Superarvutid REFERAAT (1)

Tallinna Polütehnikum 
 
 
 
 
 
 
Superarvutid  
Referaat 
 
 
 
 
Henri Muldre, Mark Ohlau  
Arvutid ja arvutivõrgud 
KPE-12 
Juhendaja : Marten Tikman 
 
 
 
 
 
Tallinn 2013 
Sisukord 
 
 
1.  Sissejuhatus .................................................................................................................. 3 
2.  Ajalugu ......................................................................................................................... 4 
3.   Riistvara  ........................................................................................................................ 5 
4.   Tarkvara  ........................................................................................................................ 7 
4.1 
Operatsioonisüsteemid .......................................................................................... 7 
4.2 
Programmeerimine  ................................................................................................ 8 
5.  Kiireimad superarvutid ................................................................................................. 9 
5.1 
Kuidas superarvutite kiirust mõõdetakse? ............................................................. 9 
5.2 
Hetkel kiireimad superarvutid ............................................................................... 9 
6.  Kasutatud kirjandus .................................................................................................... 11 
 
 
 
2 
 
1.  Sissejuhatus 
 
Superarvuti   on  arvuti,  mis  kuulub  esimeste  hulka  oma  töötlemissuutlikuse,  eriti 
arvutuskiiruse  poolest.  Se  on  ülisuure  jõudlusega  arvuti  teadus-  ja  tehnikaülesannete 
lahendamiseks.  Superarvuti  on  suhteline  mõiste,  mis  ajas  pidevalt  muutub  sedamööda, 
kuidas kõik arvutid järjest võimsamaks muutuvad. Neid arvuteid kasutatakse väga palju 
arvutusi  nõudvate  ülesannete  lahendamiseks,  näiteks  kvantfüüsikas,  ilmaennustamises, 
kliimauuringutes,  molekulide  modelleerimiseks  ja  füüsikaliste  simulatsioonide  jaoks. 
Mõiste superarvuti on aja jooksul palju muutunud ja tänane superarvuti kipub olema homne 
tavaarvuti. 
 
Tänapäeva  paralleelsüsteemid  põhinevad  tavakasutuses  olevatel  serveriklassi 
mikroprotsessoritel nagu PowerPC,  Opteron  või  Xeon  ja kaasprotsessoritel nagu NVIDIA 
Tesla   GPGPUs,  AMD  GPUs,  IBM  Cell,  FPGAs.  Enamus  tänapäeva  superarvutitest  on 
kõrgtasemel  seadistatud  klastrid,  mis  kasutavad  tavakasutuses  olevaid  protsessoreid 
eriotstarbeks loodud omavaheliste ühendustega. 
 
Esimest  korda    aastal  1929  kasutati  terminit  „ Super   Computing“   ajalehes   „New   York  
World“,  et  viidata  suurtele  tabulaatoritele,  mida  IBM  eritellimusel  ehitas  ülikoolile 
Columbia  University . 2011. aasta keskpaigast on maailma  kiireim  superarvuti K Computer, 
mis asub Jaapanis ja ületab eelmist rekordiomanikku ( Tianhe -I) kolmekordselt. 
 
 
3 
 
2.  Ajalugu 
 
Superarvuteid hakati looma 1960. aastatel, Seymore  Cray  oli üks peamine superarvutite 
kavandaja  Control  Data  Corporationis  (CDC).  1972.  aastal  lahkus  Cray  CDC-st,  et  luua 
oma  firma,  Cray  Research,  mis  võttis  üle  superarvutite  turu,  hoides  superarvutamise 
esikohta 5 aastat (1985–1990). 1980. aastatel sisenes turule hulk väiksemaid konkurente, 
kuid paljud neist kadusid 1990. aastate keskel toimunud "superarvutituru krahhi" käigus. 
Tänapäeva  superarvutid  on  tavaliselt   ainulaadsed   lahendused,  mis  on  loodud 
"traditsiooniliste"  firmade  poolt  nagu  Cray,  IBM  ja   Hewlett -Packard,  kes  ostsid  paljud 
1980. aastate  arvutitega  tegelevatest firmadest ja omandasid sellega vajalikud kogemused. 
 
