессорная технология с разделением памяти) на основе отдельных серверов с целью формирования общего пространства оперативной памяти, и применения дисковых систем RAID (Redundant Array of Independent Disks, то есть избыточный массив независимых дисков) для внешней памяти.
Принципы организации кластеров, их достоинства и недостатки
Для реализации кластеров, как правило, применяются или несложные персональные компьютеры, имеющие один процессор, или многопроцессорные (до четырёх модулей) серверы класса SMP. Это не накладывает дополнительные ограничения на структуру и архитектурную организацию отдельных узлов. Все узлы могут работать, используя свою собственную операционную систему. Наиболее часто применяются общеизвестные операционный системы, такие как Linux, FreeBSD, Solaris, Unix, Windows NT. Если кластерные узлы имеют неоднородную структуру, то такие кластеры называются гетерогенными.
При проектировании и реализации кластеров, реализуются следующие подходы:
- В один кластер соединяются полноформатные компьютеры, продолжающие функционировать и в качестве самостоятельного оборудования. К примеру, это может быть компьютерное оборудование учебных классов или лабораторные рабочие станции. Такой подход используется при формировании малых кластерных систем.
- Если целью является реализация мощного вычислительного ресурса, то системные компьютерные блоки помещаются все вместе в одну специализированную стойку, а управляют этой системой и запускают выполнение задач несколько более мощных компьютеров, которые называются хостами. При таком подходе отпадает необходимость в оснащении всех компьютеров вычислительного узла видеокартами, дисплеями, накопителями на жёстких дисках и другой периферией, что существенно понижает себестоимость всей системы.
Главными преимуществами суперкомпьютеров на основе кластерного построения, являются следующие:
- Повышенная общая производительность.
- Высокий уровень надёжности функционирования системы.
- Оптимальный уровень соотношения цены и производительности.
- Наличие возможности оперативного распределения нагрузки среди серверов.
- Возможность лёгкого масштабирования системы, то есть увеличения производительности за счёт подсоединения добавочных серверов.
- Обеспечение удобного управления и контроля функционирования системы.
К основным имеющимся недостаткам кластерной организации суперкомпьютеров, следует отнести:
- Отсутствие или запаздывание в выработке и реализации общей стандартизации.
- Наличие большого количества не стандартизированных и закрытых проектов разных компаний, что затрудняет их общее применение.
- Наличие трудностей при управлении единовременным доступом к файлу.
- Наличие сложностей с коррекцией структуры, выполнением настроек, сообщениями о серверных ошибках и тому подобное.
Практические примеры
В 2005-ом году фирма IBM заявила о создании суперкомпьютера Blue Gene. Он был поставлен Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса. Главным его предназначением было реализация модели погодных явлений и обработка данных по изучению космических объектов. Blue Gene имеет в своём составе сто тридцать тысяч процессоров, и обладает производительностью порядка триста шестьдесят терафлопс.
Терафлопс это величина, применяемая для оценки производительности компьютеров (один терафлопс = один триллион операций в секунду).
После этого проектирование суперкомпьютеров продолжилось и в начале 2014-го года появилось сообщение, что Ливерморская национальная лаборатория объединила свои усилия с ещё двумя лабораториями, Окриджской национальной лабораторией и Аргоннской национальной лабораторией с целью реализации следующего поколения суперкомпьютеров. Планировалось создание системы с максимальным уровнем производительности в двести петафлопс.
Учёные университета Мангейма, университета штата Теннеси и Национальной Лаборатории Лоуренса в Беркли ежегодно составляют список из пятисот мощнейших суперкомпьютеров (http://www.top500.org/). Он даёт возможность отслеживать рост мощности мировой вычислительной компьютерной элиты. Последний раз этот список формировался в ионе 2019-го года. Согласно его данным суммарная производительность пятисот самых мощных суперкомпьютеров выросла до уровня 1,65 Exaflops. А возглавляют список два суперкомпьютера компании IBM, которые называются Summit и Sierra и установлены в лабораториях Окриджа и Калифорнии.
