Высокоресурсные вычисления: роль суперкомпьютеров в жизни и бизнесе

Суперкомпьютер (СК, суперЭВМ, supercomputer) — это мощнейший компьютер с сотнями или тысячами центральных процессоров для быстрых и точных высокоресурсных вычислений. Главное отличие суперкомпьютера от компьютера заключается в том, что у суперкомпьютера хватит мощности, чтобы обрабатывать миллионы операций в секунду. Обычный компьютер так не умеет. Производительность суперЭВМ измеряют во флопсах: чем больше их количество, тем больше вычислений в секунду может выполнить суперкомпьютер.

Впервые о высокоресурсных вычислениях упомянула газета New York World в 1920 году. В ней писали о создании табулятора, который работал на перфокартах. Табулятор является прототипом суперкомпьютера, который разработала компания IBM совместно с Колумбийским университетом.

Табулятор — это электромеханическая машина, которая автоматически обрабатывала данные на перфокартах и выводила результаты на бумагу.

Сам термин «суперкомпьютер» придумали сотрудники CDC  (Control Data Corporation) Джордж Майкл и Сидней Фернбач в конце 60-х. Он обозначал вычислительную систему с наивысшей производительностью. И в 1974 году появился первый суперкомпьютер Cray-1, который создал бывший сотрудник CDC Сеймур Крэй.

Cray-1 был мощнейшим СК в США на тот момент, за него боролись самые известные лаборатории сложных вычислений в стране. Но в итоге Сray-1 достался Национальному центру атмосферных исследований в 1977 году. В этом центре суперкомпьютер проработал 12 лет. 

В СССР тоже хотели пользоваться суперкомпьютером. Поэтому с 1973 по 1979 годы в московском Институте точной механики и вычислительной техники разрабатывали аналог Cray-1. В 1980 году разработку суперЭВМ закончил главный конструктор института Всеволод Сергеевич Бурцев. Суперкомпьютер назвали «Эльбрус-1». Он положил начало масштабной программы по созданию линейки суперкомпьютеров. 

«Эльбрус-1» стал первым суперкомпьютером в СССР в начале восьмидесятых годов. Его мощность составляла 12 миллионов операций в секунду. Для сравнения в 2024 году мощнейший в мире суперкомпьютер Frontier выполняет 1,102 квинтиллиона операций в секунду.

Cray-1 был мощнейшим СК в США на тот момент, за него боролись самые известные лаборатории сложных вычислений в стране. Но в итоге Сray-1 достался Национальному центру атмосферных исследований в 1977 году. В этом центре суперкомпьютер проработал 12 лет. 

Чтобы понять, как работает суперкомпьютер, надо разобраться в его принципах и технологиях. Вот основные из них:

Параллельные вычисления

У компьютера в работе задействованы один или несколько процессоров. Количество процессоров видно в диспетчере задач, если нажать CTRL+SHIFT+ESC. Вкладка «Производительность» покажет количество процессоров. У суперкомпьютера задействованы тысячи или миллионы процессоров. Они работают параллельно и обрабатывают части одной задачи, ускоряя вычисления.

Системы охлаждения

Персональный компьютер охлаждается с помощью кулера, который гонит воздух на процессор. Для суперЭВМ кулера недостаточно. Из-за высокой производительности суперкомпьютер выделяет много тепла. Поэтому часто производители применяют системы водяного охлаждения, так как они считаются самыми безопасными способами остудить суперЭВМ.

Специализированное оборудование

У обычного компьютера есть один центральный процессор (CPU), простая видеокарта, жесткий диск и материнская плата. Например, у российского суперкомпьютера Christofari Neo внутри два CPU, 1024 гигабайта оперативной памяти и пропускная способность два терабита в секунду. Еще у него есть 99 вычислительных узлов или компьютеров с множеством процессоров и ядер, с помощью которых выполняются задачи.

Высокоскоростные сети

Высокоскоростные сети помогают процессорам и компонентам суперкомпьютеров обмениваться данными между собой. Они передают большие объемы информации со скоростью больше 10 ГБ данных в секунду и с минимальной задержкой, что важно для синхронизации работы процессоров.

