Применение суперкомпьютеров

Примеры применения современных суперкомпьютеров для решения самых разных вычислительных задач — в научных и космических исследованиях, конструкторских разработках, поиске новых лекарств, метеорологии.

В ноябре прошлого года суперкомпьютер IBM Blue Gene/L, установленный в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса Министерства энергетики США, подтвердил свое четырехлетнее лидерство в официальном рейтинговом списке самых мощных суперкомпьютеров мира TOP500 (www.top500.org). Он оказался самым быстродействующим компьютером в мире — почти в три раза быстрее всех остальных систем, входящих в рейтинг. Летом прошлого года конфигурация суперкомпьютера Blue Gene/L была расширена с целью достичь номинальной производительности в 478 TFLOPS.

Суперкомпьютером №2 в мире — и самым быстрым в Европе — стала новая модель суперкомпьютерной линейки IBM Blue Gene/P, которая установлена в исследовательском центре города Юлих (земля Северный Рейн-Вестфалия, Германия). Вычислительный комплекс JUGENE насчитывает более 65 тыс. процессоров PowerPC 450, а производительность этой конфигурации Blue Gene/P составляет 167 TFLOPS. Вычислительные мощности систем JUGENE, JUMP и JUBL доступны примерно двумстам исследовательским группам. Ресурсы суперкомпьютеров используются в числе прочего при расчете проектов, связанных с разработкой новых материалов, поиском лекарственных препаратов следующего поколения, а также при моделировании изменений климата, поведения элементарных частиц, сложных химических реакций и т. д. Распределением вычислительных мощностей между проектами занимается группа независимых экспертов.

В списке TOP500 было представлено 232 системы IBM — больше, чем от любого другого поставщика, что свидетельствует о доминировании корпорации в области мощных суперкомпьютеров. Подавляющее большинство самых быстродействующих компьютерных систем IBM (183 системы) представляют собой кластерные конфигурации на базе серийных микропроцессов, что также считается рекордом рейтинга TOP500. IBM опережает своих конкурентов и в рейтинговом списке TOP10 — в него вошли четыре системы корпорации (все из серии Blue Gene), а также в рейтинговом списке TOP100, где присутствуют 38 суперкомпьютеров IBM. На долю 232 вычислительных машин IBM, вошедших в рейтинг TOP500, приходится 45% суммарной мощности всех систем этого списка.

Занимая лидирующую позицию в отрасли в области суперкомпьютеров, IBM (www.ibm.com) вплотную приближается к очередному барьеру производительности, измеряемому в петафлопсах (PFLOPS), что эквивалентно способности выполнять 1000 триллионов (1 квадриллион) вычислений за секунду. Петафлопс-системы, как ожидается, будут способствовать революционным прорывам в науке и технике благодаря возможностям высокоточного прогнозирования и имитационного моделирования с высокой степенью детализации. Например, при моделировании землетрясений удается отслеживать смещения земной коры на территориях вдоль так называемого разлома Сан-Андреас в Калифорнии буквально от здания к зданию, что позволит улучшить проектирование сейсмостойких зданий и конструкций.

IBM развивает несколько суперкомпьютерных платформ, призванных проложить путь в эру петафлопс-систем. Cистема Blue Gene/P, которая рассчитана на перспективную производительность уровня петафлопс и выше, изначально ориентирована на сферу научных исследований, однако ее расширенные ресурсы памяти и кластерные узлы с симметричной многопроцессорной обработкой (SMP) делают эту модель весьма привлекательной для широкого спектра других прикладных применений. Кроме того, ожидается, что в этом году суперкомпьютеры IBM, построенные на базе новейшего поколения процессоров POWER, займут лидирующие позиции на рынке высокопроизводительных вычислительных систем, предназначенных для решения таких коммерческих и технических задач, как прогнозирование погоды, моделирование изменений климата, исследования новых источников энергии, проектирование в автомобильной и аэрокосмической индустрии.

Инициативы IBM в области аппаратных петафлопс-систем согласованы с соответствующими инвестициями в ПО, предусматривающими поддержку прикладных программ и средств разработки. Эти инвестиции направлены на повышение продуктивности, удобства использования системы и коммерческой жизнеспособности проекта. Так, в этом году IBM расширит поддержку приложений в рамках новой программы для разработчиков сообщества open source, которая будет реализовываться совместно с Аргоннской национальной лабораторией Министерства энергетики США — научным центром, в котором планируется развернуть систему Blue Gene/P.

Суперкомпьютер для МГУ

В начале года Московский государственный университет им. Ломоносова и корпорация IBM обнародовали подробности своего соглашения о поставке суперкомпьютера Blue Gene/P для факультета вычислительной математики и кибернетики МГУ. Эта новейшая вычислительная система — первый суперкомпьютер всемирно известной серии Blue Gene, установленный в России. Он будет применяться для проведения фундаментальных исследований в области нанотехнологий, моделирования новых материалов, биомедицины, моделирования деятельности мозга и других областях. По словам ректора МГУ, теперь университет сможет присоединиться к ведущим мировым исследовательским организациям в решении некоторых из известных человечеству сложных научных проблем, связанных с cупервычислениями — от задач астрофизики до построения молекулярных моделей. А соглашение с IBM открывает новую эру использования суперкомпьютеров в России. Как известно, корпорация сотрудничает с ведущими учебными заведениями и правительственными организациями во всем мире, поставляя суперкомпьютеры следующего поколения, которые сочетают различные типы процессоров для увеличения вычислительной мощности и снижения затрат на энергопотребление и аренду помещений.

