Liczyć, liczyć, liczyć

W zasadzie nie wiadomo, kiedy powstał komputer. Głównie dlatego, że nie ma jego jednoznacznej i jednolitej definicji. I tak niektórzy za pierwszy uważają Z3, wybudowany w 1941 r. przez Niemca Konrada Zuse, inni mówią o Colossusie, skonstruowanym przez Brytyjczyków w 1943 r. do łamania szyfrów Enigmy. No i Eniac, z 1944 roku, który ważył 30 ton i w swoich trzewiach miał 18 tys. lamp elektronowych. Komputery zaczęły powstawać w latach 40. XX wieku. Pierwszy superkomputer powstał jednak sporo później. I znowu kłopot z datami. Superkomputer, najkrócej mówiąc, to komputer, który szybko potrafi liczyć. Ale to, co kiedyś było „szybko”, dzisiaj nie jest żadną rewelacją. Statkiem Apollo 11, którym ludzie dolecieli na Księżyc, „dowodził” komputer o mocy mniejszej niż ta, którą mają dzisiejsze telefony komórkowe.

Pierwszy superkomputer – tak przynajmniej przyjęło się twierdzić – powstał w 1963 roku. Nazywał się CDC6600 i potrafił wykonywać 3 mln operacji na sekundę. I tutaj należy się wyjaśnienie. Komputery domowe z pozoru robią różne rzeczy. Nie sposób wyobrazić sobie bez nich jakiejkolwiek dziedziny życia. Można dzięki nim wysyłać maile, pisać dokumenty, można coś liczyć w arkuszu kalkulacyjnym, oglądać filmy, słuchać muzyki, a nawet projektować domy czy ogrody. W końcu w multimedialnych encyklopediach można wyszukiwać informacji i bawić się trójwymiarowymi grami. Choć z pozoru wiele potrafią, tak naprawdę komputery to dosyć ograniczone urządzenia. Umieją tylko liczyć. Tylko tyle i aż tyle. Aż, bo w swoich obliczeniach są niezwykle szybkie. Wspomniany już CDC6600 potrafił w ciągu jednej sekundy wykonać 3 mln pojedynczych obliczeń. Ta ilość może powalać, żaden człowiek nigdy nie będzie potrafił tak szybko liczyć. Tyle tylko, że te wspomniane 3 mln nadają się dzisiaj do muzeum, bo dzisiejsze telefony komórkowe
potrafią w ciągu sekundy wykonywać kilkaset milionów obliczeń, a standardowe komputery domowe już grubo ponad miliard.

A wracając do działania komputerów… Skoro jedyne, co potrafią, to liczenie, jak w takim razie udaje się dzięki nim napisać wypracowanie szkolne, zobaczyć film czy przeczytać artykuł w internecie? Te wszystkie (i wiele, wiele innych) czynności umożliwia odpowiednio napisane oprogramowanie. To ono tłumaczy wszystko, co ma zrobić komputer, na język matematyki.

Miliard obliczeń w ciągu każdej sekundy brzmi oszałamiająco. Niestety, tylko brzmi. Naukowcy rozwiązują problemy tak złożone, że obliczenia robione na domowym komputerze zajęłyby im całe długie lata. Jednym z dobrych przykładów jest prognozowanie pogody. Fizyk powie, że to niemożliwe bez rozwiązywania bardzo skomplikowanych równań dynamiki płynów (które opisują cyrkulacje powietrza). Tego z kolei nie da się zrobić bez dużej mocy obliczeniowej. Czym ona większa, tym więcej aspektów sprawy można zbadać i tym bardziej wiarygodna staje się prognoza pogody. Jak widać, ciągle za wolno liczymy, bo przewidywanie pogody przychodzi nam z największym trudem. Dzisiaj trudno wyobrazić sobie jakąkolwiek dziedzinę nauki, w której nie korzystano by z superkomputerów. Symuluje się ruchy planet, zjawiska zachodzące we wnętrzu gwiazd czy chociażby efekt uderzenia komety w Ziemię; zanim powstanie samochód, samolot czy chociażby sportowy rower, trzeba sprawdzić, jakie będzie stawiał opory. I znowu, czym szybszy komputer, tym
dokładniejsze badania, a w efekcie na przykład mniejsze zużycie paliwa. W naukach biologicznych symuluje się podziały komórek i niezwykle skomplikowane procesy biochemiczne, zachodzące w ich wnętrzu. Sprawdza się, jak działają enzymy. Farmaceuci dzięki superszybkim komputerom projektują leki, a architekci mosty i wieżowce. Energetycy na ekranie komputera sprawdzają, co dzieje się we wnętrzu reaktora jądrowego, a geofizycy uczą się przewidywać trzęsienia ziemi. Często z superkomputerów korzystają wojskowi. Armia symuluje wybuchy jądrowe (dzięki temu nie musi ich przeprowadzać w rzeczywistości) i cyfrowo testuje konstrukcje samolotów wojskowych. Duża moc obliczeniowa pozwala analizować dane zebrane przez wywiad, także wywiad satelitarny. W skrócie, komputery robią wszystko to, co z powodów finansowych, etycznych czy technicznych jest nie do wykonania w rzeczywistości.

Sercem każdego komputera jest procesor. To on wykonuje obliczenia. W domowym komputerze procesor jest jeden (choć czasami jest podwójny). W superkomputerze procesorów są setki, tysiące, a ostatnio nawet setki tysięcy. To oczywiście wymaga infrastruktury. Superkomputery to ogromne urządzenia. Najszybszy dzisiaj komputer w Europie znajduje się w ośrodku naukowym w Juelich, w Niemczech. Nazywa się Jugene. Jest zbudowany z prawie 300 tys. procesorów, które mieszczą się w 72 czarnych, wysokich, chłodzonych wodą szafach. Wszystko znajduje się w sporej wielkości hali. Chłodzone, klimatyzowane i superczyste. Szafy są połączone ze sobą w sieć o dużej przepustowości. Jugene może wykonać 1 biliard operacji na sekundę. Biliard to jedynka z 15 zerami. Najszybszy na świecie (dzisiaj) komputer należy do IBM, nosi nazwę Sequoia i ma moc obliczeniową 20 biliardów operacji na sekundę. Liczby wręcz niewyobrażalne. Coś, co może tak szybko liczyć, potrzebuje całkiem sporej ilości energii. Jedna „szafa” Jugene „konsumuje” 35 kW
energii. A więc cały komputer ma moc ponad 2500 kW. Dla porównania, gdy na Stadionie Śląskim w Chorzowie trwa wieczorny mecz, zapotrzebowanie mocy na ogromne oświetlenie wynosi około 400 kW, ponad sześć razy mniej niż to, co zużywa Jugene. Do superkomputerów bardzo dobrze pasuje zimnowojenne określenie „wyścig zbrojeń”. Żywotność supermaszyn wynosi najwyżej kilka lat. Później koszty ich utrzymania (ogromne) przewyższają zyski z ich pracy. Nie ma się więc co dziwić, że ranking najszybszych komputerów bardzo często się zmienia. Są coraz szybsze, a dzięki temu więcej wiemy o klimacie, fizyce cząstek i superoszczędnych silnikach samochodowych.

Tomasz Rożek