SSpolečnostmi jsou obři výpočetního světa. Zatímco normální notebook by vám mohl umožnit procházet web, typ eseje nebo herní hry, superpočítač je navržen tak, aby řešil problémy, které jsou tak velké, složité a náročné na výpočet, že by dokončily běžné stroje. Prognóza počasí, simulace jaderných reakcí a modelování raného vesmíru závisí na nich.
Jak funguje superpočítač?
Srdcem superpočítače je myšlenka, že místo toho, aby jeden procesor pracoval, je často lepší používat tisíce nebo dokonce miliony procesorů, kteří pracují současně. Tomu se nazývá paralelní výpočetní technika.
Každý procesor nebo jádro řeší malou část problému. Když jsou jejich řešení kombinována, přidají se k úplné odpovědi rychleji, než by jeden procesor mohl zvládnout sám.
Moderní superpočítače nejsou jednorázové stroje v každodenním smyslu, ale obrovská sbírka komponent uspořádaných do vrstev:
(i) Procesory jsou pracovníky superpočítače. Centrální zpracovatelská jednotka (CPU) je dobrá při zacházení s obecnými úkoly, zatímco jednotka pro zpracování grafiky (GPU) – původně navržená pro videohry – je velmi dobrá v manipulaci s opakujícími se matematickými operacemi, které jsou běžné ve vědeckých simulacích. Mnoho superpočítačů používá oba.
(ii) Uzel je skupina procesorů spojených společně s pamětí – balíček, který se podobá malému počítači. Superpočítač může obsahovat tisíce takových uzlů.
(iii) Uzly jsou vzájemně spojeny ve vysokorychlostní síti, ve které se data přenášejí mnohem rychleji než prostřednictvím domácího připojení k internetu.
(iv) Každý uzel má svou vlastní paměť pro rychlý přístup k datům. Pro větší množství informací používají superpočítače úložné systémy, které mohou držet petabajty (miliony gigabajtů) a specializované souborové systémy, aby se zajistilo, že tisíce uzlů mohou číst a psát informace z/v paměti bez chaosu.
(v) Celá tato aktivita vytváří obrovské teplo. Superpočítače často vyžadují chlazení na míru, včetně vodních trubek a chladicích jednotek; Některé jednotky jsou dokonce ponořeny do speciálních kapalin. Bez chlazení by se tyto stroje rychle zničily.
(vi) Konečně, spuštění superpočítače může vyžadovat tolik elektřiny jako malé město. Je tedy nutné efektivní rozdělení a využití energie.
Jaký software používají superpočítače?
Software superpočítače řídí, jak jeho procesory spolupracují. Operační systém musí naplánovat úkoly napříč tisíci procesorů, řídit paměť a zpracovávat komunikaci. Inženýři tedy vyvinuli paralelní programovací jazyky, jako je MPI (rozhraní předávání zpráv) nebo OpenMP, které mohou každému procesoru sdělit, co má dělat a kdy si vyměnit informace.
Vyvažování zatížení je dalším klíčovým problémem. Vzhledem k potřebě rychlosti a nesmírné spotřeby energie superpočítače je neefektivní nechat některé procesory dokončit svou práci brzy a nečinně, zatímco jiní bojují s těžšími úkoly. Software tedy musí také zahrnovat algoritmy, které distribuují úkoly způsobem, který minimalizuje takový odpad.
Výkon superpočítače se obvykle měří v propadnutích nebo v operacích s plovoucími body za sekundu. Notebook by mohl provést miliardy flopů. Dnešní špičkové superpočítače působí v řadě exaflopů a každou sekundu provádějí Quintillions (1018) operací. Jinými slovy, jediný exaflop stroj může provádět více výpočtů za jednu sekundu, než každý člověk na Zemi mohl hrát na kalkulačce za celý svůj život.
Jak vypadá superpočítač?
Interakce se superpočítačem se velmi liší od používání osobního počítače. Protože tyto stroje jsou navrženy pro velké týmy vědců, jsou obvykle umístěny ve speciálních zařízeních a jsou přístupné na dálku.