МГУ приобретает две аппаратные стойки системы Blue Gene/P, содержащих 8192 плотно упакованных микропроцессора. Производительность данной конфигурации суперкомпьютера 27,8 TFLOPS (триллионов операций с плавающей точкой в секунду), что в 2600 раз превышает производительность самого быстродействующего современного . Согласно текущему рейтингу TOP500, установленная в МГУ входит в число самых мощных суперкомпьютеров мира. Кроме того, Blue Gene требует значительно меньше энергии и площадей, чем другие ведущие суперкомпьютерные системы. Каждая стойка Blue Gene/P не превышат по размеру домашний холодильник и по меньшей мере в семь раз более энергоэффективна, чем любой другой суперкомпьютер. Модульная и масштабируемая конструкция Blue Gene предусматривает возможность добавления стоек по мере возрастания потребностей в вычислительных мощностях.

Семейство IBM Blue Gene/P

Семейство суперкомпьютеров Blue Gene было создано в рамках инициативы IBM (www.ibm.com) по разработке высокомасштабируемой и высоконадежной вычислительной платформы для научных исследований. В этих системах разработчикам удалось обойти два основных ограничения современных технологий ресурсоемких вычислений — требования к потреблению электроэнергии и полезному пространству помещений для размещения оборудования. Суперкомпьютер Blue Gene целенаправленно разрабатывался в расчете на размещение в помещениях меньшей площади и на меньший расход электроэнергии в сравнении с аналогичными коммерчески доступными конкурирующими вычислительными системами.

Энергетически эффективная конструкция и технологическая модель вычислений суперкомпьютеров Blue Gene чрезвычайно востребованы везде, где стремятся уменьшить потребление энергии и достичь требуемых уровней производительности без традиционного увеличения рабочей частоты микропроцессоров. Необычная конструкция суперкомпьютера Blue Gene предусматривает использование множества небольших встраиваемых микросхем с низким энергопотреблением, каждый из которых связан внутрисистемными межсоединениями на базе пяти специализированных интерфейсных сетей.

Суперкомпьютер Blue Gene/P построен на базе микросхем, содержащих по четыре процессорных ядра IBM PowerPC 450 с тактовой частотой 850 МГц. Каждый такой процессор способен обеспечивать выполнение до 13,6 MFLOPS (миллиардов операций в секунду). Плата размером 2Ч2 фута (приблизительно 61Ч61 см), которая содержит 32 таких процессора, обладает производительностью 435 MFLOPS, что превышает по мощности типовой 40-узловой серверный кластер, построенный на серийных двухъядерных процессорах. В стойки высотой 6 футов (приблизительно 1,83 м) установлены 32 такие процессорные платы. Каждая аппаратная стойка обеспечивает выполнение 13,9 TFLOPS (триллионов операций в секунду).

Суперкомпьютер Blue Gene/P в конфигурации с производительностью 1 PFLOPS (квадриллион операций в секунду) содержит 294912 процессора и представляет собой кластер из 72 аппаратных стоек. Компоненты системы соединяются между собой высокоскоростной оптической сетью. Blue Gene/P может масштабироваться до конфигурации с 884736 процессорами, размещенными в 216 стойках, — такая система способна продемонстрировать производительность в 3 PFLOPS. Стандартная конфигурация суперкомпьютера Blue Gene/P будет содержать 4096 процессоров на стойку.

ОС суперкомпьютера Blue Gene основана на ОС Linux с открытым исходным кодом. В этой среде выполняются приложения, написанные на распространенных языках программирования, таких, как Fortran, C и C++, использующих основанные на стандартах коммуникационные протоколы MPI (Message Passing Interface — интерфейс передачи сообщений). Blue Gene/P поддерживает разнообразные приложения, применяемые в настоящее время на системах Blue Gene/L для проведения исследований во многих областях науки, включая физику, химию, биологию, астрофизику, генетику, космологию, сейсмологию.

Ряд ведущих мировых исследовательских организаций и университетов уже разместили заказы на поставку суперкомпьютеров Blue Gene/P. В исследовательском центре ядерной энергетики Аргоннской национальной лаборатории, расположенной недалеко от Чикаго (шт. Иллинойс), развернут первый в США суперкомпьютер Blue Gene/P. Заказчики из Германии — Forschungszentrum Julich (исследовательский центр города Юлих) и научное общество Макса Планка — также установили Blue Gene/P в своих лабораториях. Кроме того, развертывание систем Blue Gene/P планируется в Нью-йоркском университете в Стони Брук (Stony Brook University); Брукхэвенской национальной лаборатории в Кэмп-Аптоне (Лонг-Айленд, шт. Нью-Йорк) и в расположенном в графстве Чешир (Великобритания) исследовательском центре Daresbury Laboratory при британском Комитете по научным и техническим организациям (Science and Technology Facilities Council).

Суперкомпьютеры для российской авиации

В ходе Международного авиационно-космического салона 2007 НПО «Сатурн» (www.npo-saturn.ru), IBM и компания КРОК (www.croc.ru) объявили о старте совместного проекта создания суперкомпьютера производительностью 8 TFLOPS. В настоящий момент в НПО «Сатурн» реализуются несколько крупнейших проектов разработки новых авиадвигателей гражданского и военного назначения, газотурбинных двигателей морского базирования, наземных энергетических и газоперекачивающих установок. В конструкторских подразделениях НПО выполняется множество газодинамических, прочностных и акустических инженерных расчетов и проводятся числовые эксперименты, требующие больших вычислительных мощностей. В 2005 г. НПО «Сатурн» запустило в эксплуатацию свой первый вычислительный кластер на базе серверов IBM xSeries, который до настоящего времени остается самым высокопроизводительным в промышленности России и СНГ. Поскольку его мощности загружены расчетными задачами на 100%, возникла реальная необходимость на порядок увеличить существующие вычислительные ресурсы. Суперкомпьютер обеспечит выполнение новых задач, стоящих перед конструкторским коллективом предприятия.

