Supertietokone: määritelmä, suorituskyky ja käyttökohteet
Supertietokone – mitä ne ovat, miten suorituskyky mitataan ja mihin niitä käytetään: sääennusteet, genomianalyysit, salauksen murtaminen ja huippututkimus.
Supertietokone on tietokone, joka on suunniteltu käsittelemään erittäin suuria määriä tietoa ja suorittamaan laskutoimituksia paljon nopeammin kuin tavalliset laitteet. Supertietokoneissa on suuri laskentateho ja paljon muisti, ja ne voivat tehdä töitä nopeammin kuin mikään muu saman aikakauden tietokone. Usein ne ovat tuhansia kertoja nopeampia kuin samanaikaiset henkilökohtaiset tietokoneet. Supertietokoneet pystyvät suorittamaan monimutkaisia aritmeettisia ja matemaattisia laskuja erittäin nopeasti. Siksi niitä käytetään esimerkiksi sääennusteisiin, koodien murtamiseen, geneettiseen analyysiin sekä muihin tieteellisiin ja teollisiin tehtäviin, joissa tarvitaan suurta laskentakapasiteettia. Kun tavalliset tietokoneet kehittyvät, niiden suorituskyky saavuttaa aiemmin vain supertietokoneille kuuluneita tasoja, mutta uudet supertietokoneet siirtävät rimaa taas eteenpäin.
Sähköinsinöörit ja tietokonearkkitehdit suunnittelevat supertietokoneita usein yhdistämällä useita tuhansia tai jopa satoja tuhansia suorittavia yksiköitä, kuten mikroprosessoreita.
Suorituskykymittarit
Supertietokoneiden suorituskykyä mitataan yleisesti liukulukutoimituksina sekunnissa (FLOPS). Suurimmat järjestelmät mitataan tera- (10^12), peta- (10^15) ja nykyisin exa- (10^18) FLOPS -luokissa. Yksi tunnettu vertailu on LINPACK-benchmark, jonka tuloksia käytetään muun muassa TOP500-listan koostamiseen—listalla seurataan maailman tehokkaimpia supertietokoneita.
Arkkitehtuuri ja komponentit
Nykyiset supertietokoneet ovat usein klustereita, joissa on valtava määrä laskentayksiköitä (CPU-ytimiä) sekä kiihtyvyysyksiköitä, kuten GPU:t (grafiikkasuorittimet) tai erikoistuneet piirit (esim. TPU:t). Järjestelmät koostuvat solmuista, joiden välillä kommunikoidaan erittäin nopeilla verkkoyhteyksillä. Tällainen rinnakkaislaskenta vaatii tehokasta tiedonsiirtoa, synkronointia ja työkuormien jakamista.
Ohjelmointi ja rinnakkaislaskenta
Supertietokoneiden hyödyntäminen edellyttää rinnakkaisohjelmointia. Yleisiä ohjelmointimalleja ovat esimerkiksi MPI (Message Passing Interface) ja OpenMP, joita käytetään sovellusten hajauttamiseen monelle suorittimelle tai solmulle. Lisäksi kehittäjät optimoivat koodia hyödyntämään sekä CPU:ita että GPU:ita, ja käyttävät erikoiskirjastoja numeeriseen laskentaan.
Käyttökohteet
- Tiede ja tutkimus: ilmasto- ja säämallinnus, kosmologiset simulaatiot, materiaalitutkimus.
- Biotieteet: genomianalyysit, proteiinien rakenteen mallinnus ja lääkeaineiden tutkimus.
- Teollisuus: öljynetsintä ja reservoir-simulaatiot, aerodynamiikan laskelmat, suunnittelu- ja optimointitehtävät.
- Turvallisuus ja salauksenmurtaminen: suuri laskentakapasiteetti auttaa kryptografisten ongelmien tutkimisessa.
- Koneoppiminen ja tekoäly: suurten neuroverkkojen koulutus vaatii valtavasti laskentatehoa.
Energiatehokkuus ja jäähdytys
Supertietokoneet kuluttavat paljon sähköä, joten energiatehokkuus on kriittinen suunnittelukriteeri. Jäähdytysratkaisut vaihtelevat tehokkaasta ilmankierron hallinnasta nestejäähdytykseen ja kokonaan upotettuun jäähdytykseen. Modernit järjestelmät suunnitellaan usein niin, että niistä voidaan hyödyntää myös syntyvää hukkalämpöä.
