Superra?unalnik je najhitrej?a, najmo?nej?a vrsta ra?unalnika , sposobna svoje osnovne ukaze izvr?iti v pikosekundah (10 ^-12 s), namesto v nanosekundah (10 ^-9 s) kot ve?ina drugih ra?unalnikov.

Za doseganje teh izrednih hitrosti superra?unalniki hkrati uporabljajo ve? procesorjev, poslu?ujejo pa se tudi razli?nih drugih tehnik, na primer ohlajanja procesorjev na zelo nizke temperature , kar omogo?a hitro delovanje vezij brez te?av s pregrevanjem. Superra?unalniki se na primer uporabljajo pri napovedovanju vremena , dinamiki teko?in , aerodinamiki , termodinamiki ( prenos toplote ), umetni inteligenci , simulacijah v biologiji , kvantni kromodinamiki , ... Znani proizvajalci superra?unalnikov so: CDC , Cray Research , Fujitsu , Hitachi , IBM , Intel , NEC , Thinking Machines .

Zgodovina [ uredi | uredi kodo ]

Zgodovina superra?unalnikov se?e v 1960-ta leta, ko je Seymour Cray z inovativnimi zasnovami in paralelizmom izdelal niz ra?unalnikov v dru?bi Control Data Corporation (CDC). Ti ra?unalniki so dosegali izredno ra?unsko mo?. ^[2] Ra?unalnik CDC 6600 , izdelan leta 1964, v splo?nem velja za prvi superra?unalnik. ^{[3] [4]} CDC je bil trikrat hitrej?i od svojega predhodnika IBM 7030 Stretch . Z zmogljivostjo pribli?no 1 MFLOPS je bil med letoma 1964 in 1969 najhitrej?i, ko ga je prehitel CDC 7600 .

Cray je leta 1972 zapustil CDC in ustanovil svoje podjetje. ^[5] ?tiri leta kasneje je leta 1976 ponudil 80 MHz Cray-1 , ki je postal eden najuspe?nej?ih supera?unalnikov. ^{[6] [7]} Cray-2 , narejen leta 1985 , je bil 8 procesorski kapljevinsko hlajeni ra?unalnik, hladilno teko?ino Fluorinert pa je med njegovim delovanjem ?rpala ?rpalka. Deloval je z zmogljivostjo 1,9 GFLOPS in bil najhitrej?i do leta 1990. ^[8]

V 1980-ih so imeli superra?unalniki le nekaj procesorjev, v 1990-ih pa so se za?eli pojavljati stroji z ve? tiso? procesorji, tako v ZDA kot na Japonskem, in so postavili nove rekorde ra?unske zmogljivosti. Fujitsujev superra?unalnik Numerical Wind Tunnel je uporabljal 166 vektorskih procesorjev in je imel leta 1994 najve?jo zmogljivost 1,7 GFLOPS na procesor. ^{[9] [10]} Hitachi SR2201 je leta 1996 dosegel rekord 600 GFLOPS in imel 2048 procesorjev povezanih prek hitre trirazse?ne mre?e. ^{[11] [12] [13]} Intel Paragon je imel 1000 do 4000 procesorjev Intel i860 v razli?nih konfiguracijah in je bil leta 1993 najhitrej?i. Paragon je imel zgradbo MIMD , v kateri so bili procesorji povezani s hitro dvorazse?no mre?o, kar je omogo?alo, da se procesi izvajajo v odvojenih to?kah in komunicirajo prek sistema MPI . ^[14]

Strojna oprema in arhitekture [ uredi | uredi kodo ]

Pristopi k superra?unalni?kim arhitekturam so se dramati?no spremenili odkar so bili v 60-ih letih vplejani prvi sistemi. Zgodnje superra?unalini?ke arhitekture, ki so bile vpeljane s strani Seymour-ja Cray-a so temeljile na kompaktnih inovativnih pristopih ter lokalnemu paralelizmu za doseganje vi?jih zmogljivosti. ?ez ?as je potreba po pove?anih ra?unskih zmogljivostih pripreljala do dobe masivno paralelnih sistemov.

