Superdatamaskin

En superdatamaskin eller superdatamaskin er en datamaskin designet for å oppnå høyest mulig ytelse med teknikkene som er kjent på tidspunktet for utformingen, spesielt med hensyn til beregningshastigheten .

Science superdatamaskiner kalles "high performance computing" (på engelsk  : high-performance computing , eller HPC). Denne disiplinen er delt i to: maskinvaredelen (elektronisk design av beregningsverktøyet) og programvaredelen (programvaretilpasning av beregningen til verktøyet). Disse to delene påkaller forskjellige kunnskapsfelt.

Historisk

De første superdatamaskinene (eller superdatamaskinene) dukket opp på 1960-tallet . I 1961, IBM utviklet IBM Strekk eller IBM 7030, en enhet som ble operert i Frankrike i 1963.

På den tiden, og frem til 1970-tallet , var verdens største superdataprodusent Control Data Corporation (CDC), med designeren Seymour Cray . Deretter Cray forskning , grunnlagt av Seymour Cray etter hans avgang fra CDC, tok fordel fremfor andre konkurrenter, til rundt år 1990. På 1980-tallet , slik tilfellet ble produsert i 1970 mikrodatamaskin markedet , mange små selskaper registrert dette markedet, men de fleste av dem forsvant i  supercomputer-markedet "  krasj " på midten av 1990-tallet .

Hva begrepet superdatamaskin refererer til, varierer over tid, da de kraftigste datamaskinene i verden på et tidspunkt har en tendens til å bli utlignet, og deretter overgått, av maskiner i vanlig bruk mange år senere. De første CDC-superdatamaskinene var enkle datamaskiner med en prosessor (men noen ganger med opptil ti perifere prosessorer for I / O ) omtrent ti ganger raskere enn konkurrentene. På 1970-tallet vedtok de fleste superdatamaskiner en vektorprosessor , som avkoder en instruksjon en gang og bruker den på en hel serie operander .

Det var først på slutten av 1980-tallet at den massivt parallelle systemteknikken ble tatt i bruk, med bruk av tusenvis av prosessorer i en enkelt superdatamaskin. I dag bruker noen av disse parallelle superdatamaskinene mikroprosessorer av typen "  RISC  ", designet for serielle datamaskiner, for eksempel PowerPC-er eller PA-RISC-er . Andre superdatamaskiner bruker billigere prosessorer, av typen "  CISC  ", mikroprogrammert i RISC i den elektroniske brikken ( AMD eller Intel ): effektiviteten er litt lavere, men minnetilgangskanalen - ofte en flaskehals - er mye mindre stresset.

I XXI th  århundre , er super vanligvis utformet som unike modeller av datamaskinprodusenter 'tradisjonelle' som International Business Machines (IBM), Hewlett-Packard (HP), eller Bull , de har bak seg en lang tradisjon i feltet (IBM) eller at de kjøpte på 1990-tallet spesialiserte selskaper, da i vanskeligheter, for å skaffe seg erfaring innen dette feltet.

bruk

Supercomputere blir brukt for alle oppgaver som krever meget høy datakraft , slik som værvarsling , studere klimaet (om dette emnet, se programmer sikrede av G8-HORCs ), modellering kjemiske gjenstander ( beregning av strukturer og egenskaper , molekylær modellering ,  etc . ), fysiske simuleringer (simuleringer aerodynamiske , beregninger av materialstyrke , simulert eksplosjon av atomvåpen , studier av kjernefusjon ,  etc. ), kryptanalyse eller simuleringer innen økonomi og forsikring ( stokastisk beregning ).

Sivile og militære forsknings institusjoner er blant de tyngste brukerne av superdatamaskiner.

I Frankrike finnes disse maskinene i nasjonale universitets databehandlingssentre, for eksempel Institute for Development and Resources in Scientific Informatics (IDRIS), National Computer Center for Higher Education (CINES), men også i Commissariat à atomenergi og alternative energier (CEA) eller i visse store selskaper, som Total , EDF eller Météo-France .

Design

Komponenter og arkitektur

Superdatamaskiner får sin overlegenhet over konvensjonelle datamaskiner fra begge:

De er nesten alltid designet spesielt for en bestemt type oppgaver (oftest vitenskapelige numeriske beregninger : matrise eller vektorberegning ) og søker ikke spesiell ytelse på andre områder.