Суперкомпьютер — Web-сервер

Не исключено, что в скором времени часть Web-серверов будет заменена суперкомпьютерами. По крайней мере именно такую возможность рассматривает корпорация IBM в рамках своего исследовательского проекта Kittyhawk. В настоящее время крупные компании, такие, как Google и Microsoft, используют для поддержания работоспособности своих Web-сервисов компьютерные кластеры. Такой подход позволяет сформировать достаточно мощную вычислительную инфраструктуру на основе относительно недорогих компьютерных узлов и сетевого оборудования. Однако у кластеров есть и недостатки. По мере наращивания их мощности растет энергопотребление, что приводит к увеличению затрат и требует дополнительного охлаждающего оборудования. Да и площади для размещения кластеров требуются весьма внушительные.

В качестве альтернативы кластерам IBM предлагает свои суперкомпьютеры линейки Blue Gene. Эти вычислительные комплексы отличаются высокой масштабируемостью, благодаря чему теоретически смогут справляться с обслуживанием Web-сервисов любой сложности. В настоящее время исследователи IBM экспериментируют с установкой на суперкомпьютеры ОС Linux в комплекте с традиционным набором Web-приложений (сервер Apache и СУБД MySQL). Правда, о возможных сроках практического использования суперкомпьютеров Blue Gene в качестве Web-серверов пока ничего не известно.

Сложные программные продукты для проведения инженерных расчетов, используемые в НПО «Сатурн», предъявляют высокие требования к производительности и надежности вычислительной платформы, поэтому выбор ее проводился среди ведущих продуктов на рынке высокопроизводительных вычислений. По результатам предварительного тестирования для построения вычислительного кластера были выбраны блейд-серверы IBM на базе процессоров Intel. Предложенное КРОК и IBM решение соответствовало заявленным в техническом задании показателям быстродействия при проведении конструкторских расчетов, емкости и пропускной способности систем хранения и резервного копирования. Главное преимущество предложенного решения — преемственность используемых технологий. НПО «Сатурн» уже два года использует продукты IBM для управления подсистемами кластера, так что новый проект не потребует дополнительных затрат на обучение конструкторов и инженеров. Поэтому специалисты НПО «Сатурн» рассчитывают, что затраты времени на внедрение нового суперкомпьютера сократятся вдвое по сравнению с предыдущим проектом. Использование передовых технологий — обязательное условие при разработке высокотехнологичной продукции. Именно поэтому инженеры и конструкторы НПО «Сатурн» наряду с работой в уже существующих приложениях вводят в технологический процесс современные программные пакеты с широкими функциональными возможностями.

В конце прошлого года Уфимский государственный авиационный технический университет (УГАТУ, www.ugatu.ac.ru), IBM, компания «АйТи»(www.it.ru) и корпорация Intel (www.intel.ru) объявили о запуске самого мощного суперкомпьютера в России, построенного на основе блейд-серверов IBM. УГАТУ, основной вуз России по подготовке специалистов в области авиадвигателестроения, активно сотрудничает с ведущими предприятиями авиационной отрасли, такими, как «Уфимское моторостроительное производственное объединение», «Пермские моторы», «Российская самолетостроительная компания «МиГ», «Самолеты Сухого» и другими. Высокое качество образования и возможности развития новых научных исследований позволят России занять ведущее место на мировом рынке авиастроения, что соответствует приоритетам развития страны. Суперкомпьютер нацелен на использование в инновационной программе обучения «Компьютерное моделирование с применением суперкомпьютерных технологий», а также в преподавании других дисциплин, связанных с ИТ.

Как отмечает ректор УГАТУ Мурат Гузаиров, использование суперкомпьютера повысит качество преподавания целого ряда дисциплин, связанных с математическим моделированием и параллельным программированием, позволит создавать модели процессов, которые физически невозможно воспроизвести в лабораторных условиях даже самых технически оснащенных вузов. Применение технологий высокопроизводительных вычислений позволяет «сжимать» или «растягивать» время любого виртуального эксперимента. Это актуально при исследовании быстротекущих или, наоборот, протекающих очень медленно процессов. Теперь можно моделировать параметры систем в их пограничных состояниях, будь то крайне высокие температуры и давление в гидро- и газодинамике или предельные напряжения в материалах при деформациях.

Средства на создание суперкомпьютера, необходимой инфраструктуры и приспособление помещения — порядка 130 млн руб. — УГАТУ получил из федерального бюджета как один из победителей Всероссийского конкурса инновационных образовательных программ в рамках национального проекта «Образование» в 2007 г. Основным исполнителем проекта стала компания «АйТи» с предложением на базе технологий IBM, победившая в конкурсе в августе 2007 г. В создании суперкомпьютера принимала участие команда специалистов УГАТУ, IBM, Cisco и Rittal. Консультационную поддержку специалистам «АйТи» оказали эксперты компаний Intel и «Т-Платформы».

Основу суперкомпьютера УГАТУ составляют 266 блейд-серверов IBM на базе 532 четырехъядерных процессоров Intel Xeon серии 5345. Расчетная пиковая производительность суперкомпьютера равна 20 TFLOPS. Запущенный суперкомпьютер стал на тот момент самым производительным вычислительным кластером IBM на территории России и СНГ. Следует отметить такие особенности суперкомпьютера УГАТУ, как компактность (всего шесть монтажных шкафов, в которых размещаются шасси с блейд-серверами, управляющие узлы кластера и сеть хранения данных), меньшая по сравнению с аналогами масса всей системы, низкое энергопотребление (потребляемая мощность оборудования кластера — порядка 85 кВт), а главное, впечатляющая для России на тот день производительность. Небольшие размеры суперкомпьютера позволили установить его рядом с дисплейными классами, из которых студенты получают доступ к вычислительным ресурсам системы.

Процессоры Cell в России

Российская компания «Т-Платформы» (www.t-platforms.ru) представила новый проект под названием exCellenT-Platforms, в рамках которого планируется разработка и внедрение широкой линейки комплексных решений на базе процессоров Cell Broadband Engine (ВЕ). Напомним, что микросхемы Cell создавались корпорацией IBM совместно с Sony и Toshiba. Эти процессоры с архитектурой на базе RISC имеют одно центральное и восемь вычислительных ядер. Благодаря такой конструкции Cell обеспечивает очень высокую производительность в вычислениях с плавающей точкой.

