technika
Autor: Marcin Bieńkowski | dodano: 2012-06-12
Władcy wirtualnych światów

Kosztują miliony dolarów, zajmują setki metrów kwadratowych i wykonują biliony operacji na sekundę. Superkomputery fascynują nie tylko naukowców i informatyków - poruszają również wyobraźnię zwykłych ludzi.


Za superkomputer uważa się maszynę o ogromnej mocy obliczeniowej. Jak dużej? To zależy od wydajności innych komputerów konstruowanych w tym samym czasie. Gdyby w połowę lat 80. przenieść dzisiejszego domowego peceta, z pewnością uznano by go za superkomputer - przecież moc obliczeniowa procesora Pentium 4 taktowanego trzygigahercowym zegarem to około 6 mld operacji zmiennopozycyjnych na sekundę (sześć gigaflopsów), a jednego z najwydajniejszych ówczesnych superkomputerów, Craya-2, zaledwie około czterech. Najnowsze współczesne karty graficzne, takie jak GeForce 8800 GTX, dysponują mocą obliczeniową rzędu 520 gigaflopsów, zatem w systemach z dwiema kartami moc przekracza jeden teraflops. Nie da się jej obecnie co prawda spożytkować inaczej niż do wyświetlania zaawansowanej grafiki, ale warto sobie w tym momencie uświadomić, że jest ona zaledwie trzy razy mniejsza niż moc superkomputerów z końca listy Top500.

Narodziny wyścigu

Historia superkomputerów sięga lat 40. XX wieku, kiedy to pojawiły się pierwsze cyfrowe urządzenia do łamania szyfrów. Na pierwszy superkomputer z prawdziwego zdarzenia trzeba było jednak czekać jeszcze ponad 20 lat. We wrześniu 1964 roku amerykańska firma Control Data Corporation zaprezentowała skonstruowany przez Seymoura Craya i Jamesa E. Thorntona CDC-6600. Była to kolejna maszyna z produkowanej od 1960 roku serii komputerów CDC-6000, należących do popularnej wówczas klasy komputerów mainframe (przeznaczonych do przetwarzania dużej ilości danych). Komputery z serii CDC-6000 wyróżniały się modularną budową i w zależności od wersji były wyposażone w jeden lub dwa centralne procesory i od siedmiu do dziesięciu procesorów pomocniczych, które dzisiaj nazwalibyśmy koprocesorami.

W komputerach firmy Control Data Corporation wprowadzono też podział na jednostki funkcjonalne i mechanizmy równoległego, jednoczesnego wykonywania kilku operacji. W modelu CDC-6600 pojawił się także po raz pierwszy hierarchiczny dostęp do pamięci, podobny do współczesnych mechanizmów korzystania z wielopoziomowej pamięci podręcznej. Zbudowany z 400 tys. tranzystorów CDC-6600 miał zawrotną na tamte czasy moc obliczeniową. Wykonywał ponad 10 mln operacji na sekundę - trzy razy więcej niż najszybsze wtedy komputery IBM 7030, używane m.in. w ośrodku nuklearnym w Los Alamos.

CDC-6600 był najszybszym komputerem świata do czasu pojawienia się w 1970 roku następcy, CDC-7600. Procesor tego superkomputera, skonstruowany również przez Craya, miał więcej jednostek wykonawczych i wprowadzono w nim nowatorskie przetwarzanie potokowe, w znaczny sposób podnoszące wydajność (obecnie przetwarzanie potokowe, dzięki któremu w jednym cyklu wykonuje się kilka poleceń jednocześnie, to standardowy sposób budowy procesorów).

Kolejnym komputerem, nad którym rozpoczął pracę Cray, był CDC 8600. Nieporozumienia z zarządem oraz ograniczenia finansowe sprawiły, że Cray odszedł z Control Data Corporation i założył własną firmę, Cray Research. To tu powstał w 1976 roku jeden z najbardziej znanych na świecie superkomputerów: Cray-1, o wydajności 160 megaflopsów. Był on pierwszym komputerem wyposażonym w procesor wektorowy, który od zwykłych procesorów różni się tym, że jednocześnie przetwarza wieloelementowe zbiory liczb (wektory). W ten sposób uzyskuje się dużą wydajność przy stosunkowo niewielkiej częstotliwości zegara; tak działają np. multimedialne rozszerzenia MMX, SSE i 3DNow! znane ze współczesnych pecetów. Typowymi jednostkami wektorowymi są też wspomniane wcześniej układy graficzne - w jednym kroku przeliczają dużą liczbę pikseli.

