Пета, экза, зетта, йотта...

В июне Дрезден принимал ISC-2008, Международную суперкомпьютерную конференцию. Нынешний, 31-й по счету форум сопровождался публикацией Top500 - престижного рейтинга самых быстрых суперкомпьютеров планеты.

В июне германский город Дрезден принимал ISC-2008, Международную суперкомпьютерную конференцию, с 1993 года устраиваемую дважды в год по разные стороны Атлантики. Нынешний, 31-й по счету форум, как обычно, сопровождался публикацией Top500 - престижного рейтинга полутысячи самых быстрых суперкомпьютеров планеты. Этот список уже давно принято считать своеобразным зеркалом, отражающим самые заметные достижения и текущие тенденции в мире высокопроизводительных вычислений. Главным же на сегодняшний день рекордом, бесспорно, стала новая система IBM под названием Roadrunner. Эта машина впервые в истории суперкомпьютинга официально (слово "официально" здесь означает производительность, достигнутую при прогоне стандартного рейтингового теста Linpack) преодолела рубеж в 1 петафлопс, то есть тысячу триллионов (или миллион миллиардов, короче - 1015) операций с плавающей запятой в секунду.

Столь впечатляющий результат удалось достичь "с опережением графика". Всего двумя годами ранее на конференции ISC-2006, проходившей здесь же в Дрездене, ведущие эксперты по суперкомпьютингу в один голос заявляли, что до конца 2009 года петафлопсных систем на горизонте не ожидается. Доминировавшие тенденции того периода многих ввели в заблуждение и подтолкнули к неверным прогнозам. Например, к лету 2006 года страны Азии (Япония, Китай, Индия и др.) впервые и довольно убедительно обошли Европу по количеству топовых систем, и тогда казалось, что это надолго. Ныне, однако, доля Европы в Top500 превышает азиатскую почти вчетверо. Аналогичным образом стремительно набиравшие популярность процессоры AMD Opteron два года назад сулили острую конкуренцию с лидером Intel и далеко неочевидный итог этой схватки. А то, что уже к 2008 году превосходство процессоров Intel в суперкомпьютерах окажется бесспорным и сильным как никогда, предвидеть не мог никто.

Об интересной статистике, сопровождающей каждый новый релиз Top500, подробно рассказывается во врезках. Нам же пора познакомиться с нынешним абсолютным чемпионом суперкомпьютинга.

Бегущий по дороге

Самое, пожалуй, необычное свойство системы Roadrunner, побившей заветный петафлопсный рекорд скорости, заключается в следующем. Этот сугубо военный американский суперкомпьютер собран из компонентов, первоначально разработанных для японских игровых приставок. Точнее говоря, конструктивно Roadrunner является гибридной машиной, с единственной в своем роде архитектурой, одновременно использующей существенно разные процессоры - более традиционные чипы AMD Opteron и куда менее распространенные чипы Cell Broadband Engine. Архитектура Cell, как известно, создавалась американо-японским консорциумом STI (Sony, Toshiba, IBM) под современные игровые видеоприставки вроде Sony PlayStation 3.

Разработанная и собранная компанией IBM для Лос-Аламосской национальной лаборатории, новая вычислительная система получила название Roadrunner по имени распространенной в Нью-Мексико кукушки-подорожника, являющейся символом этого штата (где находится Лос-Аламос). Кое-кто, правда, усматривает в этом названии - на русский переводящемся в лоб как "бегущий по дороге" - и другой символ, с претензией наглубокомысленность. Символ того, что нынешние тенденции в продвинутых компьютерных технологиях в некотором смысле противоположны тем, что были четверть века назад. Если в ту пору передовые военные разработки время от времени просачивались в бытовую электронику и получали широкое коммерческое распространение, то теперь все с точностью до наоборот: новейшие технологии потребительского рынка с успехом внедряются в военные проекты.

Новый суперкомпьютер IBM - это вторая инкарнация архитектуры Roadrunner. Первый Roadrunner, кластерная машина производительностью около 70 Тфлопс, уже эксплуатируется в Лос-Аламосской лаборатории. Обе машины построены на основе чипов AMD Opteron и управляются операционной системой Linux. Главная особенность второй версии - это радикальное наращивание вычислительной мощи за счет добавления к Opteron-базе многоядерных процессоров Cell. Официально объявленная стоимость нового суперкомпьютера - 133 млн. долларов. В настоящее время Roadrunner состоит из 6948 двухъядерных "Оптеронов" на базе серверов IBM LS21 Blade и 12960 процессоров Cell на базе IBM QS22 Blade, подкрепленных 80 Тбайт памяти. На межмодульные соединения ушло около 90 км оптоволоконных кабелей. Все это хозяйство, размещенное в 296 стойках IBM BladeCenter H, занимает 600 кв. м и весит 250 т.

Аппетиту "Кукушонка", потребляющего при работе 3,9 МВт, может позавидовать большущий торговый центр вроде тех, что строят в пригородах мегаполисов. Тем не менее коэффициент экономичности, применяемый для сравнения систем, у Roadrunner один из лучших в мире - 376 млн. операций на 1 Вт потребленной энергии.