CDC  varased   masinad  olid lihtsalt väga kiired skalaarprotsessorid, mõned kümme korda 
kiiremad  kui  teiste  firmade  poolt  pakutavad.  1970.  aastatel  enamus  superarvuteid  olid 
loodud  töötama  vektorprotsessoril.  1980.  aastate  esimesel  poolel  loodi  masinad,  kus 
paralleelselt töötasid  mitmed, tavaliselt 4 kuni  6, vektorprotsessorit.  1980. aastate lõpus 
ning 
1990. 
aastatel 
pöördus 
tähelepanu 
vektorprotsessoritelt 
massiivsele 
paralleeltöötlussüsteemidele, mis sisaldasid tuhandeid „tavalisi“ protsessoreid. 
 
 
4 
 
3.  Riistvara 
Lähenemine superarvuti arhitektuuri on võtnud dramaatilisi pöördeid, mil kõige algsemaid 
süsteeme  esitleti  1960- datel   aastatel.  Algsed  superarvuti  arhitektuurid  väljatöötatanud 
firma   Seymour   Cray  poolt  tuginesid  kompaktsele  innovaatilisele  disainile  ja  kohalikule 
parallelismile,  et  saavutada  parim  arvutusjõudlus  ehk  oli  võimalik  mitut  ülesannet 
paralleelselt teha. Mida aeg edasi, seda  suuremaks  kasvas nõudlus suurenenud arvutusliku 
võimsusega superarvutitele. 
 
Kuigi  superarvutid  1970.  aastatel  kasutasid 
ainult  mõningaid  protsessoreid,  arenes  aeg  nii 
palju  edasi,  et  1990.  aastatel  hakkasid  ilmuma 
masinad tuhandete protsessoritega ja 20. sajandi 
lõpu  poole  kümnete  tuhandete  protsessoritega. 
21. sajandi  superarvutid  võimaldavad kasutada 
juba  üle  100,000  protsessori  (mõned  neist  on 
graafika  kaardid)  ühendatud  kiire  ühendus 
kaudu. 
 
Superarvuti  toodab  suurtes   kogustes   soojust  ja 
seetõttu tuleb seda jahutada. Tüüpiline TOP500 
superarvuti  kasutab  elektrit  1  ja  10  megavatti 
ning  muudab  peaaegu  kõik  selle  soojuseks. 
Elektrikulu  ja  jahutus  on  tavaliselt  üks   Blue Gene/L superarvuti kapp, kus on bladeid, 
mis hojavad väga mitmeid protsessoreid 
faktoritest,  mis  limiteerib  süsteemi  suuruse. 
(Näiteks Tianhe-1A võiks kulutada iga aasta mitme miljoni dollari väärtuses elektrit.) 
 
Informatsiooni  kahe  arvuti  vahel  ei  ole  võimalik  liigutada  kiiremini  kui  valguskiirus. 
Selletõttu  superarvuti,  mille  osad  on  üksteisest  palju  meetreid  eemal,  peab  omama 
latentsust vähemalt kümneid nanosekundeid. Seymore Gray superarvuti kavandid üritasid 
5 
 
selletõttu hoida kaableid nii lühikesena kui võimalik. Modernsetes superarvutites, mis on 
ehitatud  paljudest  paralleelselt  töötavatest  tavaprotsessoritest,  on  tavaline   latentsus   kahe 
protsessoril vahel 1 kuni 5 mikrosekundit. 
 
Protsessoritest üldiselt kasutatakse AMD Opteron-i, kuna sellel on hinna ja jõudluse suhe 
kõige  parem  (võrreldes  Intel  Xeon  protsessoritega,  mis  maksavad  väga  palju). 
Graafikakaartitest  on  kasutatud  Nvidia  Tesla  GPU-d,  mis  baseerub  Nvidia   Kepleri  
arhidektuuriga peal ning CUDA. 
 
