Китай теснит США в битве за звание суперкомпьютерной сверхдержавы

Пару месяцев назад исследователи из Национального университета оборонных технологий Китая поделились с общественностью информацией о мощнейшем суперкомпьютере страны. Он называется Tianhe-2 (Млечный путь-2) и содержит более 3 млн. процессорных ядер. На днях выяснилось, что это самый мощный суперкомпьютер не только Поднебесной, но и всего мира. Он легко затмевает достижения бывшего лидера мирового рейтинга Top500 — Titan (Cray XK7) из американской Национальной лаборатории Оук-Ридж.

В минувший понедельник эксперты, которые отслеживают состояние мирового рынка суперкомпьютеров, выпустили очередной рейтинг, называемый списком Top500. На вершине, как уже отмечалось, оказался китайский суперкомпьютер Tianhe-2. Новая машина является преемником суперкомпьютера Tianhe-1A, который возглавил рейтинг Top500 в 2010 году.

Система будет полностью развернута до конца текущего года (на два года ранее запланированного срока). Но производительность Tianhe-2 уже сейчас достигает 33.86 петафлопс по тесту Linpack. Ранее сообщалось, что в перспективе пиковая производительность вычислительной системы сможет достичь отметки в 100 петафлопс. Второе место в рейтинге теперь занимает американский Cray XK7 (17.59 петафлопс), а третья позиция досталась IBM BlueGene/Q Sequoia (17.17 петафлопс). Эксперты отмечают, что Sequoia остается самой энергоэффективной системой. Мощность этого суперкомпьютера составляет всего 7.84 МВт.

Вычислительные кластеры Tianhe-2 содержат в общей сложности 32 тысячи процессоров Intel Xeon с архитектурой Ivy Bridge, а также 48 тысяч сопроцессоров Xeon Phi. Чипы размещены в отдельных узлах, каждый из которых объединяет по два серверных процессора Xeon и три сопроцессора Xeon Phi. Общее число вычислительных ядер нового китайского суперкомпьютера составляет 3.12 миллиона, а объем оперативной памяти системы составляет один петабайт (это в 12 500 раз больше, чем в случае обычного персонального компьютера). Мощность системы составляет 17.8 мегаватт (24 мегаватта с учетом систем охлаждения и кондиционирования).

Вычисления организованы с помощью операционной системы Kylin Linux. Примечательно, что данное семейство дистрибутивов операционной системы Linux было создано все тем же Национальным университетом оборонных технологий Китая. ОС используется в образовании и науке, а также в оборонной индустрии Поднебесной.

США утрачивают лидирующие позиции

Продолжительная эпоха доминирования США в сегменте суперкомпьютеров подходит к концу. По мнению аналитиков, американцы не смогут создать сопоставимую по вычислительной мощности систему примерно до 2016 года. Как ожидается, именно тогда Министерство энергетики США сможет достроить сверхпроизводительный суперкомпьютер, который называется Trinity. Китайский Tihane-2, вероятно, будет на голову превосходить все создаваемые американцами системы в течение нескольких лет.

Но самым главным фактором, характеризующим новую китайскую систему, является то, что она имеет не только высокую производительность, но и создавалась посредством огромных инвестиций в развитие технологий. На самом деле Tihane-2 не какая-то копия или поделка на тему западных аналогов – машина на удивление самобытная. Как уже отмечалось выше, она работает под управлением специальной китайской версии Linux и может похвастать уникальным механизмом организации сетевых подключений TH Express-2. Инженеры смогли использовать китайские процессоры для создания инструментов управления суперкомпьютера. Единственным компонентом американского производства являются микропроцессоры Intel, которые используются системой для осуществления математических расчетов.

Надо отметить, что эти чипы Intel являются важнейшими компонентами текущих машин. Но эксперты считают, что при создании своих будущих суперкомпьютеров китайцы, в конечном счете, заменят американские процессоры аналогами собственного производства. Хотя вряд ли можно с достаточной уверенностью предположить, когда это произойдет. Это история успеха заслуживает уважения: еще в 2001 году Поднебесная не имела ни единой системы в рейтинге 500 самых производительных суперкомпьютеров мира. Кроме того, это еще одно подтверждение тому, что США теряет свое лидерство – североамериканское государство теснят Европа, Япония и Китай.

Эксафлопсные вычисления

Долгосрочное лидерство в высокотехнологичной гонке вооружений имеет большое значение. Суперкомпьютеры являются своего рода испытательным стендом для многих вычислительных технологий, которые в последующем становятся доступны простым смертным. То, чем мы пользуемся уже сейчас – от многоядерных процессоров в Apple iPhone до футуристических сетевых технологий в центрах обработки данных Google – все это было обкатано на суперкомпьютерах.