Medtem ko so superra?unalniki v 70-ih uporabljali le nekaj procesorjev, so se v 90-ih za?eli pojavljati sistemi z ve? tiso? procesorji. Proti koncu 20-ega stoletja pa so bili ?e ustaljeni masivno paralelni sistemi z ve? deset tiso? nespecializiranih (ang: off-the-shelf) procesorjev. Superra?unalniki 21-ega stoletja lahko uporabljajo ?e ve? kot 100.000 procesorjev (nekateri tudi koprocesorje), ki so povezani z izjemno hitrimi povezavami.

Skozi desetletja, upravljanje z gosto toplotnega toka ostaja klju?no vpra?anje za ve?ino centraliriziranih superra?unalnikov. Veliko ustvarjene toplote, ki jo proizvede sistem ima lahko tudi druge vplive npr. kraj?anje ?ivljenjske dobe sistemskih komponent. Bilo je ?e veliko razli?nih pristopov k re?evanju tega problema od ?rpanja Fluorinerta skozi sistem do hibridnih hladilnih sistemov kot so ≫kapljevina-zrak≪ ali zra?no hlajenje z klima ]tskimi napravami.

Poraba energije in upravljanje s toploto [ uredi | uredi kodo ]

Tipi?en superra?unalnik porabi velike koli?ine elektri?ne energije, katere je ve?ina spremenjene v toploto, ki jo je potrebno hladiti. Zgled, Tianhe-1A porabi 4,04 Megawatta elektri?ne energije. Cena napajanja in hlajenja sistema je zato zelo visoka, npr. 4 MW pri 0,7 €/kWh je 280 €/h kar zna?a pribli?no 2,5 milijona evrov na leto.

Upravljanje toplote je velik problem v kompleksnih elektronskih napravah, in vpliva na zmogljive ra?unalni?ke sisteme na razli?ne na?ine. Velika koli?ina toplote ki jo ustvarja CPE in vpra?anje odvajanja te toplote v superra?unalni?tvu, presega te v tradicionalnih ra?unalni?kih hladilnih tehnologijah . Nagrade, ki jih prejemajo superra?unalniki za zeleno ra?unalni?tvo odra?ajo to vpra?anje.

Sestavljanje na tiso?e procesorjev skupaj neizogibno ustvarja znatne koli?ine toplote s katero je potrebno nekaj narediti. Cray 2 je bil vodno hlajen in uporabljal tako imenovan ≫hladilni slap≪ s Fluorinertom , ki je pod tlakom tekel skozi module. Vendar pristop potapljanja v hladilno teko?ino ni bil prakti?en za sisteme, ki so sestavljeni iz ve? omar in (ang: off-the-shelf ) procesorjev. Zato so za System x v sodelovanjz s podjetjem Liebert razvili posebn hladilni sistem, ki je kombinacija klimatske naprave in vodnega hlajenja.

Energetska u?inkovitost ra?unalni?kih sistemov se obi?ajno meri v FLOPS/Watt. Leta 2008 je IBMjev Roadrunner deloval pri 376 MFLOPS/Watt. Novembra 2010 je Blue Gene/Q dosegel 1684 MFLOPS/Watt. Junija 2011 sta najvi?je dve mesti na lestivici ≫ Green 500 ≪ zasedla Blue Gene ra?unalnika v New Yorku z 2097 MFLOPS/W, tretje mesto je pa zasedel DEGIMA cluster v Nagasakiju z 1375 MFLOPS/W.

Programska oprema in upravljanje [ uredi | uredi kodo ]

Operacijski sistemi [ uredi | uredi kodo ]

Od konca 20-ega stoletja so superra?unalni?ki operacijski sistemi do?iveli precej sprememb. Medtem ko so bili prvi operacijski sistemi namensko narejeni z namenom doseganja ?im bolj?ih zmogljivosti so se trendi premaknili v prid generi?nim operacijskim sistemom kot je na primer Linux .

