Суперкомпьютеры и их применение

Цель работы:

Суперкомпьютеры и их применение

Введение

1. Что такое суперкомпьютеры
2. Для чего нужны суперкомпьютеры
3. Программы для суперкомпьютеров
4. Вычислительные кластеры
5. Многопроцессорные системы
6. Первые суперкомпьютеры
7. Строение суперкомпьютеров
8. Заключение
9. литература

-http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%83%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%BA%D0%BE%D0%BC%D0%BF%D1%8C%D1%8E%D1%82%D0%B5%D1%80

 -http://www.depo.ru/category_c1853121.aspx?utm_source=Direct&utm_medium=cpc&utm_campaign=PC_Business

 

-http://www.i-mash.ru/news/nov_otrasl/12227-superkompjutery-v-promyshlennosti.html

 

 

МНОГОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ

 

 

Введение:

С момента появления  первых суперкомпьютеров одной из основных проблем, стоящих перед разработчиками, была производительность вычислительной системы. За время развития  компьютерной  индустрии производительность  процессора стремительно возросла, однако появление  все более изощренного  программного  обеспечения , рост числа пользователей  и расширение сферы приложения вычислительных систем  предъявляют новые требования к мощности  используемой техники, что и привело к появлению суперкомпьютеров.

 

 

 

1)Понятие „суперкомпьютер” возникло в середине 1960-х лет, когда компьютеров стало достаточно много и они начали различаться мощностью и предназначением, отсюда и возникла необходимость их класификации.

Это специальные высокопроизводительные ЭВМ, которые относятся к классу самых быстрых в мире компьютеров. Их мощность, как и производительность обычных настольных ПК, растет чрезвычайно  быстро. К типичным чертам современных суперкомпьютеров можно отнести огромное число процессоров и гигантский объем оперативной памяти. По вычислительной мощности их можно сравнить с несколькими тысячами настольных ПК. Размеры суперкомпьютеров настолько велики, что они устанавливаются в специальных залах – только там эти аппараты можно охладить и соединить их модули тысячами проводов.

2) Простой ретроспективный анализ – где и зачем использовались такие машины – однозначно свидетельствует, что речь идет о решении сложных математических вычислительных задач в пределах фундаментальных исследований и о реализации проектов национального или международного масштаба.

Расшифровка секретных кодов и  баллистические расчеты – вот  основное применение вычислителей во время Второй мировой войны. Первые прообразы современных компьютеров создавались в пределах ядерных проектов. Например, наиболее известные советские суперкомпьютеры „Эльбрус” были разработаны для реализации противоракетной обороны страны в 1970-80-ые годы.

Можно вспомнить о геофизических исследованиях, прогнозировании погоды, расшифровке генома человека, создании новых лекарств, и тому подобное.

Что касается больших мировых бизнес-корпораций, то они уже давно поняли преимущества и необходимость суперкомпьютеров и создали собственные мощности.

В рейтинге Топ500 наимощнейших компьютерных систем мира уже более 60% инсталляций принадлежит корпорациям, а не исследовательским центрам. В действительности эта пропорция еще больше сдвинута в сторону бизнеса, поскольку не каждая компания стремится афишировать свои IT-ресурсы. Наиболее яркий пример бизнеса, который использует суперкомпьютерные масштабы IT, – поисковая система Google.

В Google не раз хвастались, что их компания в сущности огромный суперкомпьютер. Ее серверные кластеры в разных странах состоят из сотен тысяч узлов, всего около миллиона машин. Если бы Google захотел довести свою производительность тестами Linpack, то потеснил бы в рейтинге немало достаточно известных компьютерных систем.

3) Для работы суперкомпьютерам необходимы особые программы. ПО так же важно для быстрой и надежной работы, как и аппаратура. Обычная Windows на таком компьютере работала бы не быстрее, чем на простом ПК, так как она смогла бы использовать лишь несколько процессоров из многих тысяч. Поэтому суперкомпьютеры, как правило, используют специфические операционные системы, например Scientific Linux.

4)Что такое кластер?

Вычислительный  кластер — это группа вычислительных узлов, объединенных

высокоскоростными каналами связи, представляющая с точки  зрения пользователя единую

вычислительную  систему. Основное предназначение вычислительного  кластера —

выполнение  большого количества расчетов. Основная характеристика вычислительного

кластера —  производительность вычислений, которая  измеряется числом арифметических

операций в секунду. В отличие от персональных компьютеров кластер способен выполнять

параллельные  вычисления.