Den hukommelse arkitekturen av super er utformet til å forsyne data til hver prosessor for å få mest mulig ut av sin datakraft . Overlegen minneytelse (bedre komponenter og bedre arkitektur) forklarer i stor grad fordelen med superdatamaskiner fremfor konvensjonelle datamaskiner.

Deres inngang / utgang ( bus ) system er konstruert for å gi høy båndbredde , med mindre tidsforsinkelse fordi denne type datamaskin som ikke er utformet for å behandle transaksjoner .

Som med alle parallelle system, Amdahl lov gjelder, med superdatamaskin designere vier noen av deres innsats for å eliminere ikke-parallelliserte deler av programvare og utvikle maskinvare forbedringer for å fjerne gjenværende flaskehalser .

Viktigste tekniske hindringer

På den ene siden, superdatamaskiner krever ofte flere megawatt av elektrisk kraft . Denne maten må også være av høy kvalitet. Som et resultat produserer de en stor mengde varme og må derfor kjøles ned for å fungere normalt. Kjøle (for eksempel luft kjøling ) av disse maskinene utgjør ofte en betydelig luftkondisjone problem .

På den annen side kan ikke data strømme raskere enn lysets hastighet mellom to deler av en datamaskin . Når størrelsen på en superdatamaskin overstiger flere meter, telles ventetiden mellom visse komponenter i titalls nanosekunder . Elementene er derfor anordnet for å begrense lengden på kablene som forbinder komponentene. På Cray-1 eller Cray- II , for eksempel, ble de ordnet i en sirkel .

I dag er disse datamaskinene i stand til å behandle og kommunisere veldig store datamengder på veldig kort tid. Utformingen må sikre at disse dataene kan leses, overføres og lagres raskt. Ellers ville prosessorenes databehandling være underutnyttet ( flaskehals ).