Программа exCellenT-Platforms рассчитана на два года и предполагает разработку унифицированных двупроцессорных модулей в стандартном форм-факторе (в том числе 1U). Кроме того, в рамках проекта будет создан специализированный дистрибутив ОС Linux с коммерческой поддержкой, оптимизированный под архитектуру Cell. Компания «Т-Платформы» планирует адаптировать под процессоры Cell и некоторые пакеты прикладных программ. По заявлению представителей компании, решения на базе архитектуры Cell обеспечивают лучшее соотношение цена/производительность для широкого класса приложений по сравнению с решениями на основе процессоров х86. Новые вычислительные комплексы, как ожидается, найдут применение в промышленности, сфере молекулярной биологии, нанотехнологий, медицины, аэрокосмических и военных исследований, коммуникационных приложений и финансовых расчетов. Вычислительные комплексы на основе процессоров Cell уже использует не только IBM, но и, например, компания Mercury Computer Systems (www.mc.com).

По словам представителей IBM, при создании суперкомпьютера УГАТУ были в полной мере использованы международный опыт корпорации в области создания суперкомпьютеров, а также ключевые преимущества фирменных технологий энергосбережения, охлаждения, управления сложными системами. Суперкомпьютер УГАТУ имеет классическую для подобных систем массивно-параллельную архитектуру, но на стадии проработки технических решений было решено использовать самые современные технологии. Применение блейд-серверов IBM позволило снизить потребляемую мощность, уменьшить занимаемую площадь и упростить управление серверами. Объединение блейд-серверов в единую систему выполнено с помощью высокоскоростной технологии InfiniBand на базе 288-портового коммутатора Cisco с неблокируемой коммутационной матрицей, что гарантирует минимальные задержки в межпроцессорном взаимодействии. Для отвода тепла от оборудования в закрытом пространстве серверных стоек используется модульная система воздушно-водяных теплообменников Rittal LCP.

При создании вычислительного кластера особое внимание уделялось как надежности оборудования (этим и был обусловлен выбор серверов IBM), так и отказоустойчивости системы в целом. Это потребовало применения ИТ-решений, чаще использующихся в корпоративном секторе, чем в образовании. Так, управляющие узлы кластера, сеть хранения данных, все узлы системы охлаждения и система электропитания полностью резервированы. Благодаря модульному строению вычислительной системы можно использовать внутреннее резервирование и горячую замену компонентов в процессе работы. Для обеспечения безотказной работы кластера контролируются параметры окружающей среды (температура и влажность воздуха в серверных шкафах и на теплообменниках), утечки жидкости из системы охлаждения, открытие и закрытие дверок серверных шкафов, задымление внутри шкафов. О критических изменениях всех параметров администраторы вычислительной системы моментально получают уведомление — по электронной почте и в виде SMS на свой сотовый телефон — от системы мониторинга Rittal CMC-TC.

Универсальность, гибкость и возможности развития массивно-параллельных систем в значительной степени зависят от ОС для узлов кластера, ПО для управления компонентами кластера, диспетчеризации и управления заданиями, быстрого и надежного доступа к данным. В суперкомпьютере УГАТУ используются ОС Red Hat Enterprise Linux 4 AS/WS и специализированное ПО управления кластерными системами IBM Cluster Systems Management, IBM Tivoli Workload Scheduler, General Parallel File System (GPFS), а также ПО для обеспечения информационной безопасности Tivoli Access Manager for Enterprise Single Sign-On (TAM SSO) с дополнительными модулями Provisioning Adapter, Desktop Password Reset Adapter и Authentication Adapter. Идеальная совместимость серверного оборудования и кластерного ПО IBM позволила с помощью ПО IBM Director организовать централизованное управление всеми элементами суперкомпьютера. Отметим, что УГАТУ получил ПО IBM бесплатно как участник программы поддержки образовательных учреждений IBM Academic Initiative.

Суперкомпьютер для МСЦ РАН

Осенью прошлого года Межведомственный суперкомпьютерный центр Российской академии наук (МСЦ РАН, www.jscc.ru) приступил к построению суперкомпьютера с пиковой производительностью 100 TFLOPS для проведения научных вычислений. Систему совместно создавали специалисты МСЦ РАН, корпораций HP (www.hp.com) и Intel. Благодаря новейшим решениям HP и Intel, а также многолетнему опыту МСЦ РАН в области высокопроизводительных вычислений, в суперкомпьютерном центре будет построена самая мощная в России вычислительная система, которая, по оценкам специалистов, войдет в пятерку самых мощных суперкомпьютеров Европы и в число 50 самых высокопроизводительных систем в мире. Строящийся в России кластер впервые в истории развития суперкомпьютеров столь высоко оценен международным ИТ-сообществом.

Межведомственный суперкомпьютерный центр РАН создан в 1996 г. совместным решением Президиума РАН, Министерства науки и технологий РФ, Министерства образования РФ и Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) и является государственным научным учреждением. Основная задача МСЦ РАН — обеспечить российских ученых современными вычислительными, информационными и телекоммуникационными ресурсами. МСЦ РАН располагает несколькими высокопроизводительными системами на базе различных платформ, среди которых, в частности, кластеры МВС-50K производительностью 7,7 TFLOPS с 320 двухъядерными процессорами Intel Xeon 5160 и МВС-6000IM производительностью 1,64 TFLOPS с 256 процессорами Intel Itanium 2. Коммуникационные каналы со скоростью передачи данных до 10 Гбит/с связывают МСЦ РАН с российскими и зарубежными научными и образовательными институтами. Ресурсы МСЦ РАН используют 958 пользователей из 87 научных и образовательных институтов.