Специальные версии оперативных систем

СК часто работают на улучшенных версиях операционных систем: Linux, BSD, Unix и ОС смешанного типа, которые оптимизированы для параллельных вычислений и управления большим количеством процессорных ядер. В то время как персональный компьютер чаще всего работает на обычных операционных системах типа Windows или MacOS.

Два мощнейших СК в мире на 2024 год

Рейтинг суперкомпьютеров говорит, что первое место занимает американский Frontier, созданный компанией HPE. На момент написания статьи это мощнейший и самый энергоэффективный СК в мире.

На втором месте по мощности стоит Aurora, который совместно создали компании Intel и Hewlett Packard Enterprise. Этот суперкомпьютер планируют использовать в разных научных областях, чтобы решать разные задачи: от космологии до новых исследований рака.

Суперкомпьютер Deep Blue выиграл в шахматы у Гарри Каспарова

История матча между Каспаровым и Deep Blue, который создала компания IBM в 1997 году, стала одним из знаковых событий в истории шахмат и AI.

Первый матч между лучшим шахматистом мира и суперЭВМ состоялся в 1996 году, и победил тогда Каспаров со счетом 4:2, так как компьютеру не хватило скорости и мощности. После поражения команда IBM решила улучшить алгоритмы и вычислительные мощности компьютера. Над улучшением СК работали разработчики и лучшие шахматисты.

Теперь компьютер работал, основываясь на переборе возможных действий после хода противника, а также просчете вариантов ответных ходов, пока есть время принять решение.

И год спустя состоялся реванш из шести партий. Обновленный и усовершенствованный СК выиграл первую партию, Каспаров вторую, а следующие три завершились вничью. В шестой решающей партии Deep Blue победил со счетом 3.5:2.5.

Чем сложнее были задачи, тем мощнее становились компьютеры. Сначала СК решали оборонные задачи. Но сейчас, с развитием численного моделирования и знаний, вклад суперкомпьютеров можно косвенно заметить в обычной жизни и бизнесе. Вот некоторые задачи, которые решает суперЭВМ:

Создать суперкомпьютер стоит дорого. Если сегодня спросить у любого поисковика стоимость самого дорогого суперкомпьютера в мире, то на экране появится сумма 20 миллиардов рублей. Поэтому чаще всего суперкомпьютерами владеют большие IT-компании, облачные провайдеры, крупные банки, операторы связи.

Облачный провайдер Cloud.ru владеет Christofari и Christofari Neo — двумя суперкомпьютерами, чья суммарная мощность составляет 18,62 петафлопс. Они подходят для:

• работы с AI-алгоритмами;

• управления, настройки и поддержки операционных систем, которые настраиваются для высокоресурсных вычислений;

• обучения нейросетей и интерфейсов разных моделей;

• распознавания снимков компьютерной томографии легких;

• помощи в планировании, проектировании, запуске и обслуживании сложных компьютерных систем;

• создания изображений по запросу;

• распознавания мошеннических схем;

• помощи в создании голосовых помощников;

• распознавания и синтеза речи.

Cloud.ru использует свои компьютеры в паре с платформой Cloud.ru ML Space для упрощенного и оптимизированного процесса обучения моделей. Платформа помогает ускорять, оптимизировать и упрощать процесс обучения моделей, предпроцессинг данных и развертывание моделей на высокопроизводительной инфраструктуре, чтобы потом использовать эти модели для распознавания или прогнозирования по новым данным.

Например, эта платформа помогла:

• создать AI-инструмент, который позволяет точнее анализировать данные и прогнозировать сроки закупок запчастей в долгосрочной перспективе для крупного поставщика сельскохозяйственной техники и запчастей «Техноком»;

• сэкономить четверть бюджета на привлечении селебрити, используя нейросеть при производстве рекламы крупнейшей российской сети продовольственных магазинов «Пятерочка»;

• увеличить средний чек на 15% Московскому дому книги.

Суперкомпьютеры сокращают время получения результата, что позволяет проводить несколько экспериментов одновременно. Они предоставляют инфраструктуру для параллельной обработки большого объема данных. Также суперЭВМ обучают большие AI-модели, решают ресурсоемкие задачи и в целом двигают мир вперед.