Как это сделано? Обзор 

Суперкомпьютеры. История развития и перспективы

В развитии компьютеров наблюдается одна устойчивая тенденция — их производительность увеличивается на порядок каждые 4 года. Главенствующее положение среди всех устройств вычислительной техники занимают суперкомпьютеры, которые по своим мощностям далеко уходят от привычных для нас компьютеров. Однако как зарождались эти монстры вычислений, и что нас ждет в будущем – занимательные вопросы.

Экскурс в историю


При попытке определить приблизительную дату создания первого суперкомпьютера появляется актуальный вопрос – что представляет собой суперкомпьютер, как его классифицировать и выделить на фоне других вычислительных машин. Здесь стоит ввести уточнение, что суперкомпьютером (от английского слова super – «сверх», «над») является аппарат, который многократно превосходит возможности любой вычислительной техники того периода. Также Гордон Белл и Дон Нельсон предложили шутливый термин. Они призвали называть суперкомпьютером любой аппарат, весящий больше одной тонны. Хотя это выражение и кажется глупым, но все современные суперкомпьютеры действительно весят больше этого показателя.
Основываясь на вышесказанном, о появлении первого суперкомпьютера можно говорить уже в 1943 году. Во время Второй мировой войны британские силы столкнулись с острой необходимостью расшифровки немецких сообщений, которые тщательно кодировались системой «Лоренц». Итогом стал компьютер «Коллосус», который в своем распоряжении имел целых 1500 ламп (2500 в модели второго поколения). Для сравнения, самое производительное устройство того времени было оснащено всего 150 лампами. Интересный факт – из-за особенностей работы ламп, включенные компьютеры этого типа не выключались вплоть до окончания войны.
Соединенные штаты также не отставали в развитии данного сегмента. Одним из первых суперкомпьютеров в США стал компьютер Атанасова-Берри, который не содержал движущихся частей. Аппарат не был программируемым и использовался только для решения системы линейных уравнений. Выдающимся достижением можно считать ENIAC – электронный числовой интегратор и вычислитель. Машина использовалась для расчетов таблиц стрельбы, без которых не обходился ни один артиллерист. На то время расчеты проводились вручную, и для выполнения полной таблицы требовалось 4 года. В итоге был получен аппарат массой в 27 тон и вычислительной мощностью в 357 операций умножения или 5 тысяч операций сложения в секунду. Частота составляла 100 килогерц. Суперкомпьютер работал с данными в десятичной форме и оперировал длиной в 20 разрядов. Комплект включал в себя больше 17 тысяч ламп, что являлось на то время колоссальным показателем.

Вторая половина 20 века


В 60-х годах двадцатого века появился уже и сам термин «суперкомпьютер». Авторство приписывают Джорджу Мишелю и Сиднею Фернбачу, работавшими в компании CDC. Однако ввести в наш лексикон и сделать общеупотребляемым этот термин смог талантливый инженер и изобретатель Сеймур Крей. В 1972 году он открыл собственную компанию, которая специализировалась на разработке высокопроизводительных компьютерных систем. Четыре года спустя фирма представила свой первый суперкомпьютер — «Крей-1», способный выполнять целых 240 миллионов операций в секунду. Такие машины покупали правительственные и научные учреждения для моделирования сложных процессов. Cray-1 на порядки превышал вычислительную мощность любого другого устройства того времени, за что и именовался «суперкомпьютером».
Позднее в 1985 году появились модели «Крей-2» и «Крей Y-MP», которые обладали соответственно быстродействием 1200 миллионов и 2670 миллионов операций в секунду. После этого были выпущены множество моделей. Последняя разработка от Cray входит в десятку мощнейших суперкомпьютеров мира. Именно машина Cray в 1988 году переступила порог в 1 гигафлопс и стала стандартом того времени, с которым сравнивались другие высокопроизводительные системы.
В конце 90-х годов активное развитие компьютерной техники привело к появлению так называемых «кластеров». Подобные системы использовали отдельные узлы, состоящие из относительно недорогого серверного оборудования, объединенные мощными коммуникациями. Кластеры обеспечивали производительность сравнимую с суперкомпьютерами, но при этом обладали более доступной стоимостью.
Согласно списку ТОП-500, вершиной эволюции суперкомпьютеров на ноябрь 2016 года является китайский Sunway TaihuLight. Его вычислительная эффективность на тесте Linpack составила 93 петафлопса. Пиковая производительность доходит до невероятных 125 петафлопс.

