Superkomputery - w pogoni za wydajnością
W ostatnich dniach ukazało się kolejna - 28. już - edycja listy TOP500, na której wymieniono 500 najpotężniejszych superkomputerów na świecie. Na pierwszym miejscu po raz kolejny znalazł się BlueGene/L IBM-a, mogący poszczycić się oszałamiającą wydajnością 280,6 teraflopów, czyli 280,6 biliona operacji na sekundę. Ze statystyk wynika, że większość komputerów z listy wyposażona jest w procesoty Intela ( aczkolwiek popularność tych układów powoli maleje ) i pracuje pod kontrolą Linuksa. Najwięcej superkomputerów działa w USA, Japonii oraz Wielkiej Brytanii. Niestety, na liście wciąż nie ma komputera z Polski - o przyczynach takiego stanu rzeczy ( i nie tylko ) rozmawiamy z Rafałem Tylmanem, głównym administratorem w Zespole ds. Komputerów Dużej Mocy i Oprogramowania w Centrum Informatycznym Trójmiejskiej Akademickiej Sieci Komputerowej.
Projekt TOP500 powstał w 1993 roku. Jego twórcami są uczeni z Laboratorium Innowacyjnych Technik Komputerowych Uniwersytetu Tennessee, Uniwersytetu w Mannheim oraz pracownicy NERSC ( National Energy Research Scientific Computing Center ). Co sześć miesięcy przygotowują oni zestawienie najbardziej wydajnych maszyn liczących na świecie.
Pierwsza piątka
Na pierwszym miejscu wciąż niepodzielnie króluje IBM-owski system BlueGene/L. Komputer, pracujący na potrzeby należącego do Departamentu Energii Lawrence Livermore National Laboratory ( LLNL ) w teście Linpack osiągnął maksymalną wydajność 280,6 teraflopów, czyli 280,6 biliona operacji na sekundę. Teoretyczna wydajność tej maszyny jest jednak znacznie wyższa i wynosi 367 teraflopów.
BlueGene/L firmy IBM Na 2. miejscu listy nastąpiła zmiana i znalazł się na nim drugi w historii komputer, którego wydajność przekroczyła 100 teraflopów - Red Storm. Autorem tego komputera jest firma Cray, która zbudowała go na zamówienie Sandia National Laboratory. Najwyższa zmierzona wydajność Red Storma to 101,4 teraflopa. Trzecie miejsce, po spadku z drugiego, należy do kolejnej maszyny IBM-a. Urządzenie eServer Blue Gene Solution wykonuje nawet 91,2 biliona operacji zmiennoprzecinkowych w ciągu sekundy. Błękitny Gigant stworzył go na potrzeby swojego Centrum Badawczego im. Thomasa Watsona.
Za Blue Gene znalazł się ASC Purple. To kolejny IBM-owski komputer, który stoi w LLNL. Jego wydajność to 75,76 teraflopa. Na piątym miejscu spotykamy najpotężniejszy superkomputer Europy. MareNostrum, czyli BladeCenter JS21 Cluster zbudowany przez IBM-a, wykorzystywane jest przez Barcelońskie Centrum Superkomputerowe. Nasze Morze, bo tak należy tłumaczyć jego nazwę, nawiązuje do starożytnego Rzymu. Mieszkańcy współczesnych Włoch tak właśnie określali Morze Śródziemne. MareNostrum osiągnął szczytową wydajność rzędu 62,63 teraflopa. Słynny EarthSimulator, który przez 5 kolejnych edycji TOP500 znajdował się na pierwszym miejscu, ze swoją wydajnością rzędu 35,86 teraflopa spadł obecnie na miejsce 14. Producentem czterech spośród pięciu czołowych superkomputerów świata jest IBM. Do ich zbudowania firma wykorzystała własne procesory z rodziny Power. W BlueGene/L znajdziemy ich aż 131 072. MareNostrum korzysta z 10 240 układów, ASC Purple z 12 208, a eServer Blue Gene Solution posiada 40 960 CPU. Z kolei Cray,
budując Red Storma, wykorzystał 26 544 dwurdzeniowych Opteronów.
MareNostrum - najwydajniejszy superkomputer w Europie (również wyprodukowany przez IBM) Producenci procesorów
Skoro już o procesorach mowa, to należy wspomnieć, że aż 261 superkomputerów ( czyli 52,2% ) korzysta z układów Intela. Wynik może imponować, jednak to sporo mniej od listopada ubiegłego roku, gdy takich maszyn było 333 ( 66,6% ).