Современные средства ИТ способствуют ускорению фундаментальных исследований и увеличению научного и технологического потенциала страны. Несмотря на высокий уровень российской науки, 10 лет назад многие задачи, требующие серьезных вычислений, либо не принимались к рассмотрению в силу отсутствия подходящего вычислительного ресурса, либо решались на суперкомпьютерах за рубежом. Поэтому руководство РАН приняло решение о создании информационно-вычислительной инфраструктуры мирового уровня как необходимого и эффективного инструмента для проведения научных исследований. Задачей МСЦ стало создание и ускоренное развитие такой инфраструктуры. В ближайшее время новый суперкомпьютер станет ее ключевым элементом, что не только откроет российским ученым новые горизонты в проведении исследований, но и даст возможность эффективно развивать и расширять международное научное сотрудничество, в том числе и в создании глобальной инфраструктуры.

Суперкомпьютер для «Формулы-1»

Команда «Формулы-1» AT&T Williams (www.attwilliams.com) использует высокопроизводительный суперкомпьютер, установленный компанией Lenovo (www.lenovo.com) на базе команды в Великобритании, для проведения испытаний гоночного болида в аэродинамических трубах. Аэродинамика играет решающую роль в определении того, насколько успешным будет выступление команды в каждом Гран-при. Оптимальный баланс между прижимной силой и сопротивлением варьируется от трассы к трассе. Так, аэродинамика автомобиля в гонке в Монако, где много крутых поворотов с небольшим количеством прямых, существенно отличается от аэродинамики, например в Монца, где мало поворотов, но много длинных прямых отрезков. Высокая производительность суперкомпьютера Lenovo позволяет изучить возможности настройки автомобиля между трассами, что, как ожидается, ускорит технологическое развитие команды и ее результативность.

Суперкомпьютер используется для исследований в области вычислительной гидрогазодинамики. Изучается влияние на аэродинамику таких переменных, как рельеф поверхности, поведение колес и рельеф трассы. К примеру, команда инженеров может анализировать влияние изменения кривизны поверхности болида с целью увеличения прижимной силы и уменьшения сопротивления машины. Новая система выполняет миллионы операций, моделируя воздушный поток на треке вокруг 3D-модели гоночного болида. Подобный процесс помогает прогнозировать влияние незначительных изменений компонентной базы на сопротивление и прижимную силу болида, что напрямую влияет на скорость и управляемость автомобиля. Моделирование аэродинамических процессов проводится в комбинации с испытаниями автомобилей в двух аэродинамических трубах. Компьютерные показатели аэродинамических процессов позволят команде AT&T Williams существенно сократить время на исследования и сконцентрироваться на построении лучших решений для испытаний болидов в трубе и на треке.

Максимальная производительность нового суперкомпьютера достигает 8 TFLOPS, что в четыре раза превышает показатели предыдущего решения, используемого командой AT&T Williams. Новый суперкомпьютер ускорит моделирование аэродинамических процессов примерно на 75%.

Новый высокопроизводительный суперкомпьютер не только сократит в несколько раз сроки решения сложных научно-исследовательских задач, требующих больших вычислительных затрат, но и даст возможность приступить к новым задачам в области физики, астрономии, биологии, химии. Планомерное развитие вычислительных мощностей МСЦ РАН и применение стандартных технологий обеспечит российским ученым использование ИТ на уровне мировых научных держав и будет способствовать взаимной интеграции российского и мирового научных сообществ. Эксперты отмечают гигантский рост вычислительных мощностей МСЦ — почти в 5000 раз. Среди успешно решаемых задач — как традиционные проблемы аэро- и космодинамики, теплоэнергетики, экологии, так и проблемы, связанные с изучением и развитием нанотехнологий. Говоря о последних, уместно отметить результаты, полученные при моделировании шумопоглощающих покрытий и конструкций автомобилей, новых устройств полупроводниковой наноэлектроники, новых лекарств, иммуномодуляторов и т. д. Все это было бы невозможно без разработки и построения новых вычислительных мощностей, ориентированных на применение высокопроизводительной многоядерной вычислительной техники.

В рамках пилотного проекта модернизации вычислительной системы в МСЦ был развернут кластер, состоявший из 160 блейд-серверов НР BladeSystem c-Class на базе двухъядерных процессоров Intel Xeon 5160 и архитектуры InfiniBand. На момент внедрения кластера это была одна из крупнейших в мире установок на базе блейд-серверов c-Class; производительность вычислительной системы достигала 7,7 TFLOPS. В рамках второго этапа проекта МСЦ РАН совместно с компаниями HP и Intel инициировали расширение вычислительного кластера до 470 блейд-серверов HP ProLiant BL460c (3760 вычислительных ядер) на базе четырехъядерных процессоров Intel Xeon 5365, что в самое ближайшее время увеличит пиковую производительность системы до 45 TFLOPS. После завершения третьего этапа проекта пиковая производительность вычислительной системы достигнет 100 TFLOPS.

Благодаря использованию самых современных блейд-технологий НР на базе четырехъядерных процессоров Intel суперкомпьютер МСЦ максимально компактен — он займет лишь 18 стандартных серверных стоек. В результате система окажется в 1,8 раза компактнее аналогичного решения на базе стандартных стоечных серверов и будет потреблять на 13% меньше электроэнергии.

Суперкомпьютер против СПИД

В этом году исследователи из Университета Эдинбурга и научного центра IBM имени Т. Дж. Уотсона объявили о запуске совместного пятилетнего проекта, цель которого — ускорить разработку лекарств, препятствующих распространению вируса иммунодефицита человека (HIV, ВИЧ). Наряду с проведением лабораторных экспериментов проект предусматривает применение суперкомпьютера для моделирования процессов на клеточном уровне. В проекте будут использованы мощные вычислительные технологии, в частности, суперкомпьютер IBM Blue Gene, в сочетании с новой экспериментальной методикой. Основные усилия будут сконцентрированы на исследовании собственно процесса инфицирования путем разработки ингибиторов (замедлителей химических реакций и биологических процессов) для той части вируса иммунодефицита человека, который отвечает за внедрение генетического материала ВИЧ в человеческую клетку. Новый аспект сотрудничества ученых состоит в попытке разработать серию разных ингибиторов для одновременного применения и с их помощью предотвратить возможность мутации «хитрого» вируса в ответ на лекарственную терапию с использованием одиночных ингибиторов.

