Підпишіться зараз

* Дізнавайся першим про останні новини!

Популярні новини
Використовуючи наш веб-сайт, ви погоджуєтесь на використання  файлів cookie.
Як це зроблено?

Суперкомп’ютери. Історія розвитку і перспективи 

В еволюції комп’ютерів спостерігається одна стійка тенденція – їх продуктивність збільшується на порядок кожні 4 роки. Чільне місце серед всіх пристроїв обчислювальної техніки займають суперкомп’ютери, які за своїми потужностями значно перевершують звичні для нас комп’ютери. Однак, як зароджувалися ці монстри обчислень та що нас чекає в майбутньому – цікаві питання.

Екскурс в історію

При спробі визначити приблизну дату створення першого суперкомп’ютера постає актуальне питання – що являє собою суперкомп’ютер, як його класифікувати і виділити на тлі інших обчислювальних машин. Тут варто ввести уточнення, що суперкомп’ютером (від англійського слова super – «понад», «над») є апарат, який в багато разів перевершує можливості будь-якої обчислювальної техніки того періоду. Також, Гордон Белл та Дон Нельсон запропонували жартівливий термін. Вони закликали називати суперкомп’ютером будь-який апарат, що важить більше однієї тонни. Хоча цей вислів і здається дивакуватим, всі сучасні суперкомп’ютери дійсно важать більше цього показника.

Грунтуючись на вищесказаному, можна говорити що перший суперкомп’ютер був створений ще в 1943 році. Під час Другої світової війни британські сили зіткнулися з гострою необхідністю розшифровки повідомлень на німецькій мові, які ретельно кодувалися системою «Лоренц». В результаті виник комп’ютер «Коллосус», який був оснащений 1500 лампами (2500 в моделі другого покоління). Для порівняння, найбільш продуктивний пристрій того часу був оснащений всього 150 лампами. Цікавий факт – через особливості роботи ламп, включені комп’ютери подібного типу не вимикалися аж до закінчення війни.

Сполучені Штати також не відставали у розвитку даного сегмента. Одним з перших суперкомп’ютерів в США був комп’ютер Атанасова-Беррі, який не містив рухомих частин. Апарат не був програмованим та використовувався тільки для вирішення системи лінійних рівнянь. Визначним досягненням американської інженерної думки можна вважати розробку ENIAC – електронний цифровий інтегратор та обчислювач. Машина використовувалася для розрахунків таблиць ведення вогню, без яких не обходився жоден артилерист. На той час розрахунки проводилися вручну, тому для розробки повної таблиці потрібно 4 роки. В результаті був створений апарат масою 27 тон із обчислювальною потужністю в 357 операцій множення або 5 тисяч операцій додавання в секунду. Працював він із частотою 100 кілогерц. Цей суперкомп’ютер опрацьовував дані в десятковій формі та оперував довжиною в 20 розрядів. В його конструкцію входило більше 17 тисяч ламп, що на той час було колосальним показником.

Друга половина 20 століття

В 60-х роки двадцятого століття з’явився і сам термін «суперкомп’ютер». Авторство приписують Джорджу Мішелю та Сіднею Фернбачу, які працювали в компанії CDC. Однак, ввести в наш лексикон і зробити загальновживаним цей термін зміг талановитий інженер та винахідник Сеймур Крей. У 1972 році він відкрив власну компанію, яка спеціалізувалася на розробці високопродуктивних комп’ютерних систем. Чотири роки по тому фірма представила свій перший суперкомп’ютер – «Крей-1», здатний виконувати 240 мільйонів операцій в секунду. Такі машини купували урядові та наукові установи для моделювання складних процесів. Cray-1 на порядки перевищував обчислювальну потужність будь-якого іншого пристрою того часу, за що й отримав найменування «суперкомп’ютер».

Пізніше в 1985 році з’явилися моделі «Крей-2» і «Крей Y-MP», які працювали із швидкодією 1200 мільйонів і 2670 мільйонів операцій в секунду відповідно. Після цього було випущені багато моделей суперкомп’ютерів. Остання розробка від Cray входить в десятку найпотужніших суперкомп’ютерів світу. Саме машина Cray в 1988 році переступила поріг в 1 гігафлопс та стала стандартом того часу, із яким порівнювалися інші високопродуктивні системи.

В кінці 90-х років активний розвиток комп’ютерної техніки призвів до появи так званих «кластерів». Подібні системи використовували окремі вузли, які складалися з відносно недорогого серверного обладнання, об’єднані потужними комунікаціями. Кластери забезпечували продуктивність порівнянну з суперкомп’ютерами, але при цьому були більш доступні за вартістю.

Згідно зі списком ТОП-500, вершиною еволюції суперкомп’ютерів станом на листопад 2016 року є китайська розробка Sunway TaihuLight. Його обчислювальна ефективність в тесті Linpack склала 93 петафлопса. Пікова продуктивність доходить до неймовірного показника в 125 петафлопс.

