Superskaitļošana augšāmcēlās

Pat jomā, ko noteica nepārtraukti sasniegumi, sasniegums bija šokējošs: pagājušā gada martā Japānas valdība palaida datoru, kas drīz vien izrādījās ātrākais pasaulē, dažos gadījumos pārspējot nākamo ātrāko datoru par 10. NEC uzbūvētā Zemes simulatora montāža prasīja četrus gadus un maksāja vismaz 350 miljonus ASV dolāru. Tas ātri sniedza reālus zinātniskus rezultātus globālā klimata modelēšanā, pabeidzot simulācijas, kas lika citiem datoriem izskatīties rupji. Zinātnieki visā pasaulē cīnījās par ierobežoto datoru laika daudzumu, kas pieejams pētniekiem ārpus Japānas. Līdz jūnijam, tikai dažas nedēļas pēc tam, kad iekārta atdzīvojās, trīs no sešiem prestižās Gordona Bela balvas finālistiem augstas veiktspējas skaitļošanas jomā bija īstenojuši savus projektus Zemes simulatorā.

Pagājušā gada pavasarī par šīm ziņām tika ziņots neskaitāmos rakstos, citējot ekspertus, kuri Zemes simulatoru salīdzināja ar Sputnik — vēl vienu gadījumu, kad Amerikas Savienotās Valstis ir ievērojami pārspīlētas kritiskās tehnoloģijas jomā. Taču ārpus augstākās klases skaitļošanas retajām aprindām stāsts drīz nomira. ASV datoru pārdevēji mazina sasniegumu, noraidot Zemes simulatoru kā vecu tehnoloģiju vai pārāk specializētu, lai no tā būtu liela nozīme, pat uzstājot, ka tas bija reklāmas triks. Piešķiriet mums 400 miljonus dolāru, ko tērēt vienam datoram, un mēs varētu kaut ko izveidot tikpat ātri, saka Pīters Ungaro, IBM augstas veiktspējas skaitļošanas viceprezidents.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2003. gada februāra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Man tas patīk, ņirgājas Gordons Bels, pirmā digitālā aprīkojuma minidatora dizainers un augstas veiktspējas skaitļošanas spīdeklis. Kā IBM to darīs? Kur ir tehnoloģija? Es vēlos saderēt ar USD 1000, ka nākamajā gadā IBM nevarēs līdzināties Zemes simulatora izmaksu veiktspējai nevienā no tām sistēmām. Faktiski IBM nesen ieguva Enerģētikas departamenta līgumu, lai izveidotu pāris mašīnu, kas paredzētas darbam ar divām līdz deviņām reizēm lielāku ātrumu nekā Zemes simulators, taču projekta pabeigšana prasīs līdz 2005. gadam. Tāpat kā daudzi no tiem, kas nodarbojas ar jaudīgu zinātnisko skaitļošanu, Bells uzskata, ka Japānas sasniegumi ir atklājuši caurumu superdatoru sistēmu attīstībā Amerikas Savienotajās Valstīs — robu, kuru ar naudu vien nevar aizpildīt.

Kas notika, kas ļāva NEC uzņemties tik milzīgu vadību skaitļošanas jaudas jomā? Vienkārši sakot, Japānas valdība uzskatīja par vajadzīgu subsidēt pasaulē dārgākā datora izstrādi. Projekta mērķis nebija iegūt lepnumu no Amerikas Savienotajām Valstīm, bet gan veicināt zinātnieku izpratni par globālo klimatu, izveidojot iekārtu, kas veic labāku modelēšanu un laikapstākļu simulācijas nekā jebkad agrāk.

