Первые зарубежные суперЭВМ

Первым разработчиком суперкомпьютеров, производимых во всем мире, является американский специалист Сеймур Крей (1925 – 1996). В своих разработках он использовал принципы RISC-технологии еще до того, как эта технология была признана.

Первый компьютер Крея создан в 1958 г. на транзисторной базе в компании CDC (Control Data Corporation). Это ЭВМ CDC 1604. Следующими, более известными компьютерами Крея были большие ЭВМ CDC 6600 (1964 г.) и CDC 7600 (1969 г.) с производительностью более 1 Мфлопс и около 10 Мфлопс соответственно.

Наибольшую известность на стыке 60-х и 70-х годов прошлого века получил ILLIAC-IV, законченный в 1972 г. фирмой Burroughs. Машина ILLIAC-IV представляла собой 16-процессорную систему, в которой впервые использовалась быстрая память на микросхемах. Быстродействие достигало 150 - 200 Мфлопс. Это была система военного назначения, которая эксплуатировалась до 1983 г. (более 10 лет).

В 1972 г. С. Крей решил основать собственную фирму Cray Research и приступил к проектированию первой в мире векторно-конвейерной ЭВМ Cray-1. Это решение было принято после того, как CDC прекратила работу над суперЭВМ. Cray-1 был построен на интегральных микросхемах нового типа (ЭСЛ-логика). Производительность была примерно равна производительности ILLIAC-IV и достигала 160 Мфлопс. Объем памяти составлял 8 Мбайт и был поделен на 16 блоков емкостью 64К 48-разрядных слов с временем доступа 12,5 нс. Внешняя память на магнитных дисках - 450 Мбайт с возможностью расширения до 8 Гбайт.

Для машины Cray-1 были созданы оптимизирующий транслятор с языка Фортран, макроассемблер и специальная многозадачная операционная система. Необходимо отметить, что Cray-1 имел оригинальную конструкцию, в которой минимизировались длины проводников. Кроме того, Cray-1 был заметно дешевле, чем ILLIAC-IV, и предназначался для исследовательных целей. Он стоил 8,8 млн $ и был установлен в национальной лаборатории в Лос-Аламосе.

Дальнейшие разработки фирмы Cray Research: Cray-2 (1985 г.) с быстродействием 2 млрд операций в секунду; Cray-3 (1989 г.) - быстродействие 5 млрд операций в секунду. Эти суперЭВМ были самыми производительными в мире в то время. Cray-3 имел тактовую частоту 500 МГц, что было достигнуто благодаря использованию арсенид-галлиевых микросхем, Cray-4 - частоту 1 ГГц. В то время такие мощные компьютеры не были востребованы, и в итоге Cray-3 и Cray-4 так и не были проданы. С. Крей погиб в автокатастрофе в 1996 г.

В конце 80-х годов в США финансирование военных проектов, неразрывно связанных с суперЭВМ, временно сократилось. Это связано с окончанием холодной войны и гонки вооружений. Лидерство на мировом рынке сразу же захватили японские фирмы Fujitsu, Hitachi и NEC (Nippon Electric Company). Ими была предложена коммерческая концепция распределенных вычислений в среде из множества дешевых микропроцессоров.

Летом 1995 г. два токийских университета продемонстрировали суперкомпьютер GRAPE-4, предназначенный для моделирования задач астрофизики. Он был собран из 1692 микропроцессоров и стоил всего 2 млн $. Достигнутая производительность составляла 1,08 Tфлопс. Этот компьютер впервые в мире преодолел порог быстродействия в 1 Тфлопс.

Идея распределенных вычислений оказалась очень плодотворной. В конце 1996 г. компания Cray Research сообщила, что разработанная модель Cray T3E-900, содержащая 2048 процессоров, побила рекорд японцев и достигла производительности 1,8 Тфлопс.

В декабре 1996 г. фирмой Intel был создан суперкомпьютер Sandia. Его окончательный вариант имел производительность 1,4 Тфлопс. Он содержал 86 стоек по 128 процессоров Pentium Pro (200 МГц) - всего более 11 тыс. процессоров, 573 Гб оперативной памяти, 2250 Гб дисковой памяти. Площадь 160 м² , масса 45 т, потребление энергии 850 кВт.

Наиболее известными моделями суперЭВМ в то время были: NEC SX-4 (1 Тфлопс); Hitachi SR 2201 (0,6 Тфлопс); Fujitsu Siemens VPP 700 (0,5 Тфлопс). В 1997 г. появились сообщения о проекте моделирования ядерного взрыва (ASCI) в лаборатории Лос-Аламоса. Созданный в рамках проекта комплекс ASCI Red на 9632 процессорах Pentium Pro компании Intel показал производительность в 3,2 Тфлопс. В 1998 г. NEC Corporation сообщила о создании суперкомпьютера SX-5 с производительностью 4 Тфлопс, содержащего всего 512 процессоров.

Позже мировыми лидерами по производительности стали следующие суперкомпьютеры: 2002 г. - ASCI White фирмы IBM с 8192 процессорами (7,3 Тфлопс); 2003 г. - Earth-Simulator компании NEC, включающий 5120 процессоров (35,9 Tфлопс0; 2004 г. - IBM Blue Gene/L (70,7 Тфлопс). Известные проекты на 2004 г.: ASCI Purple - 196 серверов, содержащих по 64 процессора (всего 12544 процессора, 100 Тфлопс); Blue Gene/L - 130 тыс. процессоров (360 Тфлопс). В 2004 г. порог в 10 Тфлопс преодолел китайский суперкомпьютер "Шугуан 4000А", установленный в Шанхае.