Jeden to za mało

Pierwsze superkomputery (CDC-7600, Cray-1 itp.) były urządzeniami jednoprocesorowymi. Szybko okazało się, że do skomplikowanych obliczeń lepiej nadaje się kilkanaście lub nawet kilkaset prostszych układów. Taką konstrukcję miał pierwszy superkomputer wieloprocesorowy ILLIAC IV, skonstruowany w 1976 roku na uniwersytecie w Illinois. Składał się z 256 prostych procesorów, a mocą obliczeniową dorównywał potężnemu Crayowi-1.

Firma Cray Research wyciągnęła wnioski i w 1982 roku przedstawiła superkomputer Cray X-MP (Multiple Processor). W maszynie tej zwiększono liczbę procesorów wektorowych i wykorzystano wspólną dla wszystkich jednostek centralnych pamięć operacyjną. W najsilniejszej konfiguracji komputer składał się z czterech jednostek centralnych, które mogły się komunikować zarówno bezpośrednio, jak i przez pamięć operacyjną. Rozwiązania zastosowane w tym superkomputerze, nazwane przetwarzaniem symetrycznym SMP (Symmetric Multiprocessing), są z powodzeniem stosowane do dziś m.in. w najnowszych wielordzeniowych procesorach Intel Core2 Duo i AMD Athlon 64 X2.

Więcej w miesięczniku „Wiedza i Życie" nr 08/2007 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
01/2020
12/2019
Kalendarium
Styczeń
22
86 lat temu odbyła się pierwsza w historii radiowa transmisja z meczu piłkarskiego (Arsenal F.C.-Sheffield United F.C.)
Warto przeczytać
Lubimy myśleć o sobie jako o istotach wyjątkowych - ale czy naprawdę coś różni nas od zwierząt? Przecież nasza biologia jest taka sama. W oryginalnej i intrygującej podróży po świecie ziemskiego życia Adam Rutherford bada rozmaite cechy, które uznawano niegdyś za wyłącznie ludzkie, wykazując, że wcale takimi nie są.

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Marcin Bieńkowski | dodano: 2012-06-12
Władcy wirtualnych światów

Kosztują miliony dolarów, zajmują setki metrów kwadratowych i wykonują biliony operacji na sekundę. Superkomputery fascynują nie tylko naukowców i informatyków - poruszają również wyobraźnię zwykłych ludzi.


Za superkomputer uważa się maszynę o ogromnej mocy obliczeniowej. Jak dużej? To zależy od wydajności innych komputerów konstruowanych w tym samym czasie. Gdyby w połowę lat 80. przenieść dzisiejszego domowego peceta, z pewnością uznano by go za superkomputer - przecież moc obliczeniowa procesora Pentium 4 taktowanego trzygigahercowym zegarem to około 6 mld operacji zmiennopozycyjnych na sekundę (sześć gigaflopsów), a jednego z najwydajniejszych ówczesnych superkomputerów, Craya-2, zaledwie około czterech. Najnowsze współczesne karty graficzne, takie jak GeForce 8800 GTX, dysponują mocą obliczeniową rzędu 520 gigaflopsów, zatem w systemach z dwiema kartami moc przekracza jeden teraflops. Nie da się jej obecnie co prawda spożytkować inaczej niż do wyświetlania zaawansowanej grafiki, ale warto sobie w tym momencie uświadomić, że jest ona zaledwie trzy razy mniejsza niż moc superkomputerów z końca listy Top500.