Университет Эдинбурга находится на переднем крае использования технологий высокопроизводительных вычислений, предоставляя возможности решения широкого спектра задач на суперкомпьютере многим университетам в Европе. В 2004 г. университет развернул первый в Европе суперкомпьютер серии IBM Blue Gene для помощи британским ученым в проведении самых разнообразных научных исследований, требующих выполнения ресурсоемких вычислений. Ученые отмечают, что полученные первые результаты весьма обнадеживают. Они подтверждают, что с помощью моделирования процессов на компьютере можно узнать, какие молекулы ингибиторов способны остановить вирус ВИЧ и предотвратить заражение людей. Эти данные могут затем использоваться фармацевтическими компаниями для быстрой разработки соответствующих лекарств. Это принципиально новый подход к созданию лекарств, в нем используются сложные алгоритмы моделирования в сочетании с экспериментальными методиками для разработки улучшенных способов лечения, и теперь появилась возможность привлечь огромные вычислительные ресурсы, чтобы делать эту работу быстро, эффективно и рационально.

Основные усилия участников проекта будут сконцентрированы на исследовании процесса инфицирования — для более глубокого и системного понимания того, как вирус HIV-1 атакует клетку и внедряется в ее генетический материал. Ученые изучают фрагмент поверхностного белка вируса (пептида), который в наибольшей степени определяет ответную реакцию иммунной системы человека на вирусную атаку. Понимание структуры и поведения пептида даст возможность одновременно разработать множество лекарств комбинированного (или совместного) применения для борьбы с инфицированием. Совместный проект, реализуемый в рамках сотрудничества Университета Эдинбурга и IBM, использует атомистические способы моделирования и специальное ПО, выполняемое на суперкомпьютере с массовым параллелизмом IBM BlueGene/L, в комбинации с высокоточными экспериментальными методиками исследования свойств аминокислот и малых пептидов (строительных блоков белка). Результаты этих исследований должны сыграть ключевую роль в создании нового метода антивирусной терапии, основанного на одновременной разработке множества лекарств для комплексной борьбы с мутирующим вирусом.

Исследования в области онкогенеза

Университет штата Алабама в Бирмингеме приобрел у корпорации IBM суперкомпьютер Blue Gene/L, в три раза увеличив свои вычислительные ресурсы. Новый суперкомпьютер с производительностью 5,6 TFLOPS существенно расширит возможности университета в области вычислительной биологии и молекулярного моделирования. Blue Gene/L поможет исследователям проводить углубленное имитационное моделирование таких биологических процессов, как протекание крови в артериях и капиллярах в районе новообразований. Эта система будет использоваться при проведении медицинских исследований и в имитационном моделировании, а также для нахождения способов сдерживания и полной остановки биологической активности в тканях человека, что приводит к новообразованиям и другим заболеваниям, представляющим угрозу для жизни. Суперкомпьютер Blue Gene/L подтвердил свои возможности в качестве самого многообещающего инструмента для проведения имитационного моделирования на уровне микросекунд и менее.

Это не первый глобальный проект по борьбе со СПИДом, в котором примет участие корпорация IBM. В прошлом году исследовательская лаборатория IBM в Хайфе в сотрудничестве с группой европейских партнеров разработала интегрированную систему лечения СПИД под названием EUResist. Благодаря интеграции баз данных и современных средств анализа данных система EUResist может прогнозировать реакцию генетических модификаций ВИЧ на определенную антивирусную терапию. Возможности EUResist, таким образом, позволят врачам выбирать наиболее эффективные лекарства и их комбинации и оптимизировать методы лечения.

Задачи гидроэнергетики

Активно развивая гидроэнергетику как экологически чистую альтернативу традиционным источникам энергии, исследовательская организация Turboinstitut, специализирующаяся в области гидроэнергетических технологий, обратилась к IBM с просьбой о развертывании мощного суперкомпьютера. Новый суперкомпьютер на базе ОС Linux, названный Adria и установленный в недавно открытом в Любляне (Словения) Центре высокопроизводительных вычислений (Ljubljana Supercomputing Center), стал самым мощным суперкомпьютером в Юго-Восточной Европе. Turboinstitut будет использовать его для ускоренного моделирования сложных процессов в работе гидротурбин. Выполняя вычисления в 50 раз быстрее, чем существующие системы, Adria сократит продолжительность экспериментов с недель до нескольких часов. Новая вычислительная система будет способствовать ускорению реализации программы исследований и разработок Turboinstitut в области гидроэнергетики и внедрению энергетическими компаниями во всем мире этих инновационных технологий в качестве альтернативы существующим источникам энергии.

Суперкомпьютер Adria, 2048-ядерная система, использующая 256 серверов IBM BladeCenter, каждый из которых оснащен двумя четырехъядерными процессорами и оперативной памятью емкостью 4100 Гбайт, станет, как ожидается, одним из самых быстродействующих Linux-кластеров. В нем применяются новейшие решения IBM для снижения энергопотребления. Развертывание системы осуществляют специалисты регионального отделения IBM Slovenia и бизнес-партнера компании SIMT.