Пять лет назад США находились на пути к созданию суперкомпьютера, производительность которого находилась бы на одном уровне с Tihane-2. Американцы планировали создать крайне мощную систему еще к 2010 году, но вмешался кризис, и финансирование проекта приостановилось. И пока китайцы уверенно шагали вперед, остальной мир (в том числе и американцы) находился в состоянии стагнации.

Сейчас разработчики со всего мира нацелились на эксафлопсные суперкомпьютерные вычисления (вычисления на суперкомпьютерах с производительностью от 1000 петафлопс; подобный уровень производительности, как ожидается, будет достигнут к 2018 году). Чтобы построить столь мощные суперкомпьютеры, нужны скоординированные усилия. Многие компоненты будущих систем пока только находятся в стадии разработки. Чипмейкеры вроде Nvidia, Intel и AMD работают над новыми микропроцессорами, которые будут достаточно энергоэффективным, чтобы сделать эти системы реальностью. Прямо сейчас, самая эффективная система использует от 1 до 2 мегаватт электроэнергии в расчете на один петафлопс. Умножьте это на 1000, чтобы добраться до эксафлопсного уровня, и вы поймете, что снабжение подобной системы электроэнергией будет банально не по карману даже самой развитой стране.

Любая страна, которая намерена покорить эксафлопсный барьер, нуждается в фундаментальных исследованиях для разработки сетевых и программных инструментов, которые лягут в основу этих систем. И китайцы пока что демонстрируют отличные результаты в этом плане.

Популярность сопроцессоров

Обе китайских машины (Tianhe-2 и Tianhe-1A) весьма наглядно демонстрируют более широкую тенденцию в сегменте суперкомпьютерных вычислений — использование специальных ускорителей. Согласно закону Мура, количество транзисторов в процессоре удваивается каждые два года. Но тактовая частота прекратила рост еще пару лет назад, что заставило чипмейкеров активнее развивать параллелизм (осуществлять много задач одновременно с помощью нескольких процессорных ядер, вместо выполнения меньшего количества задач последовательно на одном ядре).

Добиться ускорения современных суперкомпьютеров можно с помощью специализированных процессоров. Графические чипы (GPU) от Nvidia, адаптированные под выполнение числовых расчетов, сейчас являются наиболее распространенными в данном сегменте. Изображение: Top500.org

Чипы общего назначения были переведены на параллелизм и многоядерные конструкции, но сейчас наблюдается тенденция к разгрузке центральных процессоров с помощью специальных чипов, которые достигают еще более выдающихся результатов в решении распараллеленных задач. Примером могут служить чипы Intel, Xeon Phi. Примечательно, что графические чипы Nvidia, адаптированные под выполнение числовых расчетов, сейчас являются наиболее распространенными в данном сегменте. Они более широко представлены в суперкомпьютерах из рейтинга Top500.

Создатели 39 машин из списка Top500 использовали графические чипы Nvidia, при этом Xeon Phi работают в составе 11 суперкомпьютеров. Третье место среди сопроцессоров занимают ATI Radeon. Они используются всего лишь в трех машинах. В самом мощном суперкомпьютере применяются Xeon Phi, в машине под номером два используются чипы Nvidia. К слову, в Tianhe-1A, который теперь оказался на десятом месте в рейтинге, также используются чипы Nvidia. По мнению аналитиков, к 2015 году все 10 лучших систем из списка Top500 будет иметь в своем составе сопроцессоры на базе GPU.

Еще немного интересных данных, которые можно почерпнуть из свежего рейтинга Top500:

• Шестьдесят пять из 500 систем находятся в Китае. Показатель остается относительно стабильным в последние годы. В Соединенных Штатах Америки находится 253 системы. В Top500, как и полгода назад, вошли восемь российских систем, самой мощной из которых стал 0.902-петафлопсный суперкомпьютер «Ломоносов», который установлен в МГУ имени Ломоносова. Эта машина заняла тридцать первое место. Она опустилась в рейтинге на пять позиций, если сравнивать с ноябрем 2012 года.
• Процессоры Intel используются в составе 80 процентов систем.
• В шестидесяти семи процентах систем используются процессоры с восемью и более ядрами.
• В общей сложности 180 систем выпали из списка по сравнению с предыдущим релизом, который состоялся полгода назад. Минимальный уровень производительности, необходимый для попадания в топ 500 суперкомпьютеров увеличился с 76.5 до 96.6 терафлопс.
• Hewlett-Packard была ведущим поставщиком суперкомпьютерных систем. Специалисты компании создали целых 189 машин из Top500. Второе место заняла IBM. Инженеры “голубого гиганта” создали 160 машин, при этом сразу четыре из топ-10 самых производительных систем также были созданы IBM.