Například vědec se může přihlásit z jejich notebooku nebo pracovní stanice pomocí zabezpečeného síťového připojení, často spíše přes okno terminálu než grafickým rozhraním. Po připojení uživatel nebude přímo „provozovat“ stroj pomocí kliknutí myši. Místo toho připravují pracovní skripty, což jsou textové soubory, které popisují, jaký program má spustit, kolik výpočetní síly bude potřebovat a jak dlouho by měl spustit.
Tyto úlohy jsou předloženy plánovači, což je počítačový program, který spravuje frontu úkolů od mnoha uživatelů a přiřadí je dostupným uzlům v superpočítači.
Skutečný výpočet může trvat minuty nebo dokonce dny v závislosti na velikosti problému. Po dokončení úlohy je výstup – ať už čísla, obrázky, simulační data nebo něco jiného – uložen v souborovém systému superpočítače. Uživatel si může tato data stáhnout do svého vlastního počítače pro analýzu a vizualizaci.
Tímto způsobem je superpočítač méně jako obří notebook a spíše jako dalekohled nebo akcelerátor částic.
Má Indie superpočítače?
Indické superpočítační úsilí začalo na konci 80. let, kdy západní země odmítly exportovat špičkové stroje. To podnítilo Centrum pro rozvoj pokročilých výpočetních (C-DAC), založeného v roce 1988, aby se vyvinul domorodé systémy. Série Param, počínaje Param 8000 v roce 1991, patřila mezi první superpočítače postavené v Indii.
Indická vláda zahájila v roce 2015 Národní superpočítační misi (NSM) jako společný projekt Ministerstva vědy a technologie (DST) a Ministerstva elektroniky a IT (Meity), implementované C-DAC a Indickým institutem vědy (IISC), Bengaluru. Jeho cílem je vybudovat síť 70+ vysoce výkonných výpočetních zařízení po celé Indii, s kapacitami od teraflopů po petaflopy a vyvinout domorodý hardware a software.
Superpočítače byly také nainstalovány v mnoha akademických a výzkumných institucích. Současným nejrychlejším superpočítačem Indie je Airawat-Psai v C-DAC v Pune; Je na celém seznamu kanonického top 500 po celém světě zařazen uvnitř 100 top 100. Další systémy série Param jsou umístěny v IIT, IISERS, IISC a Central Laboratories po celé Indii. Indický institut tropické meteorologie, také v Pune, hostí PRATYUSH, superpočítač používaný pro modelování počasí a klimatu. Národní středisko pro předpovědi počasí středního dosahu má v Noidě Mihir pro stejný účel.
C-DAC zůstává hlavním indickým designérem a integrátorem superpočítačů. Spolupracuje s Indickým institutem vědy, IIT a prodejci soukromého sektoru pro hardware. Později byl větší důraz na domorodé vyvinuté procesory, jako je server Rudra a vysoce výkonné výpočetní uzly AUM pod NSM.
Kromě počasí, zejména monzunu a modelování klimatu používají vědci v Indii superpočítače pro dlouhodobé modelování Indického oceánu a Himalájí a pro molekulární dynamiku, objevování drog, nanotechnologie, simulace černých děr, gravitační vlny, galaktické struktury, pro trénink řezných uměleckých inteligenčních modelů a pro simulační obrazové scény.
Jak vypadá budoucnost?
Budoucí superpočítače mohou vypadat jinak. Kvantové počítače, které používají principy kvantové mechaniky, slibují nový způsob řešení některých typů problémů, které by mohly snížit hardware a energii.
Zároveň ExAscale Computing, která již začíná přicházet, posouvá limity toho, co mohou klasické stroje udělat. Například 5. září se stroj zvaný Jupiter v Německu stal prvním evropským superpočítačem ExAscale. Prohlášení Evropské komise uvedlo, že je poháněna výhradně obnovitelnou energií.
Existují také nové návrhy inspirované lidským mozkem, nazývaným neuromorfní výpočetní technikou, kde bude na jednom čipu instalován zpracování a paměť, což potenciálně poskytuje významné zisky energetické účinnosti a rychlosti.
To znamená, že všechny tyto superpočítače budou používat stejný základní koncept paralelního výpočtu.