Programska orodja in message passing [ uredi | uredi kodo ]

Superra?unalni?ke paralelne arhitekture pogosto zahtevajo uporabo posebnih programerskih prijemov, da se lahko izkoristi vsa ra?unska mo?, ki je na voljo. Porgramska orodja za paralelno procesiranje torej uporabljajo standardizirana razvojna okolja kot na primer MPI in PVM , VTL ter druge odprtokodne re?itve kot je na primer Beowulf .

Najpogosteje se uporabljajo okolja kot so PVM in MPI za redko povezane sestave in Open MPI za gosto povezane sestave z deljenim pomnilnikom. Veliko truda je potrebnega za optimiziranje algoritmov na med seboj povezanih strojih, namen tega je da se minimizra ?tevilo neuporabljenih CPE -jev. GPGPUji imajo stotine jeder na eni plo??i. Za upravljanje s takimi arhitekturami se uporabljajo programski jeziki kot so CUDA in OpenCL .

Porazdeljeno superra?unalni?tvo [ uredi | uredi kodo ]

Oportunisti?ni pristopi [ uredi | uredi kodo ]

Oportunisti?no superra?unalni?tvo je oblika mre?nega ra?unalni?tva (ang. grid computing), kjer ≫super virtualni ra?unalnik≪ povezuje veliko prostovoljno povezanih ra?unani?kih naprav, ki morajo ra?unati kompleksne ra?unske probleme. Mre?no ra?unalni?tvo (ang. grid comupting ) je bilo uporabljeno za re?evanje ?tevilnih problemov, ki zahtevajo paralelno re?evanje z mo?jo superra?unalnika. Vendar pa osnovna omre?ja (ang. basic grid) in ra?unalni?tvo v oblaku , ki se zana?ajo na prostovoljno ali globalno ra?unalni?tvo ne zmorejo tradicionalnih superra?unalni?kih nalog, kot so simulacije dinamike teko?in.

Najhitrej?i sistem Mre?nega ra?unalni?tva je ra?unalni?ki projekt Folding@home . Marca 2012 je imel F@h 8,1 petaflopov x86 procesorske mo?i, od tega 5,8 petaflopa so prispevale stranke iz razli?nih grafi?nih procesorjev , 1,7 petaflopa iz playstation 3 konzol, in ostalo iz razli?nih sistemov CPE .

BOINC platforma gosti ?tevilne porazdeljene ra?unalni?ke projekte. Od maja 2011, je BOINC zabele?il ve? kot 5,5petaflopov procesorske mo?i s pomo?jo ve? kot 480.000 aktivnih ra?unalnikov v omre?ju. Najbolj aktiven projekt (merjen po ra?unski mo?i) je MilkyWay@home , ki uporablja 700 teraflopov preko ve? kot 33000 aktivnih ra?unalnikov.

Od maja 2011, GIMPS (Great Internet Mersenne Prime Search ali veliko internetno iskanje Mersennovega ?tevila ), ki ra?una Mersennovo ?tevilo trenutno dosega pribli?no 60 teraflopov preko ve? kot 25.000 registriranih ra?unalnikov. Internet PrimeNet Server podpira pristop mre?nega ra?unanja Mersennovega ?tevila, enega prvih in najbolj uspe?nih mre?nih ra?unalni?kih projektov, od leta 1997.

Kvazi-oportunisti?ni pristopi [ uredi | uredi kodo ]

Kvazi oportunisti?no superra?unalni?tvo je oblika porazdeljenega ra?unalni?tva, kjer ≫super virtualni ra?unalnik≪ sestavljen iz velikega ?tevila geografsko razpr?enih ra?unalnikov povezanih v omre?je, opravlja ra?unske naloge, ki zahtevajo ogromno procesorske mo?i. Namen kvazi-oportunisti?nega visoko zmogljivega ra?unalni?tva je zagotavljati vi?jo kakovost storitve kot oportunisti?no omre?je z bolj?im nadzorom nad dodeljevanjem nalog razpr?enim virom in uporabo podatkov o razpo?ljivosti in zanesljivosti posameznih sistemov znotraj superra?unalni?kega omre?ja.