Narodziny wyścigu

Historia superkomputerów sięga lat 40. XX wieku, kiedy to pojawiły się pierwsze cyfrowe urządzenia do łamania szyfrów. Na pierwszy superkomputer z prawdziwego zdarzenia trzeba było jednak czekać jeszcze ponad 20 lat. We wrześniu 1964 roku amerykańska firma Control Data Corporation zaprezentowała skonstruowany przez Seymoura Craya i Jamesa E. Thorntona CDC-6600. Była to kolejna maszyna z produkowanej od 1960 roku serii komputerów CDC-6000, należących do popularnej wówczas klasy komputerów mainframe (przeznaczonych do przetwarzania dużej ilości danych). Komputery z serii CDC-6000 wyróżniały się modularną budową i w zależności od wersji były wyposażone w jeden lub dwa centralne procesory i od siedmiu do dziesięciu procesorów pomocniczych, które dzisiaj nazwalibyśmy koprocesorami.

W komputerach firmy Control Data Corporation wprowadzono też podział na jednostki funkcjonalne i mechanizmy równoległego, jednoczesnego wykonywania kilku operacji. W modelu CDC-6600 pojawił się także po raz pierwszy hierarchiczny dostęp do pamięci, podobny do współczesnych mechanizmów korzystania z wielopoziomowej pamięci podręcznej. Zbudowany z 400 tys. tranzystorów CDC-6600 miał zawrotną na tamte czasy moc obliczeniową. Wykonywał ponad 10 mln operacji na sekundę - trzy razy więcej niż najszybsze wtedy komputery IBM 7030, używane m.in. w ośrodku nuklearnym w Los Alamos.

CDC-6600 był najszybszym komputerem świata do czasu pojawienia się w 1970 roku następcy, CDC-7600. Procesor tego superkomputera, skonstruowany również przez Craya, miał więcej jednostek wykonawczych i wprowadzono w nim nowatorskie przetwarzanie potokowe, w znaczny sposób podnoszące wydajność (obecnie przetwarzanie potokowe, dzięki któremu w jednym cyklu wykonuje się kilka poleceń jednocześnie, to standardowy sposób budowy procesorów).

Kolejnym komputerem, nad którym rozpoczął pracę Cray, był CDC 8600. Nieporozumienia z zarządem oraz ograniczenia finansowe sprawiły, że Cray odszedł z Control Data Corporation i założył własną firmę, Cray Research. To tu powstał w 1976 roku jeden z najbardziej znanych na świecie superkomputerów: Cray-1, o wydajności 160 megaflopsów. Był on pierwszym komputerem wyposażonym w procesor wektorowy, który od zwykłych procesorów różni się tym, że jednocześnie przetwarza wieloelementowe zbiory liczb (wektory). W ten sposób uzyskuje się dużą wydajność przy stosunkowo niewielkiej częstotliwości zegara; tak działają np. multimedialne rozszerzenia MMX, SSE i 3DNow! znane ze współczesnych pecetów. Typowymi jednostkami wektorowymi są też wspomniane wcześniej układy graficzne - w jednym kroku przeliczają dużą liczbę pikseli.

Jeden to za mało

Pierwsze superkomputery (CDC-7600, Cray-1 itp.) były urządzeniami jednoprocesorowymi. Szybko okazało się, że do skomplikowanych obliczeń lepiej nadaje się kilkanaście lub nawet kilkaset prostszych układów. Taką konstrukcję miał pierwszy superkomputer wieloprocesorowy ILLIAC IV, skonstruowany w 1976 roku na uniwersytecie w Illinois. Składał się z 256 prostych procesorów, a mocą obliczeniową dorównywał potężnemu Crayowi-1.

Firma Cray Research wyciągnęła wnioski i w 1982 roku przedstawiła superkomputer Cray X-MP (Multiple Processor). W maszynie tej zwiększono liczbę procesorów wektorowych i wykorzystano wspólną dla wszystkich jednostek centralnych pamięć operacyjną. W najsilniejszej konfiguracji komputer składał się z czterech jednostek centralnych, które mogły się komunikować zarówno bezpośrednio, jak i przez pamięć operacyjną. Rozwiązania zastosowane w tym superkomputerze, nazwane przetwarzaniem symetrycznym SMP (Symmetric Multiprocessing), są z powodzeniem stosowane do dziś m.in. w najnowszych wielordzeniowych procesorach Intel Core2 Duo i AMD Athlon 64 X2.