Registrer historie

Datert Superdatamaskin Bygger Type prosessorer; Frekvens Antall prosessorer Ekte kraft plassering
1938 Z1 Konrad Zuse FLOPS Tyskland
Konrad Zuse
1939 Z2 Konrad Zuse 5  FLOPS Tyskland
Konrad Zuse
1941 Z3 Konrad Zuse 5,33  Hz 20  FLOPS Tyskland
Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt
1942 Heath Robinson  (i) TRE 200  FLOPS Storbritannia
Bletchley Park
1943 Koloss Markus I TRE kilo FLOPS Storbritannia
Bletchley Park
1944 Koloss Markus II TRE 5  kFLOPS Storbritannia
Bletchley Park
1946 ENIAC 100  kHz 50  kFLOPS USA
Aberdeen Proving Ground
1956 TX-0 MIT Lincoln Laboratory 18 biter 3600 83  kFLOPS USAs
Massachusetts Institute of Technology
1958 TX-2 MIT Lincoln Laboratory 5  MHz , 36 bits 22.000 83  kFLOPS USAs
Massachusetts Institute of Technology
1958 SAGE  (en) IBM 400  kFLOPS United States
United States Air Force
1960 Univac LARC  (en) IBM 2 500  kFLOPS United States
Lawrence Livermore National Laboratory ogDavid Taylor Model Basin
1961 IBM 7030 IBM 100  MHz , 16K 64-biters ord 1,2  mega FLOPS De forente stater
Los Alamos National Laboratory
1964 CDC 6600 CDC 10  MHz 3  MFLOPS USAs
Lawrence Livermore nasjonale laboratorium
1969 CDC 7600  (no) CDC 36,4  MHz 36.4  MFLOPS USAs
Lawrence Livermore nasjonale laboratorium
1974 Star-100 CDC 16 bits 100  MFLOPS USAs
Lawrence Livermore nasjonale laboratorium
1975 ILLIAC IV  (en) Burroughs 4 × 13  MHz , 64 bit 256 150  MFLOPS United States
Ames Research Center (NASA)
1976 Cray-1 Blyant 83  MHz , 64 bit 2 166  MFLOPS De forente stater
Los Alamos National Laboratory
nitten åtti en Internett 205  ( tommer ) CDC 32/64 bit 400  MFLOPS Flere steder i verden
1982 Cray X-MP Blyant Cray Vector , 2 × 105  MHz 2 400  MFLOPS Flere steder i verden
1984 Cray X-MP / 48 Blyant Cray Vector , 4 × 117  MHz 4 800  MFLOPS Flere steder i verden
1984 M-13 giga FLOPS Sovjetunionens
vitenskapelige forskningsinstitutt for datakomplekser
1985 Cray-2 Blyant Cray Vector , 4 × 283  MHz 4 1.7  GFLOPS USAs
Lawrence Livermore nasjonale laboratorium
1989 ETA10-G / 8  ( tommer ) ETA Systems  (no) 10.3  GFLOPS USAs
Florida State University
1993 CM-5  (tommer) Thinking Machines Corporation SPARC 1.024 59,7  GFLOPS De forente stater
Los Alamos National Laboratory
1993 Numerisk vindtunnel  (no) Fujitsu Fujitsu VPP500 140 124,5  GFLOPS Japans
nasjonale luftfartslaboratorium
1994 XP / S140 Intel Intel Paragon 3,680 143,4  GFLOPS USAs
Sandia National Labs
1994 Numerisk vindtunnel  (no) Fujitsu Fujitsu VPP500 140 170.4  GFLOPS Japans
nasjonale luftfartslaboratorium
1996 SR2201 Hitachi Hitachi SR2201 1.024 220,4  GFLOPS Japan
University of Tokyo
1996 CP-PACS Hitachi Hitachi SR2xxx CP-PACS 2,048 368.2  GFLOPS Japan
Center for Computational Physics
1997 ASCI Rød Intel Intel Paragon ASCI-Red 7 264 1.07  tera FLOPS USAs
Sandia National Laboratories
1997 ASCI Rød Intel Intel Paragon ASCI-Red 9,152 1,34  TFLOPS USAs
Sandia National Laboratories
1999 ASCI Rød Intel Intel Paragon ASCI-Red 9 472 2.12  TFLOPS USAs
Sandia National Laboratories
1999 ASCI Rød Intel Intel Paragon ASCI-Red 9632 2.38  TFLOPS USAs
Sandia National Laboratories
2000 ASCI Hvit  ( tommer ) IBM IBM POWER 3 375  MHz 8,192 4,94  TFLOPS USAs
Lawrence Livermore nasjonale laboratorium
2001 ASCI Hvit  ( tommer ) IBM IBM POWER 3 375  MHz 8,192 7.23  TFLOPS USAs
Lawrence Livermore nasjonale laboratorium
2002 Jordsimulator NEC NEC SX6 1000  MHz 5 120 35,86  TFLOPS Japan
Yokohama Institute for Earth Sciences
16. september 2004 Blå gen / L. IBM PowerPC 440  (in) 700  MHz 16 384 36,01  TFLOPS USAs
Lawrence Livermore nasjonale laboratorium
26. oktober 2004 Columbia SGI Intel Itanium 2 1500  MHz 8,192 42.7  TFLOPS United States
Ames Research Center (NASA)
november 2004 Columbia SGI Intel Itanium 2 1500  MHz 10 160 51,87  TFLOPS United States
Ames Research Center (NASA)
november 2004 Blå gen / L. IBM PowerPC 440  (in) 700  MHz 32 768 70,7  TFLOPS USAs
Lawrence Livermore nasjonale laboratorium
24. mars 2005 Blå gen / L. IBM PowerPC 440  (in) 700  MHz 65.536 135,5  TFLOPS USAs
Lawrence Livermore nasjonale laboratorium
27. oktober 2005 Blå gen / L. IBM PowerPC 440  (in) 700  MHz 131 072 280,6  TFLOPS USAs
Lawrence Livermore nasjonale laboratorium
2007 Blå gen / L. IBM PowerPC 440 2C 700  MHz 36.864 478.2-596  TFLOPS USAs
Lawrence Livermore nasjonale laboratorium
2008 Roadrunner IBM PowerXCell 8i 3200  MHz 129.600 1.042  peta FLOPS USA
DoE-Los Alamos nasjonale laboratorium ,Los Alamos,New Mexico
2009 Jaguar (oppgradert til Titan ) Blyant AMD seks-kjerneprosessorer 224 162 1 759  PFLOPS United States
Oak Ridge National Laboratory
2010 Tianhe-1A NUDT Hybrid:
Intel Xeon + Nvidia Tesla M2050 + FeiTeng-1000 GPU
14 366 + 7 166 2.566  PFLOPS China
National Supercomputing Center , Tianjin
2011 K datamaskin Fujitsu SPARC64 VIIIfx 2.0  GHz , “  Tofu interconnect  ” 68,544 10 510  PFLOPS Japan
RIKEN , Kobe
2012 Sequoia IBM BlueGene / Q, Power BQC 16C 1,60  GHz , tilpasset 16 324  PFLOPS USAs
Lawrence Livermore nasjonale laboratorium
2012 Titan (enforbedret Jaguar ) Blyant Hybrid:
AMD Opteron + Nvidia Tesla K20
560 640 17.59  PFLOPS United States
Oak Ridge National Laboratory
2013 Tianhe-2 Intel Hybrid:
Xeon E5-2692 + Xeon Phi
32 000 + 48 000 33,86  PFLOPS China
National University of Defense Technology , Guangzhou
2016 TaihuLight NRCPC / Sunway Sunway SW26010 260C 40 960 93.01  PFLOPS China
National Supercomputing Center, Wuxi
2018 Se toppmøtet IBM / Nvidia Hybrid:
IBM POWER9 + Nvidia Tesla V100
9 216 + 27 648 200  PFLOPS United States
Oak Ridge National Laboratory
2020 Fugaku Fujitsu / ARM 2.2 Ghz ARM 7.300.000 418  PFLOPS Japan
RIKEN , Kobe