Merjenje zmogljivosti [ uredi | uredi kodo ]

V splo?nem se zmogljivost sestavov uporablja merska enota 'FLOPS' (FLoating Point Operations Per Second) kar pomeni merilo v ?tevilu izvr?enih ra?unskih operacij s plavajo?o vejico v sekundi in ne 'MIPS' ki merijo ukaze na sekundo in se uporabljajo kot enota za zmogljivost splo?no namenskih ra?unalnikov. Dejansko ?tevilka ne poka?e dejanske zmogljivosti ra?unalnika, je pa Linpack postal standard kot zadovoljivo merilo za pribli?ek ra?unske zmogljivosti sestava.

Top 500 [ uredi | uredi kodo ]

Od leta 1993 se vodi tudi seznam najhitrej?ih superra?unalnikov na svetu na podlagi merila Linpack . Upravljavci seznama ne zagotavljajo da je seznam nepristranski ali dokon?en. Je pa seznam Top500 slo?no uporabljen, kot a?uren seznam 'najhitrej?ih' suppera?unalnikov ob danem ?asu. Seznam se posodablja dvakrat letno in sicer v juniju in novembru na konferencah ISC v Evropi in SC v ZDA.

leto	superra?unalnik	najvi?ja hitrost (Rmax)	lega
2008	IBM Roadrunner	1.026 PFLOPS	Los Alamos, ZDA
		1.105 PFLOPS
2009	Cray Jaguar	1.759 PFLOPS	Oak Ridge, ZDA
2010	Tianhe-I A	2.566 PFLOPS	Tianjin, Kitajska
2011	Fujitsu K computer	10.51 PFLOPS	Kobe, Japonska
2012	IBM Sequoia	17.17 PFLOPS	Livermore, ZDA
2012	Cray Titan	17.59 PFLOPS	Oak Ridge, ZDA
2013	NUDT Tianhe-2	33.86 PFLOPS	Guangzhou, Kitajska
2017	Sunway TaihuLight	93.00 PFLOPS	Wuxi, Kitajska

Uporaba superra?unalnikov [ uredi | uredi kodo ]

Najpogostej?i uporabniki superra?unalnikov so znanstvene in akademske ustanove, uporablja pa se tudi v poslovne namene. Nekaj velikih multinacionalnih bank in korporacija uporablja manj?e superra?unalnike. Uporaba vklju?uje, posebne u?inke v filmih, zbiranje in obdelavo vremenskih podatkov, obdelavo geolo?kih podatkov, podatkov o genetskih zapisih, aerodinamiko, simulacije ter v voja?ke namene. Uporabniki so filmska industrija, vremenske organizacije, vesoljske agencije, vladne organizacije, znanstveni laboratoriji, raziskovalne skupine, voja?ki in obrambni sistemi ter velike korporacije.

Faze uporabe superra?unalnika je mogo?e povzeti v naslednji tabeli:

desetletje	uporaba in sodelujo?i ra?unalniki
1970	vremenske napovedi, aerodinami?ne raziskave ( Cray-1 )
1980	verjetnosnta analiza, modeliranje za??ite pred sevanjem,( CDC Cyber )
1990	razbijanje kode s posku?anjem ( EFF DES cracker )
2000	3d simulacije jedrskih poskusov, zaradi sporazuma pogodbe o ne?irjenju jedrskega oro?ja ( ASCI Q )
2010	simulacija molekularne dinamike ( Tianhe-1A )

Superra?unalniki v Sloveniji [ uredi | uredi kodo ]

