ЭВМ и суперкомпьютеры

       Несмотря  на все сложности, сфера применения MPP-компьютеров понемногу расширяется. Различные MPP-системы эксплуатируются во многих ведущих суперкомпьютерных центрах мира, что наглядно следует из списка ТОР500. Кроме уже упоминавшихся, следует особенно отметить компьютеры Cray T3D и Cray ТЗЕ, которые иллюстрируют тот факт, что мировой лидер производства векторных суперЭВМ, компания Cray Research, уже не ориентируется исключительно на векторные системы. Наконец, нельзя не вспомнить, что новейший суперкомпьютерный проект министерства энергетики США будет основан на MPP-системе на базе Pentium Pro.

       2.2. Сферы применения суперкомпьютеров

       Для каких применений нужна столь  дорогостоящая техника? Может показаться, что с ростом производительности настольных ПК и рабочих станций, а также серверов, сама потребность  в суперЭВМ будет снижаться. Это  не так. С одной стороны, целый ряд приложений может теперь успешно выполняться на рабочих станциях, но с другой стороны, время показало, что устойчивой тенденцией является появление все новых приложений, для которых необходимо использовать суперЭВМ.

       Прежде  всего следует указать на процесс проникновения суперЭВМ в совершенно недоступную для них ранее коммерческую сферу. Речь идет не только скажем, о графических приложениях для кино и телевидения, где требуется все та же высокая производительность на операциях с плавающей запятой, а прежде всего о задачах, предполагающих интенсивную (в том числе, и оперативную) обработку транзакций для сверхбольших БД. В этот класс задач можно отнести также системы поддержки принятия решений и организация информационных складов. Конечно, можно сказать, что для работы с подобными приложениями в первую очередь необходимы высокая производительность ввода-вывода и быстродействие при выполнении целочисленных операций, а компьютерные системы, наиболее оптимальные для таких приложений, - это не совсем суперЭВМ. Но следует вспомнить, что такие требования возникают, в частности, со стороны ряда приложений ядерной физики, например, при обработке результатов экспериментов на ускорителях элементарных частиц. А ведь ядерная физика - классическая область применения суперЭВМ со дня их возникновения.

       Как бы то ни было, наметилась явная тенденция  к сближению понятий "мэйнфрейм", "многопроцессорный сервер" и "суперЭВМ". Нелишне заметить, что это происходит на фоне начавшегося во многих областях массированного перехода к централизации и укрупнению в противоположность процессу разукрупнения и децентрализации.

       Традиционной  сферой применения суперкомпьютеров всегда были научные исследования: физика плазмы и статистическая механика, физика конденсированных сред, молекулярная и атомная физика, теория элементарных частиц, газовая динамика и теория турбулентности, астрофизика. В химии - различные области вычислительной химии: квантовая химия (включая расчеты электронной структуры для целей конструирования новых материалов, например, катализаторов и сверхпроводников), молекулярная динамика, химическая кинетика, теория поверхностных явлений и химия твердого тела, конструирование лекарств. Естественно, что ряд областей применения находится на стыках соответствующих наук, например, химии и биологии, и перекрывается с техническими приложениями. Так, задачи метеорологии, изучение атмосферных явлений и, в первую очередь, задача долгосрочного прогноза погоды, для решения которой постоянно не хватает мощностей современных суперЭВМ, тесно связаны с решением ряда перечисленных выше проблем физики. Среди технических проблем, для решения которых используются суперкомпьютеры, задачи аэрокосмической и автомобильной промышленности, ядерной энергетики, предсказания и разработки месторождений полезных ископаемых, нефтедобывающей и газовой промышленности (в том числе проблемы эффективной эксплуатации месторождений, особенно трехмерные задачи их исследования), и, наконец, конструирование новых микропроцессоров и компьютеров, в первую очередь самих суперЭВМ.

       Суперкомпьютеры традиционно применяются для  военных целей. Кроме очевидных  задач разработки оружия массового  уничтожения и конструирования самолетов и ракет, можно упомянуть, например, конструирование бесшумных подводных лодок и др. Самый знаменитый пример - это американская программа СОИ. Уже упоминавшийся MPP-компьютер Министерства энергетики США будет применяться для моделирования ядерного оружия, что позволит вообще отменить ядерные испытания в этой стране.