Со временем производительность системы Roadrunner планируется довести до 1,7 петафлопса. Эта мощь будет использоваться, главным образом, для моделирования поведения ядерных боеприпасов. Во-первых, дабы иметь гарантию, что накопленные арсеналы ядерных вооружений будут продолжать работать надлежащим образом по мере их неизбежного старения. Во-вторых (об этом, правда, упоминается гораздо реже), для виртуальных испытаний нового оружия, что позволяет сохранять действующий мораторий на реальные ядерные взрывы. Однако перед тем, как систему поместят в строгие режимные условия секретных работ, Roadrunner планируется также использовать для решения разнообразных научных проблем вроде моделирования изменений климата, решения задач в области астрономии, энергетики и исследований человеческого генома.

Чтобы нагляднее донести масштаб петафлопсной производительности рекордсмена, ее в самом грубом приближении сравнивают, к примеру, с суммарной вычислительной мощью сотни тысяч самых быстрых на сегодня ноутбуков. Так вот если водрузить эти плоские компьютеры друг на друга, то получится башня высотой два с половиной километра. Или такой пример. Все нынешнее население планеты - шесть миллиардов человек, - вооружившись электронными калькуляторами и работая без передыха со скоростью одна операция в секунду, 46 лет решало бы задачу, на которую системе Roadrunner требуется один день.

Тенденции открытости

Если говорить об остальных системах, помимо Roadrunner входящих в первую десятку, то там - спору нет - продолжает блистать архитектура IBM BlueGene (2, 3, 6 и 9-е места). Однако она входит в элиту Top500 уже, считай, четыре года, с осени 2004-го, так что написано о ней за это время более чем достаточно.

Гораздо больший интерес представляет новый суперкомпьютер Sun Microsystems под названием Ranger, собранный для чисто научных несекретных исследований в Техасском университете. Хотя Ranger, построенный на основе фирменной системы блейд-серверов Sun Constellation, занял почетное четвертое место, в действительности здесь сокрыта печальная история несостоявшегося триумфа. Эта машина, разработанная одним из сооснователей и ведущим архитектором Sun Андреасом Бехтольсхаймом (Andreas Bechtolsheim), должна была принять участие в хит-параде еще в ноябре прошлого года, аккурат к формированию тридцатого релиза Top500. Тогда у системы были отличные шансы на первенство. Но увы, из-за задержек с поставками пятнадцати с лишним тысяч четырехъядерных процессоров AMD Opteron время было упущено.

Руководителям Sun чрезвычайно хотелось примерить лавровый венок чемпиона. По их мнению, Ranger - на редкость хорошо сбалансированная высокопроизводительная машина, да еще и построенная на основе идей открытой архитектуры. Это означает, с одной стороны, что здесь предусмотрены широкие магистрали для передачи данных, объединяющие массивы процессоров и гарантирующие, что чипы не будут попусту простаивать в ожидании своей очереди. А с другой стороны, это прекрасно масштабируемая вычислительная система высшего мирового класса, создание которой доступно, по сути, всем желающим благодаря открытым платформам и открытой архитектуре.

И уж коли речь зашла об открытых платформах, нельзя не отметить и абсолютное доминирование в суперкомпьютерах Top500 операционной системы Linux. Под этой ОС работают все десять систем из Top10, а в целом на Unix-подобные платформы с открытыми исходными кодами опираются 427 машин списка. Еще 28 систем работают на основе закрытых разновидностей Unix (включая Mac OS) и пять систем - под управлением Windows Cluster Server. Около сорока машин работают под управлением смешанных операционных систем, как правило, сочетающих в себе Linux и Unix. Таким образом, на долю Linux приходится 85,4% в пересчете на количество машин, 76,4% в пересчете на производительность и 58,3% в пересчете на процессорные ядра.

Престиж и классические новации

Суперкомпьютерные технологии уже давно принято рассматривать как своего рода символ мощи и конкурентоспособности национальной экономики. Поэтому абстрактный в общем-то показатель производительности 1 петафлопс, или тысяча триллионов вычислений в секунду, вот уже лет десять фигурирует в качестве важнейшего рубежа для военных и научных организаций не только Америки, но и других стран, включая Евросоюз, Японию, Индию и Китай. Так что сегодня, когда заветная высота наконец-то покорена, многие капитаны индустрии и науки в США рассматривают систему Roadrunner как замечательный пример возрождения американского суперкомпьютерного могущества.

Хотя американские компании доминировали в данной области практически всегда, начиная с появления суперкомпьютеров в 1960 годы, бывали у США и отступления. Сначала в середине 1990-х, а затем в 2002 году, когда японская система Earth Simulator на некоторое время получила титул самого быстрого в мире вычислителя с производительностью 35 трлн. операций в секунду. Два года спустя суперкомпьютер BlueGene вернул рекорд скорости американцам. Однако успехи японцев произвели должное впечатление, подтолкнув и конгресс США, и администрацию Буша к новым инвестициям в высокопроизводительные вычисления. Столь же обостренный интерес к укреплению суперкомпьютерного сектора демонстрирует ныне и Евросоюз, одно время начавший заметно уступать напористым азиатским конкурентам.

Ну а пока ведущие державы мира мерятся своими пета-, тера- и гигафлопсами, корпорации уже работают над следующим поколением машин. Преодолев петафлопсный барьер скорее, чем ожидалось, суперкомпьютерная индустрия США сумела удержать высокий темп наращивания производительности, повысив скорость вычислений в тысячу раз за одиннадцать лет. Следующая в тысячу раз большая величина называется экзафлопс, что соответствует квинтиллиону (1018) операций в секунду. За этим рубежом должны последовать зеттафлопс (1021), йоттафлопс (1024) и ксерафлопс (1027).

Так что пора понемногу привыкать к странным новым словам.