Перспективы развития суперкомпьютеров


Преодоление предела в эксафлопс планируется уже в 2018-2020 годах, однако и этот шаг требует от человечества огромных затрат. Классические компьютеры, возможно, уже не смогут преодолеть следующий предел, так как транзисторы будут уменьшены до своего минимума, а обильное тепловыделение не позволит создавать процессоры необходимой мощности. Распараллеливание также является лишь временным выходом, так как для питания таких многопроцессорных систем необходимы колоссальные мощности. В какой-то момент стоимость поставляемой электроэнергии просто превысит ценность производимых расчетов.
Именно поэтому перед человечеством становится глобальная проблема развития вычислительной техники. Выходом из сложившейся ситуации может стать относительно новая разработка, именуемая квантовым компьютером.
Подобное вычислительное устройство в своей основе также использует бинарную систему, но уже используются совсем другие принципы – квантовая суперпозиция и запутанность. Создание полноценных функционирующих систем станет возможным в ближайшие десятилетия. Для понимания работы квантового компьютера следует изучить некоторые аспекты квантовой механики. В первую очередь, важно понимать три главных особенности:

Состояние частицы или ее положение в квантовой механике имеет вероятностный характер.
Допускается нахождение частицы сразу во всех возможных состояниях. Это называют суперпозицией.
Суперпозиция исчезает при попытке изменить состояние частицы. При этом полученное состояние при замере отлично от реального. На первый взгляд это полная бессмыслица. Для простоты понимания можно провести аналогию с обычной дверью. Она может быть как закрыта, так и открыта. Но также у двери существует пограничное состояние, когда она приоткрыта и формально находится в обоих положениях. Это и есть суперпозиция.

Обычный процессор работает с 1 и 0, причем бит может быть только в одном состоянии – один или ноль. В квантовых компьютерах используются кубиты. Их главной особенностью является то, что они могут находиться не только в 1 или 0, но и в двух этих значениях одновременно. Именно поэтому для решения конкретных задач квантовые вычисления могут иметь существенное преимущество над классическими. Примером может служить всем известная мобильная игра Angry Birds. Для расчета «оптимальной» траектории полета с учетом гравитации используются сложные уравнения, которые рассчитывает процессор. Квантовый компьютер будет способен одновременно просчитать все траектории и выдать оптимальную за доли секунды. Это осуществляется за счет принципов квантовой механики.

Однако данное направление имеет существенные проблемы. Первая проблема – вероятность полученного ответа. Квантовые вычисления не дают точного решения, а показывают вариант с наибольшей вероятностью. Произвести коррекцию ошибки возможно, но это требует дополнительных вычислений. Вторая проблема – это сложность алгоритмов. Использование принципа суперпозиции заставляет разработчиков сильно исхитряться, чтобы сделать даже элементарные логические операции.

В этом направлении активно работают специалисты со всего мира. Все классические алгоритмы можно переписать под квантовый компьютер. Однако количество перепрограммированных алгоритмов, которые будут работать быстрее на квантовом компьютере, относительно невелико. К числу самых известных относится алгоритм Шора. На компьютере этого типа с помощью алгоритма можно намного быстрее разложить число на сомножители.
Весомый прогресс в данной области сделала группа ученых из США, создав 51-кубитный квантовый симулятор с возможностью программирования. Это одна из самых сложных разработок, созданных на сегодняшний день. На устройстве была промоделирована сложная модель поведения частиц, благодаря чему физики смогли предсказать некоторые неизвестные до этого времени эффекты. Стоит отметить, что компьютер не является универсальным и спроектирован только для решения конкретной задачи. Но это не значит, что в будущем ученым не удастся разработать персональных квантовых компьютеров.

Немаловажным направлением является исследование ДНК компьютера. В своем составе молекула ДНК имеет четыре азотистых основания – это гуанин, аденин, цитозин и тимин. Последовательности этих оснований кодируют ключевую информацию. Отдельные ферменты могут разрезать или соединять цепи дезоксирибонуклеиновой кислоты в тех местах, которые указываются другими ферментами. Благодаря этому, можно организовать хранение и обработку информации при помощи конкретных химических реакций. При этом за счет выполнения реакций в различных частях молекулы ДНК достигается принцип параллелизма.
В марте 2017 ученые из Университета Манчестера впервые реализовали работу недетерминированной универсальной машины Тьюринга на основе ДНК. Это является лишь первым шагом к созданию полноценного вычислительного устройства с привычным функционалом. Однако минимальные размеры элементов ДНК позволят получить невероятно компактные вычислительные системы, которые в перспективе будет можно вмонтировать даже в организм человека.

Комментарии

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.