       Анализируя  потенциальные потребности в  суперЭВМ существующих сегодня приложений, можно условно разбить их на два  класса. К первому можно отнести  приложения, в которых известно, какой уровень производительности надо достигнуть в каждом конкретном случае, например, долгосрочный прогноз погоды. Ко второму можно отнести задачи, для которых характерен быстрый рост вычислительных затрат с увеличением размера исследуемого объекта. Например, в квантовой химии неэмпирические расчеты электронной структуры молекул требуют затрат вычислительных ресурсов, пропорциональных N^4 или N^5, где N условно характеризует размер молекулы. Сейчас многие молекулярные системы вынужденно исследуются в упрощенном модельном представлении. Имея в резерве еще более крупные молекулярные образования (биологические системы, кластеры и т.д.), квантовая химия дает пример приложения, являющегося "потенциально бесконечным" пользователем суперкомпьютерных ресурсов.

       Есть еще одна проблема применения суперЭВМ, о которой необходимо сказать - это визуализация данных, полученных в результате выполнения расчетов. Часто, например, при решении дифференциальных уравнений методом сеток, приходится сталкиваться с гигантскими объемами результатов, которые в числовой форме человек просто не в состоянии обработать. Здесь во многих случаях необходимо обратиться к графической форме представления информации. В любом случае возникает задача транспортировки информации по компьютерной сети. Решению этого комплекса проблем в последнее время уделяется все большее внимание. В частности, знаменитый Национальный центр суперкомпьютерных приложений США (NCSA) совместно с компанией Silicon Graphics ведет работы по программе "суперкомпьютерного окружения будущего". В этом проекте предполагается интегрировать возможности суперкомпьютеров POWER CHALLENGE и средств визуализации компании SGI со средствами информационной супермагистрали.

       2.3. Суперкомпьютеры в России

       СуперЭВМ  являются национальным достоянием, и их разработка и производство несомненно должны быть одним из приоритетов государственной технической политики стран, являющихся мировыми лидерами в области науки и техники. Блестящим примером глубокого понимания всего комплекса соответствующих проблем является статья известного нобелевского лауреата в области физики К. Вильсона. Опубликованная свыше десять лет назад, она и сейчас представляет интерес для российского читателя.

       Практически единственными странами, разрабатывающими и производящими суперЭВМ в больших масштабах, являются США и Япония. Свои суперкомпьютеры были созданы в Индии и Китае. Большинство развитых стран, в том числе и ряд государств Восточной Европы, предпочитают использовать суперкомпьютеры, произведенные в США и Японии.

       Во  всемирный процесс активизации рынка высокопроизводительных вычислений (HPC) все активнее включается и Россия. В 2003 году компании Arbyte и Kraftway при поддержке корпорации Intel объявили о создании своих Центров компетенции на базе платформы Intel, деятельность которых, в том числе, будет направлена и на построение НРС-систем. Кроме того, компании Intel и IBM сообщили о том, что компания Paradigm, ведущий поставщик технологий для обработки геолого-геофизических данных и проектирования бурения для нефтегазовой отрасли, модернизировала свой расположенный в Москве центр обработки сейсмических данных, установив серверный кластер IBM из 34 двухпроцессорных серверов на базе процессоров Intel Xeon. Новая система ускорила работу ресурсоемких вычислительных приложений Paradigm за счет применения кластерных технологий на базе ОС Linux. Новые возможности проведения более точных расчетов, несомненно, увеличат конкурентоспособность российских нефтяных компаний на мировом рынке.

       Следует также упомянуть российско-белорусскую  компьютерную программу «СКИФ», в рамках которой в 2003 году был создан кластер «СКИФ К-500» с пиковой производительностью более 700 миллиардов операций в секунду. Кластер установлен в Объединенном институте проблем информатики Национальной академии наук Беларуси, который выполнил окончательную сборку и наладку системы. Кластер используется для высокопроизводительных вычислений в наукоемких отраслях промышленности, биологии, медицине, генетике, геологоразведке, для контроля за окружающей средой, прогнозирования погоды, решения транспортных и многих других задач. «СКИФ К-500» построен на основе 128 процессоров Intel Xeon, которые объединены в 64 двухпроцессорных вычислительных узла.