Суперкомпьютеры в Китае

Пекинское метеорологическое бюро (Beijing Meteorological Bureau, BMB) приобрело новый суперкомпьютер IBM, который будет использоваться для прогнозирования погоды и контроля воздушной среды. Система способна охватить до 44 тыс. кв. км территории и предоставлять ежечасные количественные прогнозы погоды по каждому квадратному километру. Вычислительная мощность нового компьютера, построенного на базе IBM System p575, будет в 10 раз превосходить аналогичный показатель системы прогнозирования погоды, используемой ранее пекинским метеоцентром. Наряду с почасовыми прогнозами погоды суперкомпьютер будет также применяться для прогнозирования характеристик воздушной среды. Главная задача новой вычислительной системы BMB — повысить точность метеорологических прогнозов в областях, прилегающих к Пекину. Суперкомпьютер IBM позволит более точно прогнозировать количественные характеристики погоды в районе Пекина и во время Олимпийских игр, и после их завершения. Этот 80-узловой кластер на базе сервера IBM System p575, оснащенный процессорами POWER5+, демонстрирует пиковую производительность 9,8 TFLOPS. Благодаря такой базовой конфигурации новая вычислительная система пекинского метеоцентра войдет в первую десятку самых быстродействующих суперкомпьютеров в Китае.

Интересно, что Китайский научно-технический университет разработал собственный суперкомпьютер KD-50-I на основе созданных в КНР процессоров Loongson 2F. Эти 64-разрядные процессоры (ранее известные как Godson) работают на тактовой частоте в 1,2 ГГц и по производительности сравнимы с процессорами Intel Pentium 4. В вычислительном комплексе KD-50-I, как отмечается на сайте Китайской академии наук, используется примерно 330 процессоров Loongson 2F, которые в сумме обеспечивают производительность около 1 TFLOPS. В Китае уже существуют суперкомпьютеры с подобным и более высоким быстродействием, однако собраны они на основе компонентов компаний IBM, Intel и AMD. В системе же KD-50-I применены исключительно собственные разработки и технологии КНР. Суперкомпьютер KD-50-I по размерам сравним с бытовым холодильником, его энергопотребление составляет порядка 6 кВт. Строительство вычислительного комплекса обошлось в 800 тыс. юаней (приблизительно 112 тыс. долл.). На 2008 г. в Китае запланировано создание гораздо более мощного суперкомпьютера на основе процессоров Loongson — ожидается, что производительность будущего комплекса достигнет уже 100 TFLOPS. С такими показателями быстродействия китайский суперкомпьютер мог бы попасть в первую десятку текущего рейтинга ТOP500.

Суперкомпьютер для NASA Не секрет, что суперкомпьютеры играют важнейшую роль при решении многих задач, стоящих перед агентством NASA, включая проектирование новых космических аппаратов, изучение глобального климата и проведение астрофизических исследований. Для оценки технологий нового поколения на соответствие собственным требованиям к будущим суперкомпьютерам NASA выбрала суперкомпьютер IBM System p575+. Эта система IBM установлена в суперкомпьютерном центре NASA Advanced Supercomputing (NAS, www.nas.nasa.gov) при Эймсовском исследовательском центре в Моффет-Филд (шт. Калифорния), где она проходит тестирование и оценку. Новая система, укомплектованная 640 процессорными ядрами и имеющая пиковую производительность около 5,6 TFLOPS, дополнит имеющуюся в NASA систему Columbia, которая на сегодняшний день занимает восьмое место в списке самых быстрых суперкомпьютеров мира.

Согласно многочисленным прогнозам, на протяжении нескольких следующих лет потребности NASA в компьютерах высшего класса будут нарастать, поэтому необходимо своевременно переходить на более совершенные технологии. Центр NAS поддерживает ученых и инженеров в масштабе всей страны, работающих в таких областях, как проектирование космических аппаратов, совершенствование моделей для прогнозирования климатических изменений и ураганов, исследование механизмов солнечной активности и т. д. Многие проекты NASA требуют масштабных и сложных вычислений, детального математического моделирования — эффективное решение этих задач возможно только с помощью суперкомпьютера. Так, проводимые учеными NASA исследования позволяют инженерам ускорить проектирование и создание более безопасных и более совершенных космических летательных аппаратов, а компьютерное имитационное моделирование дает возможность получать адекватные прототипы для проведения виртуальных тестов, что существенно сокращает потребность в дорогостоящих натурных испытаниях.

В проекте технологической модернизации центра NAS использовался комплексный набор тестов, позволяющих оценить производительность системы при выполнении специфических приложений агентства NASA и измерить пропускную способность при выполнении рабочих нагрузок в сложной, высокопроизводительной вычислительной среде. Приобретение суперкомпьютера IBM p575+ — первый из четырех этапов модернизационного процесса, итогом которого станет замена суперкомпьютерной системы Columbia. Эта поэтапная замена соответствует требованиям проводимой NASA программы Strategic Capabilities Assets Program (SCAP) к вычислительным системам высшего класса, призванным удовлетворить потребности NASA в суперкомпьютерных ресурсах.

Энергоэффективность суперкомпьютеров

Самые мощные на сегодня суперкомпьютеры мира, системы семейства Blue Gene IBM, признаны также наиболее энергоэффективными среди систем из рейтинга TOP500. Список Green500 (www.green500.org), ранжирующий ведущие суперкомпьютеры мира по эффективности энергопотребления, дополняет рейтинг TOP500; его составлением руководят профессоры Кирк Кэмерон и Ву Фэн из Политехнического института штата Вирджиния. В этом новом рейтинге суперкомпьютеры IBM Blue Gene занимают 26 из 27 высших позиций. По данным сайта www. green500. org, система Blue Gene — самый энергоэффективный компьютер в мире. Эта система специально разрабатывалась для того, чтобы обеспечивать максимальную производительность в расчете на киловатт потребляемой электроэнергии. Для выполнения 40 млрд операций Blue Gene/P потребляет столько же электроэнергии, сколько обычная лампочка мощностью 100 Вт.