Historien om poster i Frankrike

I 1993, Earth Physics Institute of Paris (PGI) driver en datamaskin CM-5/128 som bruker prosessorer SuperSPARC , den er rangert på 25. plass til TOP500 . Tre år senere, i1996The Institute of ressurser Utvikling og Scientific Computing (IDRIS) klarer å nå 12 th  sted i verden med T3e bygget av Cray .

I midten av2002, Den mest kraftfulle superdatamaskinen fransk rangerer 4. plass i TOP500, de TERA- baserte prosessorene Alpha til 1  GHz ( AlphaServer SC45 ) og utviklet av Hewlett-Packard  ; han tilhørte Atomic Energy Commission (CEA). Ijanuar 2006Den TERA-10 fra Bull lykkes, det genererer en regnekraft på 60  tera FLOPS og vil plassere 5 th  Verden TOP500 klassifisering.

I juni 2008, IDRIS og Blue Gene / P løsning for IBM vises, i henhold til test Linpack , en kraft på 120 teraflops og vant 10 th  sted.

I november 2009, den første franske maskinen heter Jade . Av typen "  SGI Altix  (en)  " er den basert på National Computer Center for Higher Education (CINES) i Montpellier . Superdatamaskin er rangert 28 th  i verden med 128 teraflops i Linpack-testen. Rett etter ble konfigurasjonen av Jade- maskinen fullført for å oppnå en ytelse på 237 teraflops. Maskinen bytter tiljuni 2010den 18 th  raden av TOP500. Det er da det tredje europeiske datasystemet og det første franske, det er ment for offentlig forskning .

I november 2010Den franske rekorden holdes av TERA-100 fra Bull . Sett i ECA i Bruyeres-le-Chatel til behovene til den franske atom militær simulering , med ytelse teraflops 1050, stiger denne maskinen til 6 th  i verden og vant en st  sted i Europa. Den består av 17 296 Intel Xeon 7500- prosessorer hver utstyrt med åtte kjerner og koblet sammen av et InfiniBand- nettverk .

I mars 2012, Curie , et system designet av Bull for GENCI , installert på stedet for Très Grand Centre de Calcul (TGCC) i Bruyères-le-Châtel, har en effekt på 1.359 petaflops. Det blir den kraftigste superdatamaskin i Frankrike ved å ta 9 th  på verdensrankingen. Den er designet for å levere 2 petaflops.

I Januar 2013, er Ada- og Turing- systemene som er bygget av IBM installert på IDRIS i Orsay . Summen av deres kraft overstiger petaflops. Disse to maskinene er tilgjengelige for forskere. I mars 2013 ble Pangea superdatamaskinen som ble eid av selskapet Total, innviet, det ble det mest effektive systemet som noensinne er installert i Frankrike. Dens datakraft er 2,3 petaflops. Tilsvarer 27.000 stasjonære datamaskiner sammen, fikk han den 11 th  sted i verden.

I januar 2015, Occigen- systemet , designet av Bull, Atos teknologier, for GENCI er installert på CINES-nettstedet; den har en kraft på 2,1 petaflops. Han sto i 26 th  posisjon i verden rangeringen av TOP500november 2014.

I mars 2016, Total kunngjør at de har tredoblet datakapasiteten til sin Pangea superdatamaskin , og går til en datakraft på 6,7 petaflops i topp ytelse og 5,28 petaflops i brukbar kraft. Dette gjør det mulig å gjenvinne 11 th  plass i TOP500 og dermed plasserer den på hodet av verdens industrisektoren.