Что такое  вычислительный кластер?

В общем случае, вычислительный кластер - это набор компьютеров (вычислительных узлов), объединенных некоторой коммуникационной сетью. Каждый вычислительный узел имеет свою оперативную память и работает под управлением своей операционной системы. Наиболее распространенным является использование однородных кластеров, то есть таких, где все узлы абсолютно одинаковы по своей архитектуре и производительности.

Как запускаются программы на кластере?

Для каждого кластера имеется выделенный компьютер - головная машина (front-end). На этой машине установлено программное  обеспечение, которое управляет  запуском программ на кластере. Собственно вычислительные процессы пользователей запускаются на вычислительных узлах, причем они распределяются так, что на каждый процессор приходится не более одного вычислительного процесса. Запускать вычислительные процессы на головной машине кластера нельзя.

Пользователи имеют терминальный доступ на головную машину кластера, а  входить на узлы кластера для них  нет необходимости. Запуск программ на кластере осуществляется в т.н. "пакетном" режиме - это значит, что пользователь не имеет непосредственного, "интерактивного" взаимодействия с программой, программа не может ожидать ввода данных с клавиатуры и выводить непосредственно на экран. Более того, программа пользователя может работать тогда, когда пользователь не подключен к кластеру.

Какая установлена операционная система?

Вычислительный кластер, как правило, работает под управлением одной  из разновидностей ОС Unix - многопользовательской  многозадачной сетевой операционной системы. В частности, в НИВЦ МГУ  кластеры работают под управлением  ОС Linux - свободно распространяемого варианта Unix. Unix имеет ряд отличий от Windows, которая обычно работает на персональных компьютерах, в частности эти отличие касаются интерфейса с пользователем, работы с процессами и файловой системы

Как использовать возможности кластера?

Существует несколько способов задействовать вычислительные мощности кластера.

1. Запускать множество однопроцессорных  задач. Это может быть разумным  вариантом, если нужно провести  множество независимых вычислительных  экспериментов с разными входными данными, причем срок проведения каждого отдельного расчета не имеет значения, а все данные размещаются в объеме памяти, доступном одному процессу.

2. Запускать готовые параллельные  программы. Для некоторых задач  доступны бесплатные или коммерческие  параллельные программы, которые при необходимости Вы можете использовать на кластере. Как правило, для этого достаточно, чтобы программа была доступна в исходных текстах, реализована с использованием интерфейса MPI на языках С/C++ или Фортран. Примеры свободно распространяемых параллельных программ, реализованных с помощью MPI: GAMESS-US (квантовая химия), POVRay-MPI (трассировка лучей).

3. Вызывать в своих программах  параллельные библиотеки. Также  для некоторых областей, таких  как линейная алгебра, доступны библиотеки, которые позволяют решать широкий круг стандартных подзадач с использованием возможностей параллельной обработки. Если обращение к таким подзадачам составляет большую часть вычислительных операций программы, то использование такой параллельной библиотеки позволит получить параллельную программу практически без написания собственного параллельного кода. Примером такой библиотеки является SCALAPACK. Русскоязычное руководство по использованию этой библиотеки и примеры можно найти на сервере по численному анализу НИВЦ МГУ. Также доступна параллельная библиотека FFTW для вычисления быстрых преобразований Фурье (БПФ). Информацию о других параллельных библиотеках и программах, реализованных с помощью MPI, можно найти по адресу http://www-unix.mcs.anl.gov/mpi/libraries.html.

4. Создавать собственные параллельные программы. Это наиболее трудоемкий, но и наиболее универсальный способ. Существует два основных варианта. 1) Вставлять параллельные конструкции в имеющиеся параллельные программы. 2) Создавать "с нуля" параллельную программу.

 

 

5) Многопроцессорные системы

 

Потребность решения сложных прикладных задач с большим объемом вычислений и принципиальная ограниченность максимального  быстродействия «классических» – по схеме фон Неймана - ЭВМ привели  к появлению многопроцессорных  вычислительных систем (МВС). Использование таких средств вычислительной техники позволяет существенно увеличивать производительность ЭВМ при любом существующем уровне развития компьютерного оборудования. При этом, однако, необходимо «параллельное» обобщение традиционной - последовательной - технологии решения задач на ЭВМ. Так, численные методы в случае МВС должны проектироваться как системы параллельных и взаимодействующих между собой процессов, допускающих исполнение на независимых процессорах. Применяемые алгоритмические языки и системное программное обеспечение должны обеспечивать создание параллельных программ, организовывать синхронизацию и взаимоисключение асинхронных процессов и т.п.

