Оглавление

1. Введение 2
2. Суперкомпьютер что это? 3
3. Развитие суперкомпьютеров. 4
4. Разновидности параллельных числовых систем 6
5. Сферы применения суперкомпьютеров 8
6. Применение суперкомпьютеров 10

• Биология и медицина 11

• Космическое пространство. 11
• Климат и погода. 11
• Стихийные бедствия и экологические катастрофы 12
• Промышленность. 12

7. Топ 500 13

8. Заключение 15
9. Используемая литература 16

Введение

Целью создания реферата является представление технологий в области суперкомпьютерных систем и способов  связи с существующими областями науки и промышленности, нуждающимися в высокопроизводительных вычислениях и моделировании.

 В то время, когда появились первые компьютеры, перед разработчиками вычислительной техники стала проблема - производительность вычислительной системы. С годами производительность компьютеров стремительно возрастала, с каждым годом росло и число пользователей компьютерами, что привело к расширению сферы вычислительных систем - это стало одной из причины появления суперкомпьютеров. Что представляют собой  суперкомпьютеры, и какова их функция в жизни человека?

Суперкомпьютер- это обычная вычислительная система, которая позволяет производить сложные расчеты за более короткие промежутки времени. Система компьютера  состоит из трех компонентов - счетного устройства, блока памяти и вторичной системы хранения информации. Большое значение имеет пропускная способность каналов, которая связывает их друг с другом и с терминалами потребителей. Важным показателем компьютера является быстродействие, которое измеряется флопсами. Флопс - внесистемная единица, используемая для измерения производительности компьютеров, показывающая, сколько операций с плавающей запятой в секунду выполняет данная вычислительная система.

Для чего нужны суперкомпьютеры? Расширение границ человеческого знания всегда опиралось на  теорию и опыт. Но теперь ученые сталкиваются с тем, что многие испытания стали невозможными - в некоторых случаях из-за своих масштабов, в других - дороговизны или опасности для здоровья и жизни людей. Тут-то и нашли применение  мощным компьютерам. Они позволяют экспериментировать, становятся опорой современной науки и производства.  
Иногда суперкомпьютеры используются для работы с одним-единственным приложением; в других случаях они обеспечивают выполнение большого числа разнообразных приложений.

Суперкомпьютер  что это?

Суперкомпьютер  – это компьютер, способный производить сотни миллиардов операций за 1 с. Такие большие объёмы вычислений нужны для решения задач в аэродинамике, метеорологии, физике высоких энергий, геофизике. Суперкомпьютеры так же нашли своё применение в финансовой сфере при обработке больших объёмов сделок на биржах. Сверхвысокое быстродействие суперкомпьютера обеспечивается параллельной работой множества микропроцессоров.

Суперкомпьютеры – это не выдумка. Хотя суперкомпьютеры не используются обычными людьми в повседневной жизни, их влияние, как на все человечество, так и на каждого из нас очень заметно. Вернее, стало бы заметно, если бы они в один миг исчезли или сломались. 
 
Суперкомпьютеры – это современные вычислительные машины с высокой мощностью и скоростью обработки данных. Они не выпускаются большими партиями и не продаются в магазинах. Каждый суперкомпьютер уникален, так как разрабатывается и изготавливается под конкретный заказ, для решения определенной задачи. Суперкомпьютеры могут быть как микроскопически малы, так и занимать несколько комнат или даже этажей, все зависит от функций и задач, которые будет решать электронная техника.

   Изобретателем суперкомпьютера является американский инженер С.Крей. В 1972 году он открыл свою фирму под названием «Крей Ресерч Инкорпорейтед». Эта фирма занималась разработкой самых высокоскоростных компьютеров в мире. Изобретением стали мультипроцессорные компьютеры, способные осуществлять одновременную обработку данных. В 1976 году был выпущен первый суперкомпьютер под названием  «Крей-1», который мог осуществлять 240 млн. вычислений в одну секунду.

 Он  применялся для научных исследований, таких, например, как моделирование  сложных физических явлений. Такие компьютеры приобретались правительственными учреждениями и университетскими лабораториями. Следующие модели Крея – «Крей 1-М» и «Крей X-МР» обладали ещё большим быстродействием.

В 1985 г. появился «Крей-2», который мог выполнить 1 200 млн. операций за 1 с. Представленный в 1988 г. «Крей Y-MP» обладал быстродействием 2 670 млн. операций за 1 с.

Позднее были созданы суперкомпьютеры с  ещё большим быстродействием.

Развитие  суперкомпьютеров.