Prvi superra?unalnik v Sloveniji, CONVEX C220 , je bil postavljen leta 1990 na In?titutu Jo?ef ?tefan . Imel je dve jedri, vsak z maksimalno u?inkovitostjo 50 MFLOPs.

superra?unalnik	najvi?ja hitrost (Rmax)	zavod/podjetje
Vega	6,9 PFLOPS	Atos [15] [16]
Arctur-2	340 TFLOPS	Arctur [17]
SGI ICE-X	~20 TFLOPS	ARSO
HPCFS-U	7,9+16,3 TFLOPS	Fakulteta za strojni?tvo v Ljubljani
Rudolf	13 TFLOPS	Fakulteta za informacijske ?tudije v Novem mestu
BladeCenter HS21	36,752 GFLOPS	Kolektor Turboin?titut [18]
HPC CORE@UM	5 TFLOPS	Fakulteta za strojni?tvo , Univerza v Mariboru

In?titut Jo?ef ?tefan ima najve? HPC naprav v Sloveniji, ki pa niso povezane v enoten HPC sistem, razpr?ene so po lo?enih raziskovalnih oddelkih (Teoreti?na fizika F-1 , eksperimetnalna fizika osnovnih delcev F-9 in Odsek za reaktorsko tehniko R-4 ^[19] ). Trenutno najve?ji superra?unalnik v zasebni lasti je Arctur 2, ki je lociran na sede?u dru?be Arctur v Novi Gorici in se uporablja za razli?ne simulacije za potrebe industrije. Proizvajalec Arctur-2 je kitajska korporacija SUGON, najve?ji proizvajalec superra?unalnikov v Aziji. ^{[ navedi vir ]}

Vega [ uredi | uredi kodo ]

Slovenski superra?unalnik Vega je bil uradno predstavljen 20. aprila 2021 in je del evropskega skupnega podjetja za visoko zmogljivo ra?unalni?tvo (EuroHPC JU). Nahaja se na In?titutu In?tituta za informacijske znanosti Maribor (IZUM) v Mariboru. To je prvi od osmih na?rtovanih superra?unalnikov (EuroHPC JU). Sistem je dopolnilo lokalno podjetje Atos. Superra?unalnik Vega je skupaj financiral EuroHPC JU s sredstvi EU in In?tituta za informacijske znanosti Maribor (IZUM). Vrednost skupne nalo?be zna?a 17,2 milijona evrov. Vega ima stabilno zmogljivost 6,9 PFLOPS in najve?jo zmogljivost 10,1 PFLOPS. ^{[15] [16]}

Raziskovalni in razvojni trendi [ uredi | uredi kodo ]

Glede na trenutno hitrost napredka, strokovnjaki ocenjujejo, da bodo superra?unalniki dosegli 1 exaflop (1018x10 ³⁰ FLOPS) do leta 2018. Kitajska je naznanila na?rte da bodo imeli superra?unalnik ki bo dosegal hitrosti 1 exaflopa do leta 2018. Uporabljal naj bi intel MIC mnogojedrno procesorsko arhitekturo, ki je intelov odgovor na sisteme z grafi?nimi procesorji, SGI namerava dose?i 500-kratno pove?anje u?inkovitosti do leta 2018, da bi dosegli en exaflop. Vzorci MIC ?ipov z 32 jedri, ki zdru?ujejo vektorske procesne enote s standardnim CPEjem so ?e dostopne. Indijska vlada ima tudi ambicije postaviti superra?unalnik z mo?jo enega eksaflopa do leta 2017.

Erik P. DeBenedictis iz Sandia National Laboratories je podal teorijo, da potrebujemo superra?unalnik z mo?jo enega zetaflopa (1018x10 ³⁶ FLOPS) za natan?en vremenski model , kateri bi bil natan?en za obdobje dveh tednov. Tak?en sistem bi lahko zgradili okrog leta 2030.

Sklici [ uredi | uredi kodo ]

Viri [ uredi | uredi kodo ]