Kustannukset ja ylläpito
Supertietokoneen rakentaminen ja ylläpito on kallista: laitteisto, erikoisrakennukset, jäähdytys, energiakustannukset ja asiantuntijatyö nostavat kokonaiskustannuksia. Siksi suurin osa supertietokoneista sijaitsee tutkimuskeskuksissa, yliopistoissa, julkishallinnossa tai suurissa yrityksissä, jotka tarvitsevat huippuluokan laskentaa.
Tulevaisuuden suuntaukset
Tavoitteena on siirtyminen exascale-tasolle ja sen ylittäminen, parempi energiatehokkuus sekä entistä tiukempi integraatio tekoälyä nopeuttavien kiihdyttimien kanssa. Samalla kehitys jatkaa rinnakkaisarkkitehtuurien, jättimäisten datamäärien hallinnan ja ohjelmistotyökalujen kehittymistä.
Vaikka tavalliset kotitietokoneet ja pilvilaskenta kehittyvät jatkuvasti, supertietokoneilla on yhä oma roolinsa sovelluksissa, joissa tarvitaan ennennäkemätöntä laskentatehoa, erittäin suurta muistikapasiteettia ja nopeaa tiedonsiirtoa solmujen välillä.
Cray-2, maailman nopein supertietokone vuosina 1985-1989.
Tyypit
Supertietokonetyyppejä ovat jaettu muisti, hajautettu muisti ja matriisit. Jaetulla muistilla varustettuja supertietokoneita kehitetään käyttämällä rinnakkaislaskentaa ja putkitusta. Hajautetulla muistilla varustetut supertietokoneet koostuvat monista (noin 100~10000) solmuista. CRAYRESERCHin CRAY-sarja ja VP 2400/40, HUCISin NEC의 SX-3 ovat jaetun muistin tyyppejä. nCube 3, iPSC/860, AP 1000, NCR 3700, Paragon XP/S, CM-5 ovat hajautetun muistin tyyppejä.
ILIAC-niminen matriisityyppinen tietokone aloitti toimintansa vuonna 1972. Myöhemmin kehitettiin CF-11, CM-2 ja Mas Par MP-2 (joka on myös array-tyyppinen). Supertietokoneita, jotka käyttävät fyysisesti erotettua muistia yhtenä jaettuna muistina, ovat T3D, KSR1 ja Tera Computer.
Supertietokonekeskukset, organisaatiot
Organisaatiot
- DEISA Distributed European Infrastructure for Supercomputing Applications, yksitoista eurooppalaista supertietokonekeskusta yhdistävä järjestelmä.
- NAREGI Arkistoitu 2008-12-23 Wayback Machine -sivustolla Japanilainen NAtional REsearch Grid Initiative, johon kuuluu useita supertietokonekeskuksia.
- TeraGrid Archived 2007-06-30 at the Wayback Machine, kansallinen laitos, joka yhdistää yhdeksän yhdysvaltalaista supertietokonekeskusta.
Keskukset
- BSC Barcelona Supercomputing Center - Espanjan kansallinen supertietokonerakennus ja tutkimus- ja kehityskeskus.
- CESCA Arkistoitu 2008-12-20 Wayback Machine:ssa Katalonian supertietokonekeskus - Centre de Supercomputacio de Catalunya
- CESGA Galician supertietokonekeskus - Centro de Supercomputación de Galicia - Galician supertietokonekeskus (CESGA)
- CeSViMa Madridin supertietokone- ja visualisointikeskus (CeSViMa)
- CINECA CINECA Interuniversity Consortium, Italia
- CINES Centre Informatique National de l'Enseignement Superieur, Ranska.
- CSAR Yhdistyneen kuningaskunnan kansallinen supertietokonepalvelu, jota ylläpitää Manchester Computing.
- EPCC Edinburgh Parallel Computing Centre. Sijaitsee Edinburghin yliopistossa.
- GSIC Global Scientific Information and Computing Center Tokion teknologiainstituutissa.
- EPCC:n, Crayn ja NAG:n (Numerical Algorithms Group) muodostaman konsortion tarjoama HECToR UK:n kansallinen supertietokonepalvelu.
- HPCx Archived 2020-01-03 at the Wayback Machine Yhdistyneen kuningaskunnan kansallinen supertietokonepalvelu, jota EPCC ja Daresbury Lab ylläpitävät.
- IRB Arkistoitu 2008-12-13 Wayback Machine -sivustolle.