 Первым отечественным суперкомпьютером является БЭСМ-6, выпущенный в 1967 году под руководством, гениального инженера Сергея Алексеевича Лебедева. Данная машина, по формальной производительности сопоставимая с CDC 6600, реально намного превосходила своего иностранного конкурента. В данном компьютере было заложено так много инновационных решений, что её производство продолжалось на протяжении двадцати лет! Попытка американских инженеров создать что-либо совершеннее БЭСМ-6, носившая имя ILLIAC-IV, окончилась неудачей: данный суперкомпьютер оказалась дороже, сложнее и медленнее "русской машины". БЭСМ-6 не была единственным советским суперкомпьютером. В последние годы своей жизни Лебедев руководил работами по созданию многопроцессорного комплекса "Эльбрус", однако в 1974 году смерть помешала ему увидеть результаты своих трудов. Работы над первым компьютером серии "Эльбрус" завершились в 1979 году, и, хотя по производительности он, равно как и другие компьютеры серии, отставали от зарубежных аналогов, в его процессоре впервые была применена технология суперскалярности. Супер скалярная архитектура, то есть технология параллельного выполнения нескольких команд, независимых друг от друга, вскоре была реализована в большинстве процессоров для персональных компьютеров; таким образом, в процессорах Intel и AMD есть частичка нашего, русского, инженерного знания. 
 
Но, перестройка, раскол Советского Союза и последовавшие за ним события крайне негативно отразились на отечественной суперкомпьютерной промышленности. Прощальным приветом отечественных инженеров-электронщиков можно считать появившийся в 1990-х процессор Elbrus 2000 (E2K) , который так и не смог выйти на рынок: сначала помешал кризис, ну а затем, когда казалось, что "вот уже чуть-чуть", команду "Эльбруса" на корню купила Intel. На данный момент все существующие в России суперкомпьютеры либо зарубежного производства, либо основаны на зарубежных комплектующих и технологиях.

Оправившись от кризиса, индустрия производства суперкомпьютеров принялась за штурм  новых высот. В 1997 году был создансуперкомпьютер ASCI RED, обладавший неслыханной тогда производительностью в 1,34 ТФЛОПС. Однако самое интересное, что данный компьютер был построен на базе почти что десяти тысяч процессоров Pentium II , тех самых, которых можно было спокойно найти в любом топовом ПК тех лет. Подобная система объединения вычислительных мощностей относительно недорогих процессоров получила название MassivelyParallelProcessing, или просто MPP. Преимущество MPP-систем - в их гибкости: незагруженные процессорные блоки можно легко отключить, а по возможности - включить заново, а вдобавок подключить дополнительные. На данный момент большинство суперкомпьютеров было построено именно на базе данной технологии. 
 
Шло время, и производители выпускали всё более и более новыесуперкомпьютеры, которые задавали новые стандарты производительности. Символический барьер в один ПФЛОПС (читается "пентафлопс"; 1 ПФЛОПС = 1000 ТФЛОПС) был преодолён в 2008 году компьютером Roadrunner от IBM. Характеристики данной машины, мягко говоря, шокируют: почти 100 Тб оперативной памяти, около 20 000 процессоров... Удивляет и то, что всё это работает под управлением Linux-систем RedHat и Fedora, причём тех же самых версий, что устанавливаются на домашние компьютеры. 
 
Однако Roadrunner не является самым быстрым суперкомпьютером на сегодняшний день. Согласно рейтингу самых мощных компьютеров Top-500, наиболее производительным является японский суперкомпьютер K производства Fujitsu, запущенный в эксплуатацию незадолго до написания этих строк. Этот 70 000-процессорный гигант (причём процессоры, стоит заметить, все до одного восьмиядерные) на момент написания статьи обладал безумной производительностью в 8,162 ПФЛОПС. Даже не хватает воображения, что бы представить, чем же можно нагрузить подобную махину. Впрочем, на это есть учёные - перед ними стоят ещё очень много неразрешённых вопросов.

Разновидности параллельных числовых систем

В соответствии с классификацией, предложенной М.Флинном еще в начале 60-х годов прошлого столетия, параллельные вычислительные системы имеют несколько разновидностей.При этом в основу данной классификации заложено два возможных вида параллелизма: независимость потоков заданий (команд), существующих в системе, и независимость (отсутствие логической связанности) данных, обрабатываемых в каждом потоке:  

• Магистральные(конвейерные),в  которых процессоры одновременно выполняют  разные операции.Над последовательным потоком обрабатываемых данных; по принятой классификации такие системы относятся к системам с многократным потоком команд и однократным потоком данных МКОД (MISD MultipleInstructionSingleData);
• Векторные, в которых все процессоры одновременно выполняют одну команду. Над различными данными однократный поток команд с многократным потоком данных ОКМД (SIMD SingleInstructionMultipleData);
• Матричные, в которых процессоры одновременно выполняют разные операции. Над несколькими последовательными потоками обрабатываемых данных многократный поток команд с многократным потоком данных МКМД (MIMD MultipleInstructionMultipleData).
• В суперЭВМ используются все три варианта архитектуры параллельных вычислительных систем.