Tajā pašā laikā ASV valdības finansējums pētniecībai augstākās klases skaitļošanas jomā samazinājās, reaģējot uz ASV dziļi izjusto uzskatu, ka superdatoru izstrādātājiem, piemēram, labklājības māmiņām, ir jārūpējas par sevi, nevis jāizdzīvo no valdības izdales materiāliem. Salīdzinot ar jebkuru citu datoru tirgus daļu, superdatoru tirgus ir mazs un lēni aug, tāpēc, izsīkstot publiskajam finansējumam, izsīka arī privātās investīcijas augstas veiktspējas arhitektūrās. Apmēram pēdējo desmit gadu laikā ASV uzsvars uz superdatošanu ir likts uz preču procesoru kopu sasaisti — tos, kas paredzēti ikdienas biznesa lietojumiem — tā sauktajās masveidā paralēlās konfigurācijās. Šī pieeja ir pilnīgs pretstats Japānas redzējumam par specializētām arhitektūrām, kas izstrādātas tikai augstas veiktspējas tirgum.

Patiešām, preču pieeja ir gājusi tālu: šajā rakstīšanas laikā divas preču iekārtas, dvīņi Hewlett-Packard uzbūvētie ASCI Q superdatori Losalamosas Nacionālajā laboratorijā Ņūmeksikā, ir otrie ātrākie pasaulē (pēc Top500.org mērījumiem). , bezpeļņas analīzes grupa). Ideja izmantot daudzus zemas klases procesorus sarežģītu uzdevumu veikšanai ir aizrāvusi arī sabiedrības iztēli, izmantojot tādus projektus kāSETI @ home, kurā ir izmantoti vairāk nekā četru miljonu brīvprātīgo galddatori, lai skenētu radioteleskopa datus, lai atrastu modeļus, kas liecina par citplanētiešu intelektu. Beowulf klasteri, kas izmanto 1994. gadā izstrādātu metodi datoru savienošanai kopā, lai maksimāli palielinātu to apstrādes jaudu, ir padarījuši vēl vienkāršāku augstas veiktspējas līmeņu sasniegšanu ar salīdzinoši zemiem kapitālieguldījumiem. Bez šaubām, preču pieeja ir sevi pierādījusi daudzos lietojumos, kas savulaik darbojās ar specializētu lielo dzelzi.

Taču, neraugoties uz šiem ieguvumiem, Amerikas Savienotās Valstis ir sāpīgi atpalikušas tajā jomā, kur skaitļošanas muskuļiem ir vislielākā nozīme un kur tautai ir vislielākais ieguvums: simulējot tādas sarežģītas sistēmas kā laikapstākļi makroskopiskajā galā un proteīnu locīšana mikroskopiskajā pusē. . Šī simulācijas iespēja ir arvien svarīgāka pamata zinātnes attīstībai, kā arī valsts drošībai.

Likt privātajam sektoram maksāt par šo iespēju līdzinās aizsardzības nozares apgalvojumiem, ka kodolzemūdenēm ir jābūt kaut kādai komerciālai blakusparādībai, saka Horsts Saimons, Nacionālā enerģētikas pētniecības zinātniskā skaitļošanas centra direktors Oklendā, Kalifornijā, kur atrodas 12. ātrākais dators. . Mēs esam uzsākuši virzienu Amerikas Savienotajās Valstīs, kas nedarbosies.

Nepieciešamība pēc ātruma

Kādas ir patiesās priekšrocības, padarot datorus arvien ātrākus? Kāpēc mēs nevaram izmantot iekārtu, kuras uzdevuma veikšanai nepieciešams mēnesis vai nedēļa, nevis diena vai stunda? Daudzu problēmu gadījumā mēs varam. Bet patiesība ir tāda, ka mēs tikai sākam iegūt skaitļošanas jaudu, lai saprastu, kas notiek sistēmās ar tūkstošiem vai miljoniem mainīgo; pat ātrākās mašīnas tikai tagad atklāj nākotnes solījumu.