Перспективи розвитку суперкомп’ютерів

Подолання межі в 1 ексафлопс планується вже в 2018-2020 роках, проте цей крок вимагає від людства величезних витрат. Традиційні комп’ютери, можливо, вже не зможуть подолати наступну межу, оскільки транзистори будуть зменшені до свого мінімуму, а рясне тепловиділення не дозволить створювати процесори необхідної потужності.

Розпаралелювання також є лише тимчасовим виходом, так як для живлення таких багатопроцесорних систем необхідні колосальні потужності. У якийсь момент вартість електроенергії, що потрібна для живлення перевищить цінність виконаних розрахунків.

Саме тому перед людством постає глобальна проблема розвитку обчислювальної техніки. Виходом із даної ситуації може стати відносно нова розробка, що називається квантовим комп’ютером.

Подібний обчислювальний пристрій в своїй основі також використовує бінарну систему, але керується іншими принципами – квантова суперпозиція та заплутаність. Створення повноцінних функціонуючих систем буде можливим в найближчі десятиліття. Для розуміння роботи квантового комп’ютера слід вивчити деякі аспекти квантової механіки. В першу чергу, важливо розуміти три головні особливості:

Стан частинки або її положення в квантовій механіці має імовірнісний характер.

Допускається перебування частинки у всіх можливих станах одночасно. Це називають суперпозицією.

Суперпозиція зникає при спробі змінити стан частинки. При цьому отриманий стан при вимірі відрізняється від реального. На перший погляд це повна нісенітниця. Для простоти розуміння можна провести аналогію зі звичайними дверима. Вони можуть бути як закритими, так і відкритими. Але також у дверей існує прикордонний стан, коли вони відкриті і формально перебувають в обох положеннях. Це і є суперпозицією.

Звичайний процесор працює з одиницями і нулями, причому біт може бути тільки в одному стані – 1 або 0. У квантових комп’ютерах використовуються кубіти. Їх головною особливістю є те, що вони можуть перебувати не тільки в 1 або 0, але і в двох цих значеннях одночасно. Саме тому для вирішення конкретних завдань квантові обчислення можуть мати суттєву перевагу над класичними. Прикладом може служити всім відома мобільна гра Angry Birds. Для розрахунку «оптимальної» траєкторії польоту з урахуванням гравітації використовуються складні рівняння, які розраховує процесор. Квантовий комп’ютер буде здатний одночасно прорахувати всі траєкторії та видавати оптимальну менш ніж за секунду. Це здійснюється завдяки принципам квантової механіки.Однак даний напрямок має суттєві проблеми. Перша проблема – ймовірність отриманої відповіді. Квантові обчислення не дають точного рішення, а показують варіант із найбільшою ймовірністю. Провести корекцію помилки можливо, але це вимагає додаткових обчислень.

Друга проблема – це складність алгоритмів. Використання принципу суперпозиції змушує розробників сильно примудрятися, щоб зробити навіть елементарні логічні операції.У цьому напрямку активно працюють фахівці з усього світу. Всі класичні алгоритми можна переписати під квантовий комп’ютер. Однак, кількість перепрограмованих алгоритмів, які будуть працювати швидше на квантовому комп’ютері, відносно невелика. До числа найвідоміших відноситься алгоритм Шора. На комп’ютері цього типу за допомогою алгоритму можна набагато швидше розкласти число на множники.

Вагомий прогрес в даній області зробила група вчених з США, створивши 51-кубітний квантовий симулятор із можливістю програмування. Це одна з найскладніших розробок, створених на сьогоднішній день. Пристрої дозволяють змоделювати складну модель поведінки частинок, що надало можливість вченим фізикам спрогнозувати деякі невідомі до цього часу ефекти. Варто відзначити, що такий комп’ютер не є універсальним та спроектований тільки для вирішення конкретного завдання. Але це не означає, що в майбутньому вченим не вдасться розробити персональні квантові комп’ютери.

Важливим напрямком є ​​дослідження ДНК комп’ютера. У своєму складі молекула ДНК має чотири азотистих підстави – це гуанін, аденін, цитозин і тимін. Послідовності цих підстав кодують ключову інформацію. Окремі ферменти можуть розрізати або з’єднувати ланцюг дезоксирибонуклеїнової кислоти в тих місцях, які вказуються іншими ферментами. Завдяки цьому, можна організувати зберігання та обробку інформації за допомогою конкретних хімічних реакцій. При цьому за рахунок виконання реакцій в різних частинах молекули ДНК досягається принцип паралелізму.

У березні 2017 вчені з Університету Манчестера вперше реалізували роботу недетермінованої універсальної машини Тьюринга на основі ДНК. Це є лише першим кроком до створення повноцінного обчислювального пристрою зі звичним функціоналом. Однак мінімальні розміри елементів ДНК дозволять отримати неймовірно компактні обчислювальні системи, які в перспективі можна буде вмонтувати навіть в організм людини.

Схожі публікації

Залишити відповідь

Цей сайт використовує Akismet для зменшення спаму. Дізнайтеся, як обробляються ваші дані коментарів.