Классический  тип суперкомпьютерной архитектуры (однопроцессорная и конвейерная) использует общую оперативную память.  Обращение, к которой осуществляется через системную шину. Единое пространство оперативной памяти значительно упрощает программирование за счет более удобных механизмов синхронизации между задачами. Но с ростом числа процессоров наличие общей памяти приводит к возрастанию нагрузки на системную шину, которая в конце концов перестает обслуживать обмен данными между оперативной памятью и процессорами в требуемом темпе. Добавление локальной кэш-памяти в каждый процессор несколько снижает остроту проблемы. Тем не менее, вне зависимости от наличия локальной кэш-памяти системная шина все равно является уязвимым местом такой архитектуры при 8 и более процессорах.

Параллельная  архитектура (векторная и матричная) позволяет избежать проблем с  системной шиной за счет отсутствия общей для всех процессоров оперативной  памяти. Каждый процессор снабжается своей локальной памятью. Чтобы  осуществить доступ к локальной  памяти другого процессора, используется сеть связи, объединяющая процессоры в систему. Таким образом, в параллельной архитектуре удается снизить нагрузку на шину, ведущую к локальной памяти процессоров, поскольку здесь она обслуживает только запросы на доступ именно к этой памяти, а не каждый запрос на доступ к общей оперативной памяти. Это позволяет строить суперкомпьютеры из сотен и даже тысяч процессоров.

Основным  недостатком параллельной архитектуры  является сложность программирования, особенно для задач, которым необходима память, превышающая размер локальной  оперативной памяти одного процессора. Синхронизация также затруднена, особенно если ее требуется осуществить  между параллельными ветвями  алгоритма, выполняемыми процессорами, которые разделяет значительное расстояние в сети связи. 
 

Сферы применения суперкомпьютеров

Традиционной  сферой внедрения суперкомпьютеров постоянно были исследования: физика плазмы и статистическая механика, физика конденсированных сред, молекулярная и атомная физика, теория простых  частиц, газовая динамика и теория турбулентности, астрофизика. 

В химии - разные области вычислительной химии: квантовая химия (включая расчеты  электронной структуры для целей  конструирования новейших материалов, к примеру, катализаторов и сверхпроводников), молекулярная динамика, хим. кинетика, теория поверхностных явлений и  химия твердого тела, конструирование  фармацевтических средств. Естественно, что ряд областей внедрения находится  на стыках соответственных наук, к  примеру, химии и биологии, и перекрывается  с техническими приложениями. Так, задачи метеорологии, исследование атмосферных явлений и, сначала, задача длительного прогноза погоды, для решения которой постоянно не хватает мощностей современных суперЭВМ, тесновато соединены с решением ряда вышеперечисленных проблем физики. Посреди технических проблем, для решения которых употребляются суперкомпьютеры, укажем на задачи аэрокосмической и авто индустрии, ядерной энергетики, предсказания и разработки месторождений нужных ископаемых, нефтедобывающей и газовой индустрии (в том числе трудности действенной эксплуатации месторождений, в особенности трехмерные задачки их исследования), и, в конце концов, конструирование новейших микропроцессоров и компов, сначала самих суперЭВМ. 
 
Суперкомпьютеры обычно используются для военных целей. Не считая тривиальных задач разработки орудия массового ликвидирования и конструирования самолетов и ракет, можно упомянуть, к примеру, конструирование бесшумных подводных лодок и др. Самый известный пример - это южноамериканская программа СОИ. Уже упоминавшийся MPP-компьютер Министерства энергетики США будет применяться для моделирования ядерного орудия, что дозволит,в общем, отменить ядерные тесты в данной стране.

Еще есть одна неувязка внедрения суперЭВМ, о которой нужно огласить - это  визуализация данных, приобретенных  в итоге выполнения расчетов. Нередко, к примеру, при решении дифференциальных уравнений способом сеток, приходится сталкиваться с циклопическими размерами результатов, которые в числовой форме человек просто не в состоянии обработать. Тут во почти всех вариантах нужно обратиться к графической форме представления информации. В любом случае возникает задача транспортировки информации по компьютерной сети. Решению этого комплекса проблем в ближайшее время уделяется все большее внимание. А именно, известный Государственный центр суперкомпьютерных приложений США (NCSA) вместе с компанией SiliconGraphics ведет работы по программе "суперкомпьютерного окружения грядущего". В этом проекте предполагается интегрировать способности суперкомпьютеров POWER CHALLENGE и средств визуализации компании SGI со средствами информационной супермагистрали.