 

Суперкомпьютер СКИФ МГУ "ЧЕБЫШЁВ"

Общая характеристика

Пиковая производительность	60 TFlop/s
Производительность на Linpack	47.04 TFlop/s (78.4% от пиковой)
Число процессоров/ядер в системе	1250 / 5000
Модель процессора	Intel Xeon E5472 3.0 ГГц
Объём оперативной памяти	5.5 Тбайт
Дисковая память узлов	15 Тбайт
Число стоек всего/вычислительных	42 / 14
Число блэйд-шасси/вычислительных узлов	63 / 625
Производитель	Т-Платформы

Вычислительные узлы и сети

Группы вычислительных узлов:

S	8 узлов	2 процессора, 32 Гбайт,	HDD 160 Гбайт
A	32 узла	2 процессора, 16 Гбайт,	HDD 160 Гбайт
B	64 узла	2 процессора, 8 Гбайт,	HDD 160 Гбайт
C	529 узлов	2 процессора, 8 Гбайт

Все узлы в СКИФ МГУ "ЧЕБЫШЁВ" связаны тремя независимыми сетями:

• Системная сеть: InfiniBand DDR (Mellanox ConnectX) 
  (Fat Tree: 6x144 порта; латентность на уровне MPI: 1.3-1.95 мкс; скорость обмена на уровне MPI: 1540 Мбайт/с)
• Вспомогательная сеть: Gigabit Ethernet 
  (2x(336 портов+4x10G) + 2x(48 портов+4x10G) + 24x10G)
• Управляющая сеть: СКИФ-ServNet+IPMI

Инфраструктура суперкомпьютера

Суперкомпьютер СКИФ МГУ "ЧЕБЫШЁВ" обладает уникальной информационно-вычислительной и инженерной инфраструктурой, необходимой  для надёжной круглосуточной работы комплекса.

Дисковая система хранения данных:	T-Platforms ReadyStorage ActiveScale Cluster
Объём дисковой системы	60 Тбайт
Ленточная система резервного копирования  данных	Quantum Scalar i500
Общая занимаемая площадь	96 м2
Общий вес	30 т
Номинальное энергопотребление компьютера	330 кВт
Общее энергопотребление комплекса	720 кВт
Суммарная длина кабельных соединений	более 2 км

Система бесперебойного электропитания:

Тип	on-line
Исполнение	модульное
Максимальная установленная мощность	400 кВт
Количество монтажных шкафов	20
Максимальная мощность	400 кВт
Резервирование	N+1, "горячая замена" компонентов

Климатическая система:

Тип	модульная внутрирядная
Холодопроизводительность	400 кВт
Резервирование	N+1
Теплоноситель внешнего контура охлаждения	фреон
Теплоноситель внутреннего контура  охлаждения	вода+этиленгликоль
Количество рядных кондиционеров	8
Количество холодильных машин	3

Также реализованы подсистемы хранения и резервного копирования данных, газового пожаротушения, мониторинга, резервирование всех основных компонентов.

Суперкомпьютер "Ломоносов"

Общая характеристика

 

 

Основные технические  характеристики суперкомпьютера "Ломоносов"
Пиковая производительность	1,7 Пфлопс
Производительность на тесте Linpack	901.9 Тфлопс
Число вычислительных узлов х86	5 104
Число графических вычислительных узлов	1 065
Число вычислительных узлов PowerXCell	30
Число процессоров/ядер x86	12 346 / 52 168
Число графических ядер	954 240
Оперативная память	92 ТБ
Общий объем дисковой памяти вычислителя	1,75 ПБ
Основной тип процессора	Intel Xeon  X5570/Intel Xeon 5670, Nvidia X2070
Число типов вычислительных узлов	8
Основной тип вычислительных узлов	TB2-XN
System/Servise/Management Network	QDR Infiniband 4x/10G Ethernet/Gigabit Ethernet
Система хранения данных	Параллельная файловая система Lustre, файловая система NFS, иерархическая файловая система StorNext, система резервного копирования и  архивирования данных
Операционная система	Clustrx T-Platforms Edition
Занимаемая площадь	252 м2
Потребление энергии	2,6 МВт
Вес всех составляющих	Более 75 тонн
Производитель	Т-Платформы