- Minnesota Supercomputer Institute (entinen Minnesota Supercomputer Center), jota hallinnoi Minnesotan yliopisto.
- NASA Advanced Supercomputing facility
- Kansallinen ilmakehätutkimuskeskus (NCAR)
- Kansallinen supertietokonesovellusten keskus (NCSA)
- Kansallinen energiatutkimuksen tieteellinen laskentakeskus (NERSC)
- Ohion supertietokonekeskus (OSC)
- Pittsburghin yliopiston ja Carnegie Mellonin yliopiston ylläpitämä Pittsburgh Supercomputing Center.
- San Diegon supertietokonekeskus (SDSC)
- SARA Archived 2006-02-08 at the Wayback Machine (Stichting Academisch Rekencentrum Amsterdam), Amsterdam, Alankomaat.
- System X arkistoitu 2004-09-17 Wayback Machine:ssa osoitteessa Virginia Tech
- Teksasin kehittynyt laskentakeskus (TACC)
- DCSC Tanskan tieteellisen tietojenkäsittelyn keskus. Sijaitsee Kööpenhaminan yliopistossa.
- PSNC (Poznan Supercomputing and Networking Center), Poznan, Puola.
- NSC Ruotsin kansallinen supertietokonekeskus Linköpingin yliopistossa, Ruotsissa.
Erityiskoneet, yleiskäyttöiset
- Linux NetworXin lehdistötiedote: Linux NetworX rakentaa "suurimman" Linux-supertietokoneen.
- ASCI Whiten lehdistötiedote arkistoitu 2006-10-08 Wayback Machine -arkistoon.
- MCR @ LLNL Linux NetworX Supermicro-pohjainen supertietokone "kolmanneksi suurin supertietokone vuonna 2004" Archived 2012-10-10 at the Wayback Machine
- Artikkeli japanilaisesta "Earth Simulator" -tietokoneesta Arkistoitu 2008-12-23 Wayback Machine -sivustolla
- "Earth Simulator" verkkosivusto (englanniksi) Archives connected 2007-04-10 at the Wayback Machine (englanniksi)
- NEC high-performance computing information Archived 2003-02-07 at the Wayback Machine (arkistoitu 2003-02-07)
- Suprajohtava supertietokone
- Blue Waters Petascale Computing System arkistoitu 2008-12-11 Wayback Machine -sivustolle.
Erityiskoneet, erikoiskoneet
- GRAPE-erikoistietokonetta koskevat julkaisut arkistoitu 2008-02-22 Wayback Machine -sivustolle.
- Lisää tietoa erikoisvalmisteisista supertietokoneista Archived 2003-06-04 at the Wayback Machine
- Tietoa APEmille-erikoistietokoneesta
- Tietoa apeNEXT-erikoistietokoneesta
- Tietoa QCDOC-hankkeesta, koneet Arkistoitu 2008-12-22 Wayback Machine -sivustolle.
Aiheeseen liittyvät sivut
- Klusteri (tietojenkäsittely)
- Grid-laskenta
Kysymyksiä ja vastauksia
Q: Mikä on supertietokone?
V: Supertietokone on tietokone, jossa on suuri nopeus ja muisti ja joka pystyy tekemään tehtäviä nopeammin kuin mikään muu sukupolvensa tietokone.
K: Kuinka paljon nopeampia supertietokoneet ovat tavallisiin henkilökohtaisiin tietokoneisiin verrattuna?
V: Supertietokoneet ovat yleensä tuhansia kertoja nopeampia kuin tavalliset, tuolloin valmistetut henkilökohtaiset tietokoneet.
K: Millaisiin tehtäviin supertietokoneita käytetään?
V: Supertietokoneita käytetään sääennusteisiin, koodien murtamiseen, geneettiseen analyysiin ja muihin tehtäviin, joissa tarvitaan paljon laskutoimituksia.
K: Miten sähköinsinöörit tekevät supertietokoneita?
V: Sähköinsinöörit tekevät supertietokoneita yhdistämällä useita tuhansia mikroprosessoreita.
K: Miten tavallisten tietokoneiden teho vertautuu teknologian kehittyessä aiempien supertietokoneiden tehoon?
V: Uusien tietokoneiden tehon lisääntyessä valmistetaan uusia tavallisia tietokoneita, joiden teho on ollut aiemmin vain supertietokoneilla, kun taas uudet supertietokoneet ovat yhä tehokkaampia.
Etsiä