Применение  суперкомпьютеров

Топ 500

Распределение количества суперкомпьютеров по пяти ведущим странам и областям их применения, полученные с помощью  методов многомерного анализа данных топ 500 самых мощных компьютеров мира, представлено на Рис. 1. Анализ диаграммы свидетельствует о лидирующем положении США практически во всех областях (энергетическом комплексе, аэрокосмической промышленности, финансовых операциях, производстве, телекоммуникационных системах, Интернете и базах данных), за исключением автомобильной и химической промышленности, где первенство принадлежит Германии. При этом в фармацевтике и на транспорте США практически на равных используют суперЭВМ наряду с Германией и Великобританией. 

Динамика роста  количества установленных супер ЭВМ в ведущих странах за последние 7 лет, полученная на основе этих же данных, представлена на Рис.2. 
 

На графике  хорошо видно, что начиная с 2000 года США взяли курс на достижение абсолютного  лидерства в использовании суперЭВМ. Если в 1999 г. количество установленных за год компьютеров этого класса в США составляло 70% от их общего количества в ведущих станах мира (27), то уже в 2001 г. США опередили своих конкурентов по темпам роста на 27%, установив за год 134 компьютера против 110 в других странах. При этом в США темпы роста за этот период достигли рекордного значения — 226%. На этом же графике наглядно представлено острое состязание двух самых сильных конкурентов США в области суперкомпьютеров — Японии и Германии, в котором на долю последней приходится резкий скачок с 4 до 22 установленных за период с 1999 по 2001 гг. высокопроизводительных вычислительных систем (450%). В целом в США к концу 2001 г. было установлено 230 суперкомпьютеров из 500 во всем мире (46%), а 200 суперкомпьютеров — в ведущих странах, из которых 57 было установлено в Японии и 59 — в Германии. 
 
 

Заключение: 

Использование суперкомпьютеров в научных сферах позволило приблизиться к моделированию  систем на атомарном уровне. Уже  доступны квантово-механические расчеты  систем из сотен тысяч атомов. Моделирование  становится незаменимым инструментом при проектировании нано систем с  необходимыми свойствами. Любые достижения в области нано технологий недоступны без вычислительной мощности суперкомпьютеров, просто потому, что многие процессы нельзя замерить - их можно только смоделировать  в виртуальном пространстве.

Тем не менее, почти  за 50 лет существования суперкомпьютеров, человечество не победило старость, не нашло лекарство от многих смертельных  болезней, не нашло замену бензина, и даже не научилось противодействовать таким природным явлениям, как  торнадо, цунами или землетрясение. Чтобы понять полезность суперкомпьютера, должны пройти годы. Смотря на звёзды на ночном небе, мы заглядываем в прошлое, ну а, смотря на современные суперкомпьютеры, мы смотрим в будущее. Так общедоступный ПК сегодняшнего дня может решить все те же задачи, что решал стоящий безумных денег суперкомпьютер в 1990-х. Многоядерность и многопроцессорность, 64-битная архитектура, системы водяного охлаждения - всё это было сначала установлено и опробовано на суперкомпьютерах, а только потом уже перебралось на компьютеры персональные. Фактически, в наши дни весь мир переживает подлинный бум суперкомпьютерных проектов, результатами которых активно пользуются не только такие традиционные потребители высоких технологий, как аэрокосмическая, автомобильная, судостроительная и радиоэлектронная отрасли промышленности, но и важнейшие области современных научных знаний.

Используемая  литература:

1. FLOPS -http://wikipedia.ru
2. Top 500-thttp://www.top500.org
3. Анин Б. Вторая жизнь суперкомпьютера.
4. Для чего нужны суперкомпьютеры - http://www.i-russia.ru
5. История развития суперкомпьютера -http://stepandstep.ru
6. Пискунов С. Лаборатория параллельных алгоритмов и структур
7. Смирнов Л.Л. Архитектура вычислительных систем, М,: Наука, 1990
8. Суперкомпьютеры - http://www.turbozone.ru/
9. Суперкомпьютеры- http://www.tiptoptech.net/super_komp.html
10. Суперкомпьютеры: с древнейших времен и до наших дней -http://www.digimedia.ru
11. Энциклопедия «Техника». — М.: Росмэн. 2006.