Ņemiet, piemēram, siltumnīcefekta gāzes un veidu, kā tās ietekmē globālo klimatu, kas ir viena no problēmām, kuras pētīšanai tika izveidots Zemes simulators. Izmantojot datorus, kas darbojas pietiekami ātri, lai precīzi prognozētu klimata izmaiņas, mēs varam ar daudz lielāku pārliecību zināt, kāds atmosfēras oglekļa dioksīda līmenis izkausēs polāros ledus vāciņus. Līdzīgi, tā kā Zemes simulators modelē planētas klimatu ar neticamu precizitātes pakāpi, tas var veikt simulācijas, kas ņem vērā tādu lokālu parādību kā pērkona negaiss ietekmi. Šīs parādības var ietekmēt apgabalus tikai 10 kilometrus platumā, atšķirībā no 30 līdz 50 kilometriem, ko vairums laikapstākļu modeļu izmanto kā standarta režģa izmēru.

Vai arī ņemiet vērā grūtības, ar kurām esam saskārušies, mēģinot izprast un izmantot kodolsintēzi — tā ir mūžīgi neaizsniedzama panaceja mūsu enerģētikas problēmām. Lai veiktu vienu [sintēzes] eksperimentu, var paiet desmit gadi, saka Tomass Stērlings, Caltech Uzlaboto skaitļošanas pētījumu centra mācībspēks. Ātrāki datori paātrinātu šos projektus par gadu desmitiem, ļaujot mums ne tikai izstrādāt drošus reaktorus, kas dod mums iespēju vadīt planētu, bet arī zināt, kā atbrīvoties no atkritumiem.

Viens nesens piemērs gan mūsdienu jaudīgāko datoru solījumam, gan ierobežojumiem tika iegūts no IBM ASCI White mašīnas, pasaulē ceturtā ātrākā superdatora, kuru IBM pētnieki izmantoja, lai izpētītu, kā materiāli plaisā un deformējas stresa apstākļos. Pētījumā, par kuru tika paziņots pagājušā gada pavasarī, tika simulēta miljarda vara atomu uzvedība. Miljards noteikti izklausās kā daudz mainīgo lielumu, līdz jūs saprotat, ka būtu nepieciešams vairāk nekā simts triljonu reižu lielāks atomu skaits, lai izveidotu pat kubikcentimetru vara.

Pastāv priekšstats, ka augstas veiktspējas skaitļošana ir nobriedusi nozare, kurā visas problēmas ir atrisinātas, un mēs esam gājuši tālāk, saka Bērtons Smits, Sietlas vadošā superdatoru uzņēmuma Cray galvenais zinātnieks. Tas ir nepatiess. Zemes simulatora apmulsums atklāj faktu, ka joprojām ir daudz vairāk izpratnes.

Pielāgots pret preci

Pēdējo desmit gadu laikā viss, ko esam dzirdējuši par datoriem, ir saistīti ar to, ka tie ir mazāki, ātrāki, lētāki un līdzīgāki precēm. Piemēram, mūsu klēpjdatoriem ir tādas pašas iespējas kā Cray datoram no 1970. gadu vidus. Pēc tam nāk milzīgais Zemes simulators: tas ir četru tenisa kortu lielums, un tas maksā gandrīz divas reizes vairāk nekā tā tuvākā konkurenta ASCI Q mašīnas. Ja šī ir superskaitļošanas nākotne, ko mēs ar to varam darīt? Iekārta pat nevar lepoties ar īpaši jaunu arhitektūru: NEC izmantoja paņēmienu, ko sauc par vektoru skaitļošanu, kas datēta ar Kreja pirmajām dienām.

Taču, neskaitot savu nevainojamību un arhitektūras dīvainības, Earth Simulator ir piemērs augstas veiktspējas skaitļošanai, kas būtiski atšķiras no tās, ko izmanto lielākā daļa ASV datoru ražotāju mūsdienās. Zemes simulators tika izstrādāts no apakšas uz augšu — no tā procesoriem līdz sakaru kopnēm, kas savieno procesorus un atmiņu, lai tas būtu pasaulē ātrākais dators. Kad ASV pieeja, kas savieno vispārējas nozīmes procesorus, piemēram, tos, kas apkalpo tīmekļa lapas, sniegs rezultātu, kas var atbilst tādas iekārtas veiktspējai, kas ir īpaši paredzēta veiktspējai? Mans viedoklis ir, ka jūs to nevarat izdarīt, saka Bels. Es vienkārši neredzu veidu, kā ar vispārējas nozīmes datoru nokļūt no turienes uz šejieni.