AMD Opteron  protsessor  (allikas: 
Intel Xeon E5 protsessor (allikas: 
 
 
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/common
http://media.bestofmicro.com/xeon-e5-2600 -
s/9/91/AMD_Opteron_2212_IMGP1795.jpg). 
c600-2687w,T-X-328965-13.jpg). 
Nvidia Tesla  graafikakaart  (allikas: 
http://images.anandtech.com/doci/6446/TeslaK20.jpg ). 
6 
 
4.  Tarkvara 
4.1  Operatsioonisüsteemid 
Superarvutite tarkvara on disantitud,  et  mitut ülesannet  saaks teha korraga ning kiiresti. 
Tänapäeval kasutavad superarvutid kõige enam erinevaid  variante   Linux 'it. 1980. aastate 
esimeses pooles ohverdasid superarvutid  juhendite  ühilduvuse ja koodi teisaldatavuse, et 
saada  paremaid  tulemusi  (protsessimise-  ja  mälu  kättesaamise  kiirusi).  Selle  ajani  olid 
superarvutitel enamasti väga erinevad operatsioonisüsteemid. Cray-1'l üksi oli vähemalt 6 
erinevad operatsioonisüsteemi, mis olid suuresti tundmatud tavalisele arvutikogukonnale. 
Sarnaselt olid olemas erinevad ja mitteühilduvad vektoriseerivad ning paralleeliseerivad 
kompilaatorid Fortranilt. Selline trend lõppes kui loodi ühilduv juhendite komplekt Cray-1 
ja Cray X-MP vahel ja võeti kasutusele arvutisüsteemid nagu Cray' Unicos või Linux. 
 
 
Graafik 
operatsioonisüsteemide 
populaarsusest 
ja 
kasutusest 
(1994 
– 
2012). 
Allikas: 
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0d/Operating_systems_used_on_top_500_supercompute
rs.svg 
 
7 
 
4.2  Programmeerimine 
Paralleelse 
arhitektuuri 
tõttu 
superarvutites 
kasutati 
tihti 
spetsiaalseid 
programmeerimistehnikaid,  et  kasutada  ära  superarvutite  kiirust.  Baaskeel  superarvutite 
jaoks on üldiselt  Fortran  või C, kasutades spetsiaalseid teeke, et jagada infot sõlmede vahel. 
Kõige tavalisemal juhul,  keskkonnad  nagu PVM ja MPI, olid kasutuses lõdvalt ühendatud 
klastrite  vahel  ja  OpenMP  tihedalt  koordineeritud  jagatud  mäluga  masinates. 
Märkimisväärseid  jõupingutusi  on  vaja  teha,  et  optimeerida  probleem  antud  ühenduste 
iseloomu jaoks, millel masin jooksma hakkab. Eesmärk on hoida ära võimalus, et mõni 
protsessor 
kulutab 
aega 
andmetele 
teistest 
sõlmedest. 
Uued 
massiivselt 
paralleelsed   GPGPU 'd  (GPGPU  – General- Purpose  Computing  on Graphics  Processing 
Unit ) 
omavad 
sadasid 
protsessorituumi 
ja 
on 
programmeeritud 
kasutades 
programmeerimismudeleid nagu CUDA ja OpenCL. 
 
 
8 
 
5.  Kiireimad superarvutid 
5.1  Kuidas superarvutite kiirust mõõdetakse? 
Üldiselt  kasutatakse  superarvuti  kiiruse  mõõtmiseks  ühikut  „FLOPS“  (Floating  Point 
Operations  Per  Second  ehk  ujuvkoma  arvutuste  arv  sekundis).  Kiiruse  mõõtmiseks 
kasutatakse  üldiselt  jõudlustesti  LINPACK,  kus  tuleb  arvutil  lahendada  tihe 
lineaarvõrrandite süsteem. 
 