W 120 komputerach ( 24% ) znajdziemy układy oparte na architekturze IA-32. Nieco mniej, bo 113, wykorzystuje architekturę x86_64 autorstwa AMD. Z intelowskiej EM64T korzysta kolejnych 108 superkomputerów, a 91 systemów posiada procesory z rodzimy Power IBM-a. Kolejne 35 maszyn oparto na IA-64. W czołowej pięćsetce jest również 20 superkomputerów z PA-RISC, 4 z układami Cray'a oraz po trzy architektury Alpha, Sparc i NEC-a.
Gdy Intel traci rynek superkomputerów, zyskuje konkurencja. Znacznie wzrosły udziały firmy AMD. Jeszcze pół roku temu, w 27. edycji listy Opterony były obecne w 55 systemach, co stanowiło 11% ogólnej liczby superkomputerów. Teraz można je spotkać w 113 ( czyli 22,6% ). Swoje udziały w rynku zwiększył też IBM. Przed sześcioma miesiącami układy Power pracowały w 73 maszynach, obecnie w 91. Na uwagę zasługuje też fakt rosnącej popularności procesorów dwurdzeniowych. Obecnie 75 superkomputerów wykorzystuje Opterony z dwoma rdzeniami, a 31 - intelowskie Woodcresty.
Liczba procesorów
Pozostańmy jeszcze przez chwilę przy jednostkach centralnych. Sto dziewięćdziesiąt dwa superkomputery wykorzystują od 513 do 1024 procesorów. Niewiele mniej, bo 185 maszyn, używa pomiędzy 1025 a 2048 CPU. Absolutnym rekordzistą jest, jak już wspomniano, BlueGene/L, jedyna maszyna, w której zamontowano więcej niż 64 tysiące procesorów. Z kolei w przedziale 33-64 procesorów pozostały jedynie 4 maszyny. Wszystkie zbudowała japońska firma Hitachi. Co zaskakujące, zajmują one wyjątkowo wysokie miejsca. Najbardziej wydajny z nich uplasował się na 129. pozycji, a najmniej wydajny na 352. Tym samym wyprzedziły dziesiątki maszyn, które nie tylko powstały później, ale wykorzystują nawet 160-krotnie więcej procesorów.
Producenci superkomputerów
O ile Intel ma powody do obaw o swoje udziały w rynku procesorów dla superkomputerów, o tyle swojej pozycji nie musi obawiać się IBM. Firma ta zbudowała 236 ( 47,2% ) najpotężniejszych maszyn liczących na świecie. Od czasu publikacji poprzedniej listy sytuacja nie uległa praktycznie zmianie ( w czerwcu 2006 do IBM-a należało 48% komputerów ). Jednak ich udział w mocy obliczeniowej czołowej pięćsetki uległ wyraźnej zmianie ( z 53,9 spadł do 49,9 ). Z podobną sytuacją mamy do czynienia w przypadku Hewlett-Packarda. Firma ta dostarczyła 158 systemów na listę TOP500 ( 31,6% - tutaj nie nastąpiły zmiany ), a ich łączny udział w mocy obliczeniowej spadł z 17,8 do 16,5 procenta.
Spośród pozostałych producentów warto wymienić SGI ( 20 superkomputerów ), Della ( 18 maszyn ) i Cray'a ( 15 komputerów ). Każda z tych firm może pochwalić się obecnością swojej maszyny wśród 10 największych systemów. Dwa komputery na TOP10 zostały wyprodukowane przez Craya ( 2. i 10. miejsce ), a SGI i Dell mają po jednym komputerze, które uplasowały się, odpowiednio, na 6. i 8. miejscu.
Systemy operacyjne
Na prestiżowym rynku superkomputerów firma Microsoft jest nieobecna. Gigant z Redmond wciąż nie dorobił się własnego OS-u, który zostałby zastosowany maszynach wymienionych na TOP500. Najszerzej wykorzystywanym systemem są różne dystrybucje Linuksa. Zainstalowano je na 376 ( 75,2% ) maszynach. Kolejną pozycję pod względem popularności zajmują odmiany systemu Unix. Znajdziemy je w 86 superkomputerach. Na 32 maszynach stosowane są jednocześnie różne OS-y. Z kolei po 3 superkomputery pracują pod kontrolą systemów Mac oraz BSD.
Zastosowania
Najwięcej superkomputerów zamawia przemysł. W różnych firmach pracuje aż 246 takich maszyn. Rynek ten został niemal zmonopolizowany przez IBM-a i HP. Obie firmy sprzedały przedsiębiorstwom, odpowiednio, 121 i 116 superkomputerów.