       В июне 2004 г. представители компании «Т-Платформы», Института программных систем (ИПС) РАН и корпорации Intel объявили о создании четырехузлового кластера T-Bridge8i на базе процессоров Intel Itanium 2 и технологии InfiniBand, а также рассказали о перспективах использования данного решения в рамках программы «СКИФ». Кластер T-Bridge8i стал первой в России системой на основе процессоров Intel Itanium 2, двухпроцессорные узлы которой выполнены в конструктиве высотой 1U. Объединив в T-Bridge8i передовые достижения в области 64-разрядной процессорной архитектуры и кластерных коммуникаций, инженеры «Т-Платформы» построили уникальное по концентрации вычислительной мощности решение, обладающее широкими возможностями для масштабирования. Этот кластер предназначен для решения задач, требующих максимальной производительности вычислений с плавающей точкой, и может эффективно использоваться в различных отраслях промышленности и для научных расчетов. В рамках программы «СКИФ» T-Bridge8i будет применяться с целью адаптации для архитектуры Intel Itanium программного обеспечения, разработанного в рамках программы, а также для исследований в области GRID-технологий.

       «Мы давно работаем с системами на базе 64-разрядной архитектуры Intel, и  наши тесты показывают наилучшую  производительность процессоров Intel Itanium 2 на вычислениях с плавающей точкой. На мой взгляд, «СКИФ» – это единственная государственная программа, в рамках которой предпринимаются серьезные шаги по решению проблем отечественной суперкомпьютерной отрасли. Поэтому мы надеемся, что, инвестируя наши разработки и средства в программу «СКИФ», мы вносим свой вклад в развитие отечественной экономики», – отметил директор компании «Т-Платформы» Всеволод Опанасенко. 
 
 
 
 
 
 

       3. Персональные компьютеры 

       3.1. Архитектура современных ПК

       Основные блоки IBM PC 

       Обычно  персональные компьютеры IBM PC состоят из трёх частей (блоков):

1. системного блока;
2. клавиатуры, позволяющей вводить символы в компьютер;
3. монитора (или дисплея) - для изображения текстовой и графической информации.

       Компьютеры  выпускаются и в портативном  варианте - в "наколенном" (лэптоп) или "блокнотом" (ноутбук) исполнении. Здесь системный блок, монитор и клавиатура заключены в один корпус: системный блок спрятан под клавиатурой, а монитор сделан как крышка к клавиатуре.

       Хотя  из этих частей компьютера системный  блок выглядит наименее эффектно, именно он является в компьютере "главным". В нем располагаются все основные узлы компьютера:

• электронные схемы, управляющие работой компьютера (микропроцессор, оперативная память, контроллеры устройства и т.д.);
• блок питания, преобразующий электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера;
• накопители (или дисководы) для гибких магнитных дисков, используемые для чтения и записи на гибкие магнитные диски (дискеты);
• накопитель на жёстком магнитном диске, предназначенный для чтения и записи на несъёмный жёсткий магнитный диск (винчестер).

       ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА 

       К системному блоку компьютера IBM PC можно  подключать различные устройства ввода-вывода информации, расширяя тем самым его  функциональные возможности. Многие устройства подсоединяются через специальные гнезда (разъёмы), находящиеся обычно на задней стенке системного блока компьютера. Кроме монитора и клавиатуры, такими устройствами являются, например:

• принтер - для вывода на печать текстовой и графической информации;
• мышь - устройство, облегчающее ввод информации в компьютер;
• джойстик - манипулятор в виде укрепленной на шарнире ручки с кнопкой, употребляется в основном для компьютерных игр.
• плоттер - устройство, позволяющее представлять выводимые из компьютера данные в виде рисунка или графика на бумаге. Называют обычно графопостроителем, или плоттером.
• диджитайзер - координирующий преобразователь, который используется в основном для задач САПР. В состав диджитайзера помимо самого планшета входит специальный указатель с датчиком, напоминающий авиационный прицел второй мировой войны.