В 2002 г. в TOP-500 (список наиболее производительных ЭВМ) впервые вошел российский суперкомпьютер, заняв 74-е место. Это модель MBC 1000M (0,735 Тфлопс). Создан на базе 768 процессоров Alpha фирмы Digital Equipment (64-разрядный RISC-процессор, разработанный на рубеже 80 - 90-х годов).

В 2004 г. в TOP-500 на 210-м месте - российский компьютер MBC 5000БМ (1,4 Тфлопс, содержит 336 микропроцессоров Power PC с тактовой частотой 1,6 ГГц). На 98-м месте - установленный в Белоруссии компьютер СКИФ К-1000 с производительностью 2 Тфлопс. Он создавался 20 российскими и белорусскими предприятиями.

7.3. Многопроцессорные вычислительные комплексы «Эльбрус»

Проект по созданию суперЭВМ "Эльбрус" был начат еще С.А. Лебедевым, а после его смерти работу возглавил ученик и соратник ученого Всеволод Сергеевич Бурцев. В конце 60-х в стране были начаты работы по созданию единой серии ЭВМ общего назначения. Надо сказать, что С.А. Лебедеву предлагали возглавить этот масштабный проект, однако академик предпочел развивать линию вычислительных систем сверхвысокой производительности. Разработка таких «предельных» машин имела определенные отличия от создания универсальных ЭВМ, поскольку здесь предъявлялись максимальные требования и к архитектуре, и к элементной базе, и к конструкции вычислительной системы.

Вычислительные комплексы «Эльбрус» - это серия советских суперЭВМ, разработанных в ИТМиВТ в 1970-1990-х годах. В работе над этими машинами и рядом предшествующих им разработок института во главу угла ставились вопросы эффективной реализации отказоустойчивости и безостановочной работы системы. Поэтому в них появляются такие особенности, как многопроцессорность и связанные с ней средства распараллеливания ветвей задачи.

Многопроцессорный вычислительный комплекс Эльбрус-1, разработанный в 1973 - 1979 годах и сданный государственной комиссии в 1980 г., включал 10 процессоров и базировался на микросхемах средней степени интеграции. В этой машине советские ученые опередили американцев, создав симметричную многопроцессорную систему с общей памятью. По принципам построения система команд процессоров «Эльбрус» близка к системе команд ЭВМ компании Burroughs, считающейся нетрадиционной. Машина Эльбрус-1 обеспечивала быстродействие от 1,5 млн до 10 млн операций в секунду, а Эльбрус-2, работа над которым была завершена в 1985 г., - более 100 млн операций в секунду.

Эльбрус-2 также представлял собой симметричный многопроцессорный вычислительный комплекс из 10 суперскалярных процессоров, построенных на матричных полузаказных БИС, которые выпускались в Зеленограде. Серийное производство машин такой сложности потребовало срочного развертывания систем автоматизации проектирования ЭВМ, и эта задача была решена под руководством Г.Г. Рябова настолько успешно, что ее авторы были удостоены Государственной премии.

В целом вычислительные комплексы «Эльбрус» несли в себе ряд революционных новшеств. Суперскалярность процессорной обработки, симметричная многопроцессорная архитектура с общей памятью, реализация защищенного программирования с аппаратными типами данных - все эти возможности появились в отечественных машинах раньше, чем на западе. Г.Г. Рябов особо выделил создание единой операционной системы для многопроцессорных комплексов, разработкой которой руководил Борис Арташесович Бабаян, в свое время отвечавший за разработку системного программного обеспечения БЭСМ-6. Одной из важнейших задач этой ОС было управление параллельно выполняющимися процессами и их синхронизация. Наконец, функционирование столь масштабных систем требовало особого внимания к вопросам сопровождения и ремонта, замены элементов, обеспечения бесперебойности работы и помехоустойчивости ЭВМ, поиска эффективных решений проблемы теплоотвода.

Комплексы «Эльбрус» были весьма мощными вычислительными машинами, потребность в которых испытывали многие научные организации. Но основным заказчиком этих комплексов был военно-промышленный комплекс. Машины «Эльбрус» работали в целом ряде важных систем, связанных с обработкой радиолокационной информации, на них выполнялись расчеты в номерных Арзамасе и Челябинске, ими комплектовались системы обработки данных в центре управления полетами. На некоторых крупных объектах комплексы «Эльбрус» функционируют и по сегодняшний день.

Интересно, что в рамках программы «Эльбрус» в конце 80-х годов была создана микроэлектронная копия машины БЭСМ-6 - суперЭВМ «Эльбрус-Б» (руководитель работы – М.В. Тяпкин), на которой можно было работать в системе команд БЭСМ-6. Этих машин было выпущено немного, не более десятка экземпляров, из них четыре стояли в вычислительном центре МГУ.

Работа над последней машиной семейства Эльбрус-3 с быстродействием до 1 млрд операций в секунду и 16 процессорами была закончена в 1991 году. Однако на существовавшей в тот момент элементной базе система получилась чересчур громоздкой. Кроме того, как отмечает Г.Г. Рябов, в это время развитие рабочих станций и появление возможностей строить комплексы на их основе позволяли сделать вывод, что наращивание мощности за счет более простых структур во многих отношениях может оказаться экономически эффективнее.