Na potrzeby badawcze zbudowano 133 maszyny. Mimo, że jest ich niemal dwukrotnie mniej, niż tych, pracujących dla przemysłu, charakteryzują się one w sumie znacznie większą wydajnością. Moc obliczeniowa przemysłowych superkomputerów wynosi 911,434, a maszyn badawczych - 1704,263 teraflopa. Szkoły wyższe używają 86 maszyn z listy TOP500, a na potrzeby instytucji rządowych pracują bezpośrednio 4 superkomputery. Aż 11 takich urządzeń wykorzystują firmy lub instytucje, które je stworzyły. Informacje o 20 maszynach zostały utajnione.
Superkomputery wykorzystywane są m.in. do opracowywania długoterminowych prognoz pogody Spośród 500 superkomputerów aż 285 nie ma przydzielonych stałych zadań. Kolejnych 50 maszyn pracuje na potrzeby badań nad półprzewodnikami. W dość ogólnej kategorii "badania naukowe" znalazło się 46 superkomputerów. Dwadzieścia dziewięć maszyn pracuje na potrzeby sektora finansowego, a 23 jest wykorzystywanych w geofizyce. Do badań nad pogodą i klimatem zaprzęgnięto 17 superkomputerów. Kategoryzacja zastosowania takich urządzeń jest dość niejasna i wynika zapewne z konieczności zachowania tajemnic państwowych oraz handlowych. Z dostępnych informacji dowiemy się np., że na potrzeby obronne wykorzystywane są 3 superkomputery, a na potrzeby badania nad energią - również 3. Patrząc jednak na sumę wydajności tych maszyn, można z pewnością stwierdzić, że w żadnej z tych kategorii nie uwzględniono maszyny BlueGene/L, który służy m.in. do symulowania eksplozji jądrowych i jest własnością amerykańskiego Departamentu Energii. Superkomputer IBM-a zakwalifikowany został prawdopodobnie do kategorii komputerów, które nie
mają przydzielonych stałych zadań, chociaż równie dobrze może mieścić się w kategorii o nazwie "badania naukowe".
Rozkład geograficzny
W Stanach Zjednoczonych znajduje się 309 superkomputerów. To 61,8% wszystkich maszyn z listy TOP500. Ich łączna moc obliczeniowa wynosi 2270,990 teraflopa. Na drugim miejscu, ex aequo, znalazły się Japonia i Wielka Brytania. W obu krajach pracuje po 30 superkomputerów, ale te japońskie są bardziej wydajne. W sumie osiągają one 286,674, a brytyjskie - 186,420 teraflopa. Na trzecim miejscu uplasowały się Chiny z Niemcami, które mają po 18 superkomputerów. Tu jednak lepszy okazał się kraj europejski z łączną wydajnością 145,407 wobec 72,192 teraflopa.
Czwarte miejsce przypadło Francji ( 12 superkomputerów ), a piąte Indiom ( 10 maszyn ). W rywalizacji pomiędzy poszczególnymi kontynentami zdecydowanie prowadzą obie Ameryki ( 322 superkomputery ). Druga na liście, Europa ( 92 maszyny ), zdołała pokonać Azję ( 79 komputerów ), głównie dzięki zmniejszeniu się udziału Chin na liście. Jeszcze pół roku temu na TOP500 wymieniano 28 systemów z Państwa Środka, obecnie jest ich 18.
Podsumowanie
Wymagania stawiane przed maszynami z listy TOP500 ciągle rosną. Jeszcze pół roku temu na ostatnim miejscu znajdował się komputer, którego wydajność wynosiła 2,026 biliona operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę. Teraz, by zostać wymienioną, maszyna musiała charakteryzować się wydajnością rzędu 2,737 teraflopa. Przed sześcioma miesiącami komputer, który dysponował taką mocą, był wymieniony na 359. miejscu. To jeden z najmniejszych wzrostów wymagań w historii listy TOP500. Z kolei komputer, który znalazł się w pierwszej setce musiał mieć obecnie wydajność 6,65 teraflopa. Przed sześcioma miesiącami na 100. miejscu wymieniono maszynę wykonującą 4,71 biliona operacji na sekundę. Z tego wynika, że czołówka coraz bardziej odstaje od pozostałych maszyn. Ogólna moc obliczeniowa wszystkich 500 superkomputerów wyniosła 3,54 petaflopa, czyli 3540 teraflopów. Rok temu było to 2,30 petaflopa, a przed 6 miesiącami - 2,79 petaflopa.