Флагманом портфеля петафлопс-систем IBM призван стать компьютер с кодовым именем Roadrunner, который планируется развернуть в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса Министерства энергетики США в этом году. Эта система на гибридной процессорной платформе, сочетающей тысячи процессоров от AMD (которые применяются в обычных ПК) и процессоры Cell Broadband Engine, будет способна преодолеть барьер быстродействия уровня петафлопс. Благодаря комбинации двух передовых процессорных технологий Roadrunner будет потреблять меньше электроэнергии (в сравнении с системами аналогичной суммарной производительности), что даст возможность формировать операционные вычислительные среды с высокой степенью энергетической эффективности.

А вот в суперкомпьютере Maxwell, построенном в Эдинбургском университете, вместо обычных микропроцессоров применяются программируемые логические матрицы FPGA (Field Programmable Gate Arrays). Машины на базе FPGA компактнее и выделяют значительно меньше тепла, чем традиционные компьютеры. Разработчики убеждены, что Maxwell положит начало новому поколению компактных и энергетически эффективных вычислительных устройств. Суперкомпьютер занимает всего две компьютерные стойки в Эдинбургском центре параллельных вычислений (EPCC). Впрочем, Марк Персонс, коммерческий директор EPCC и соразработчик Maxwell, признает, что для коммерческих целей эту машину использовать пока трудно. Однако он убежден, что в ближайшие два-три года проблема будет решена, и технология FPGA пойдет в гору. Компьютер прошел испытания на сложных задачах для нефтегазовой промышленности, индустрии финансовых услуг и медицины. При решении финансовых задач Maxwell давал выигрыш в быстродействии от двух до 300 раз по сравнению с эквивалентной системой на основе стандартных микропроцессоров. Maxwell разработан за два года возглавляемым EPCC объединением FPGA High Performance Computing Alliance. Проект стоимостью 3,6 млн фунтов стерлингов финансировало Агентство по развитию предпринимательства Scottish Enterprise. Компьютер спроектирован и построен шотландскими компаниями Nallatech и Alpha Data с применением технологии FPGA от Xilinx.

Эксперты IBM Research отмечают, что научные исследования и разработки техпроцессов, связанные с увеличением плотности упаковки вычислительных ядер на одном кристалле микросхемы, активно ведутся как IBM, так и другими организациями отрасли, однако современные технологии внутренних коммуникаций на уровне микросхемы развивались слишком медленно, чтобы быть в состоянии поддержать рост обмена данными между вычислительными ядрами (напомним, что один из самых инновационных на сегодня кристаллов в мире, разработанный с участием IBM процессор Cell, содержит девять процессорных ядер на одной микросхеме). Новое научное достижение исследователей IBM можно по праву назвать важнейшим шагом на пути создания значительно более компактного и энергетически эффективного способа организации каналов обмена данными между ядрами на микросхеме — с помощью импульсов света через слои кремния, а не электрических сигналов по проводам. Применяя световые импульсы вместо проводов, можно в 100 раз увеличить скорость обмена информацией между ядрами и затратить при этом в 10 раз меньше электроэнергии.

10 PFLOPS к 2010 г.

Японские ученые из корпорации NEC и Токийского технологического института разработали новую методику передачи данных между процессорами в суперкомпьютерных системах. Как ожидается, в перспективе эта методика приведет к появлению сверхмощных вычислительных комплексов. Суть новой технологии сводится к замене традиционных типов соединений оптическими линиями связи; электрические сигналы предлагается преобразовывать в световые импульсы при помощи лазерных диодов. Теоретически данная методика может повысить скорость обмена информацией между отдельными кристаллами в вычислительной системе до 25 Гбит/с. Для сравнения: наиболее эффективные соединения, применяющиеся в настоящее время, обеспечивают пропускную способность порядка 10 Гбит/с, т. е. прирост быстродействия может составить 250%. Эксперты отмечают, что система, созданная исследователями из Японии, позволит создавать суперкомпьютеры с производительностью до 10 PFLOPS. По мнению японских исследователей, первые вычислительные системы, построенные с применением новой технологии передачи данных, могут появиться уже в 2010 г.

Это достижение позволило создать уникальную энергетически эффективную методику беспроводных межсоединений сотен или тысяч ядер, расположенных на одной микросхеме. Оптический модулятор IBM выполняет функцию преобразования цифрового электрического сигнала, передаваемого по проводам, в серию световых импульсов, которые распространяются по кремниевому нанофотонному волноводу. Сначала луч лазера (исходного источника света) направляется на оптический модулятор, выступающий в роли быстродействующего «затвора» — своеобразной шторки, которая, открываясь и закрываясь, пропускает или задерживает лазерный луч на его пути в выходной волновод. Когда цифровой электрический импульс поступает от процессорного ядра в модулятор, «шторка» на мгновение открывается, и короткий импульс света пропускается к выходному оптическому волноводу. Именно таким образом происходит модуляция оптического луча входного лазера, и модулятор преобразует поток «единиц» и «нулей» цифровых битов электрического сигнала в световые импульсы.

Устройство, выполняющее функцию преобразования электрических сигналов в световые импульсы, известно в отрасли как кремниевый электрооптический модулятор Маха-Цандера. Размер модулятора, созданного учеными IBM, в 100 или даже 1000 раз меньше продемонстрированных ранее аналогичных модуляторов, что открывает широкие возможности интеграции множества таких устройств — а в перспективе и готовых оптических сетей с маршрутизацией — в одной микросхеме. Это значительно сократит стоимость, энергопотребление и тепловыделение при одновременном повышении в сотни раз пропускной способности каналов обмена данными между ядрами по сравнению с микросхемами, использующими медные проводники. Во многом благодаря прорыву ученых IBM суперкомпьютеры, состоящие из тысяч отдельных процессорных блоков, соединенных километрами медных проводов, смогут однажды поместиться в персональный ноутбук. В то время как современные суперкомпьютеры используют количество электроэнергии, сопоставимое с энергопотреблением сотен домов, будущие «суперкомпьютеры на микросхеме» будут расходовать примерно столько же электрической энергии, сколько потребляет обыкновенная электрическая лампочка.