Вопросы дальнейшего развития суперкомпьютеров
В.К. Левин, академик РАН
Ведущие компьютерные фирмы сориентированы на выпуск систем производительностью 10 15 оп./с (квадриллион оп./с. - petaflops ) и более. Реализуются крупные программы работ этого направления [23 - 25]. В середине 2008 г. введен в действие кластер Roadrunner , корпорации IBM, с пиковой производительностью 1,3 Pflops, построенный на базе микропроцессоров Cell. [26] Но ещё в 2006 г. производительность, эквивалентная уровню 10 15 оп./с , была реализована в японской системе MDGRAPE-3, процессоры и общая структура которой ориентированы на решение задач молекулярной динамики (в т. ч., исследование структур белковых молекул и др.). [27]
Развитие микроэлектронной базы характеризуется переходом от достигнутых технологических норм 0,18 - 0,09 мкм к более жестким - Intel в 2007 г. освоила технологию 45 нм.
Микропроцессоры по тактовой частоте вышли на уровень нескольких ГГц, и считается возможным её повышение. Вместе с тем, структура микропроцессора предельно усложнилась за счёт развития внутреннего параллелизма обработки, интенсификации взаимодействия с памятями различных уровней и внешнего обмена данными, при этом возросло тепловыделение. В микропроцессорах продолжает развиваться векторная и многопотоковая обработка, они уже выпускаются как 2-х и 4-х ядерные с суммарным пиковым быстродействием более 10 млрд. оп./с. В микропроцессоры встраиваются разнообразные средства контроля, терморегуляции и энергосбережения. [28, 29] Всё это, однако, осложняет использование микропроцессоров в аппаратуре и требует соответствующего программного обеспечения. Следует признать, что из-за этих трудностей возможности новейшей процессорной базы последних 2 - 3 лет по повышению производительности пока что не в полной мере ощущаются в практике применений (т. е. в исполнении прикладных программ).
Ожидается, что в ближайшие 2–3 года в одной СБИС будут размещать нескольких десятков процессорных ядер, разрабатываются различные варианты организации их взаимодействия и использования. В результате совместной разработки корпораций IBM , Sony , Toshiba развернут выпуск мощного микропроцессора Cell со структурой SIMD в составе 8 арифметических устройств с суммарной производительностью до 200 млрд. оп./с или 100 млрд. оп./с при двойной точности. [26, 29] Выпускаются также многоядерные сопроцессоры-ускорители для медийных-приложений [30].
Продолжает сохранять остроту проблема построения ОЗУ как в отношении увеличения объёма, так и ускорения доступа к хранимым данным. Эти требования противоречивы; компромисс отчасти достигается иерархическим построением памяти с использованием двух- и трёхуровневой внутренней памяти (кэша) микропроцессоров. Основная оперативная память современных суперкомпьютеров имеет объём по 1 - 2 Гбайт на процессорное ядро, проявляется тенденция к её наращиванию. Для построения кластеров обычно используются 2 - 8-процессорные модули с общей (разделяемой) памятью. Некоторые типы из выпускаемых процессорных модулей допускают расширение ОЗУ до уровня 100 Гбайт, однако на сегодня это оправдано лишь для специфических применений в установках с небольшим числом процессоров.
На этапах предыдущих поколений компьютеров не раз предрекался конец эры магнитной дисковой памяти (с заменой её механики чем-то другим), однако она продолжает занимать прочные позиции и интенсивно развивается. Вместе с тем, быстро совершенствуется энергонезависимая полупроводниковая память с функциями внешнего устройства (флэш-память).
Развитие сетей межпроцессорного обмена направлено на повышение пропускной способности каналов связи и коммутаторов при сокращении латентности (т. е. времени вхождения в связь). При большом количестве объединяемых процессоров приходится строить сети как иерархические-многоуровневые. Зачастую используют несколько внутренних сетей связи, ориентированных на различные системные функции (межпроцессорный обмен в различных режимах, обмен с внешней памятью, общесистемное управление и ввод-вывод). Проявляется стремление к созданию, по возможности, виртуальной общей памяти для всего многопроцессорного ресурса, что требует форсирования характеристик межпроцессорного обмена.