5.2  Hetkel kiireimad superarvutid 
Hetkel  kõige  kiirem  superarvuti  (Top500.org  andmete  kohaselt)   Titan   (November  2012 
andmetega). Asub see Oak  Ridge  National  Laboratory ’s. See superarvuti alustas tööd 29. 
oktoober 2012. Arvuti maksumuseks oli $97 millionit USA dollarit. Sees on 18 688 AMD 
Opteron 6274 16-tuumalist protsessorit (kokku 299 008 tuuma), 18 688 Nvidia Tesla K20 
graafikakiirendit, muutmälu on kokku 710 TB (terabyte), kõvaketta mälu on kokku 40 PB 
(petabyte)  ning  maksimum  võimsus  on  17,59  petaFLOPS’i  LINPACK’i  testi  andmetel 
(teoreetiline kiirus on 27 petaFLOPS’i). Voolu kulutab see  8,2 megavatti. 
 
Jack  Dongarra  on  väitnud,  et  Tianhe-1A  superarvuti  Hiina  Rahvuslikus 
Superarvutuskeskuses  Tianjinis  on  1,4  korda  kiirem  kui  AMD-Opteron'il  põhinev  Cray 
XT5  Jaguar . Nvidia väidab, et Tianhe-1A on saavutanud töötlemiskiiruse 2,507 petaFLOPS 
LINPACK'i  jõudlustestis.  Tianhe-1A  koosneb  14  336  Intel  Xeon  Protsessorist  ja  7  168 
Nvidia  Tesla  M2050  GPU'st  koos  uute  Hiinast  pärit  ühendustega.  Tianhe-1A  asub  103 
korpuses, kaalub 155 tonni ja tarvitab 4,04 megavatti elektrit.  Eelmine  kiirem superarvuti 
Cray XT5 Jaguar on saavutanud kiiruse 1,759 petaFLOPS'i. 
 
Ettevõtte  Fujitsu  ja  Jaapanis  paikneva  RIKEN-i   instituudi   teadlaste  poolt  loodud 
superarvuti  K  Computer  saavutas  aga  2011.  aastal  kiiruseks  juba  8,162  petafloppi  ning 
kukutas  sellega hiinlaste superarvuti maailmas teisele kohale. K Computeri kokkupanekut 
alustati  2010.  aasta   oktoobris .  2012.  aasta  juunikuuks.  Fujitsu  ja  RIKENi  pressiteate 
kohaselt koosneb superarvuti 672 arvutikapist, milles on kokku 68 544 keskprotsessorit. 
9 
 
 
Titan superarvuti USA’s, Oak Ridge natsionaalses laboratooriumis. 
 
Tianhe-1A superarvuti Hiinas, Tianjin linnas (kiireim November 2010 - Top500.org andmetel) 
 
 
10 
 
6.  Kasutatud kirjandus 
Introducing Titan. (10. juuni 2013. a.). Allikas: Oak Ridfe Leadership Computing 
Facility: http://www.olcf.ornl.gov/titan/ 
Muldre, H., & Ohlau, M. (10. juuni 2013. a.). Enda teadmised. 
Superarvuti. (10. juuni 2013. a.). Allikas: Wikipedia: 
http://et.wikipedia.org/wiki/Superarvuti 
Supercomputer. (10. juuni 2013. a.). Allikas: Wikipedia: 
http://en.wikipedia.org/wiki/Supercomputer 
Supercomputer. (10. juuni 2013. a.). Allikas: e-teadmik: http://www.vallaste.ee/ 
Tianhe-1A: National Supercomputing Center in Tianjin. (10. juuni 2013. a.). Allikas: 
Top500.org: http://www.top500.org/featured/systems/tianhe-1a-national -
supercomputing-center-in-tianjin/# 
Titan (supercomputer). (10. juuni 2013. a.). Allikas: Wikipedia: 
http://en.wikipedia.org/wiki/Titan_(supercomputer)  
Titan: Oak Ridge National Laboratory. (10. juuni 2013. a.). Allikas: Top500.org: 
http://www.top500.org/featured/systems/titan-oak-ridge-national-laboratory/ 
 
 
11