Superdatamaskinoperativsystemer

Fremveksten av superdatamaskiner har sett Linux bli operativsystemet som driver de fleste av de 500 mektigste superdatamaskinene på planeten, med Unix som gradvis mister terreng til Linux, men for en tid opptar en fremtredende plass i superdatamarkedet. (5%).

Windows ble bare drevet av to av de 500 kraftigste superdatamaskinene på planeten, eller 0,4%, mens BSD bare var til stede på en maskin i topp 500 , eller 0,2%. Til slutt representerte de andre konfigurasjonene ("  Mixed  ", dvs. et sett med flere typer operativsystemer) 4,6%.

I november 2017Linux driver alle verdens 500 kraftigste superdatamaskiner.

Kvantekalkulator

Superdatamaskiner og puslespill

Merknader og referanser

  1. "  IBM Blue gen kunngjøring  " , på IBM.com ,26. juni 2007(åpnet 9. juni 2012 ) .
  2. Topp 500 rangering juni 2013 .
  3. (in) USDA National Nutrient Database for Standard Reference , på nal.usda.gov .
  4. TOP500-liste - november 2011 (1-100) på top500.org .
  5. TOP500-liste - juni 2012 (1-100) på top500.org .
  6. "Den mektigste superdatamaskinen i verden er kinesisk" , The Monde.fr , 18. juni 2013.
  7. "Kina blir den første datakraften i verden" , Jean-Marc De Jaeger, Le Figaro .fr , 21. juni 2016.
  8. (no-US) George Dvorsky, "  Verdens kraftigste superdatamaskin er et absolutt dyr  " , Gizmodo ,8. juni 2018( les online )
  9. (en-US) Elijah Wolfson, "  USA tok nettopp tittelen til verdens raskeste superdatamaskin fra Kina  " , Quartz ,9. juni 2018( les online )
  10. (en-US) “  IBM og Department of Energy viser frem verdens raskeste superdatamaskin, Summit  ” , Digital Trends ,9. juni 2018( les online , konsultert 10. juni 2018 )
  11. "  Fujitsu presenterer 415-PFLOPS: den kraftigste datamaskinen i verden  " , på Siècle Digital ,24. juni 2020.
  12. "  Japan lanserer den kraftigste superdatamaskin i verden for å kjempe Covid-19  " , på Les Echos ,23. juni 2020.
  13. "  CM-5/128 | TOP500 Supercomputer Sites  ”www.top500.org (åpnet 31. mai 2016 ) .
  14. "  T3E | TOP500 Supercomputer Sites  ”www.top500.org (åpnet 31. mai 2016 ) .
  15. "  AlphaServer SC45, 1 GHz  " , på www.top500.org (åpnet 22. november 2015 ) .
  16. “  Tera-10 - NovaScale 5160, Itanium2 1,6 GHz, Quadrics  ” , på www.top500.org (åpnet 22. november 2015 ) .
  17. “  Blue Gene / P Solution | TOP500 Supercomputer Sites  ” , på www.top500.org (åpnet 2. juni 2016 )
  18. Jade | TOP500 Supercomputing Sites  ” , på top500.org ,november 2010(åpnet 11. juni 2010 ) .
  19. (in) Tera 100 Topp 500 rangering i november 2010 på top500.org .
  20. “  Curie thin nodes - Bullx B510, Xeon E5-2680 8C 2.700GHz, Infiniband QDR | TOP500 Supercomputer Sites  ”www.top500.org (åpnet 31. mai 2016 ) .
  21. TOP500-liste - juni 2012 (1-100) på top500.org .
  22. "Pangea: Total superdatamaskin er den 14 th mektigste i verden" , november 2013 på connaissancedesenergies.org .
  23. “  Pangea - SGI ICE X, Xeon E5-2670 8C 2.600GHz, Infiniband FDR | TOP500 Supercomputer Sites  ”www.top500.org (åpnet 31. mai 2016 ) .
  24. (in) "  Occigen - bullx DLC Xeon 2.6GHz E5-2690v3 12C, Infiniband FDR  " på TOP500.org (åpnet 4. april 2016).
  25. "  Total tredobler kraften til superdatamaskinen Pangea - Le Monde Informatique  " , på LeMondeInformatique (åpnet 25. april 2016 ) .
  26. Topp 500 i juni 2012 , på linuxfr.org .
  27. (i) Steven J. Vaughan-Nichols, "  Linux superdatamaskiner dominerer totalt  "ZDNet .com ,14. november 2017

Vedlegg

Bibliografi

Relaterte artikler

Eksterne linker