В широком спектре изделий современной микроэлектронной базы, применяемых в вычислительных системах, большое место занимают также разного рода СБИС с перенастраиваемой логической структурой (ПЛИС - FPGA - field-programmable gate arrays), визуализации данных, электросилового питания, охлаждения, разнообразные пассивные компоненты и проч.1
Промышленный выпуск микропроцессоров, памяти и прочих компонентов на три порядка превышает потребности выпуска суперкомпьютеров, поскольку те же компоненты используются в широких сферах автоматизации и в средствах связи. Массовость производства компонентов сочетается и взаимосвязана с их относительным удешевлением и обеспечением высокой надёжности. В этих условиях ориентация на какие-то специфические компоненты для суперкомпьютеров стала технически и экономически неоправданной; этот вывод важен для определения технической политики в рассматриваемой области.2
Массово-параллельная структура современных суперкомпьютеров является существенной предпосылкой достижения их «живучести» при отказах единичных процессоров, однако это не допускает пренебрежения всем комплексом мер и средств поддержания надёжности. Техническая надёжность полупроводниковых компонентов, в принципе, может быть очень высока. Но практическое достижение высокой надёжности систем, в целом, возможно только при очень хорошем уровне всех этапов разработки, изготовления и эксплуатации компонентов и аппаратуры, а также при надлежащем взаимодействии – обратной связи от потребителя компонентов к их изготовителю, что на практике, к сожалению, не всегда осуществляется. 3
Pост производительности суперкомпьютеров взаимосвязан с расширением, обновлением и усложнением применений, разработками новых математических моделей, развитием соответствующих вычислительных методов. При этом необходимо распараллеливать обработку данных в алгоритмах и программах решаемых вычислительных задач, учитывая специфику структурного параллелизма, присутствующего в том или ином виде на всех уровнях систем – от внутрипроцессорного до общесистемно-сетевого с выходом на глобальные Grid -технологии. Умелое использование и перманентное развитие программного обеспечения (как системного, так и прикладного) существенно определяет эффективность применений суперкомпьютеров и остается сложной и широкой проблемой.
Примечания
1. По мере повышения уровня интеграции микроэлектроники все более увеличивается разрыв (по техническим характеристикам, условиям производства и применений) между заказными БИС–СБИС (ASIC – Application Specific Integrated Circuits) и микропроцессорами. Этот разрыв отчасти заполнялся разного рода «полузаказными» микросхемами (на основе матричных БИС, БИС типа «море вентилей» и др.), а в последнее десятилетие всё более активно используются ПЛИС. Их быстродействие повышается, а структура развивается как по количеству элементов реконфигурируемого массива (вентилей, триггеров) так и за счёт введения в состав ПЛИС функционально развитых узлов (памяти, сумматоров, умножителей и др.) вплоть до нескольких процессорных ядер. Уже появились вычислительные системы фирм Cray, SGI и некоторые другие, в которых ПЛИС используются как дополнительное средство к основной обработке. Структурная настройка, т. е. своего рода «программирование» ПЛИС - это, вообще говоря, более трудоёмкое дело, чем «обычное» программирование для микропроцессоров и компьютеров, поэтому целесообразность применения ПЛИС определяется спецификой решаемых задач и технико-экономическими оценками.
На современном этапе развитие электронных компонентов во многом связывается также с направлением «системы на кристалле» ( SoC ).
2. На этапах 2–3 поколений компьютеров прорабатывалась проектная альтернатива: «наибольшее быстродействие при невысоком уровне интеграции и возможном удорожании компонентов» либо «относительно дешёвые компоненты с невысоким быстродействием при их большом количестве в системе», имея в виду, что второй из этих путей требует построения более развитых параллельных структур. Обычно для больших вычислителей (и «традиционных» суперкомпьютеров) выбирался первый путь, а для малых машин применялись компоненты «попроще и подешевле». За последние 10 - 15 лет ситуация изменилась: в массовых компьютерах используются микропроцессоры и память, у которых возрастает быстродействие, уровень интеграции и, соответственно, сложность структуры, а суперкомпьютер строится путем объединения множества таких компонентов.
Иногда высказывались предложения об использовании в суперкомпьютере каких-то «упрощенных» процессоров (и получения высокой производительности, прежде всего, за счёт увеличения количества процессоров); обычно это оказывается неприемлемым по технико-экономическим показателям и из-за возрастания трудностей программирования. Понятно, что это - выводы сегодняшнего дня; в будущем можно себе представить появление и использование каких-то других элементов, сред, явлений и соответствующих технологий, что может повлечь корректировку системно-структурных концепций.
3. Несмотря на усложнение проблем кремниевой микроэлектроники, на сегодня и ближайшие годы именно она определяет базу вычислительной техники; остаются на втором плане такие направления, как, например, элементы на арсениде галлия, криогеника, оптические средства обработки данных, на которые оптимистично смотрели 10 - 20 лет назад. Вместе с тем, следует отметить, что все более широко используются в вычислительных системах оптоволоконные связи, диски с лазерным чтением-записью данных при повышающейся плотности и скорости; следует ожидать появления в вычислительной технике новых элементов оптоэлектроники. Важными аспектами являются энергосбережение и совершенствование теплоотвода (переход от воздушного к жидкостному и др.).
Одним из определяющих факторов в вычислительной технике является уровень автоматизации и оснащенности соответствующим оборудованием всех этапов создания систем - от начального проектирования и выпуска конструкторской документации до изготовления, контроля и обслуживания в процессе эксплуатации. Этот фактор определяет не только производительность труда, но и саму возможность проектирования и реализации современных систем и их компонентов, включая СБИС, в силу их функциональной сложности и высоких требований к физико-технологическим параметрам. Уже давно компьютеры нового поколения создаются с применением компьютеров предыдущего поколения. Необходимо обращать внимание на создание, внедрение и своевременное обновление всего комплекса средств автоматизации работ по созданию новых вычислительных систем.
Этапы развития суперкомпьютеров. Оглавление
Литература
Статья помещена в музей 10.11.2008 с разрешения автора