Veiktspējas izaicinājums sākas ar procesoru. Zinātniskajos aprēķinos iegūtie dati bieži izpaužas kā skaitļu saraksti, vērtības, kas saistītas ar reālās pasaules novērojumiem. Tradicionāli datori darbojās uz šīm vērtībām secīgi, pa vienam tās izgūstot no atmiņas. Tad septiņdesmito gadu sākumā Seimūrs Krejs veica intuitīvu lēcienu: kāpēc gan neizveidot datoru tā, lai tā procesori varētu pieprasīt visu sarakstu vai vektoru uzreiz, nevis gaidīt, kamēr atmiņa atbildēs uz katru pieprasījumu pēc kārtas? Šāds procesors pavadītu vairāk laika skaitļošanai un mazāk laika, gaidot datus no atmiņas. No 1970. gadu vidus līdz 80. gadiem Kreja vektoru superdatori uzstādīja rekordus pēc rekorda. Taču tiem bija vajadzīgas dārgas specializētas mikroshēmas, un tāpēc vektoru skaitļošana ASV tika lielā mērā atmesta pēc 1990. gada, kad nostiprinājās ideja par masveidā paralēlām sistēmām, kas izgatavotas no standarta procesoriem.

Tomēr vektoru skaitļošana joprojām bija viens no visefektīvākajiem veidiem, kā apstrādāt liela mēroga simulācijas, mudinot NEC pieņemt Cray pieeju, kad tā piedāvāja valdības līgumu par Zemes simulatora izveidi. Kad NEC arhitekti nolēma veidot ātrumu, nevis standartizāciju, viņi varēja brīvi izstrādāt ne tikai specializētus procesorus, bet arī plašākus saziņas ceļus starp procesoriem, palielinot aparatūras ātruma priekšrocības. Daudzi šādi uzlabojumi ir iebūvēti NEC SX6, Zemes simulatora pamatelementā. Vektoru arhitektūra ir vispiemērotākā datorsimulācijām, kas saistītas ar grandiozu izaicinājumu zinātniskajām un inženiertehniskajām problēmām, piemēram, globālo sasilšanu, virsskaņas lidmašīnu dizainu un nanomēroga fiziku, saka Makoto Tsukakoshi, NEC Zemes simulatora projekta ģenerāldirektors.

No otras puses, preču iekārtu apvienošana ar standarta komerciālajiem tīkliem pārnes ātruma slogu no aparatūras uz programmatūru. Datorzinātniekiem ir jāraksta paralēlas programmas, kas parsē problēmas gabalos, pēc tam skaidri jākontrolē, kuriem procesoriem ir jāapstrādā katrs gabals, lai samazinātu laiku, kas pavadīts, izlaižot bitus caur saziņas sastrēgumiem starp procesoriem.

Šāda programmēšana ir izrādījusies ārkārtīgi sarežģīta: vienkārša FORTRAN programma kļūst par neparastu koda putru, kas prasa pārrakstīšanu un atkļūdošanu, ko veic paralēlās programmēšanas speciālisti. Es ceru koncentrēt savu uzmanību uz savu pētījumu, nevis uz to, kā programmēt, saka Hitoši Sakagami, Japānas Himedži Tehnoloģiju institūta pētnieks un Gordona Bela balvas finālists par darbu, izmantojot Zemes simulatoru. Es neuzskatu paralēlos datorus par pieņemamiem rīkiem manai izpētei, ja esmu spiests pastāvīgi kodēt paralēlas programmas.

Tas nav slinkums, kas neļāva programmētājiem atrast labākus veidus, kā rakstīt paralēlo kodu. Cilvēki ir ļoti smagi strādājuši, cenšoties izstrādāt jaunu lietojumprogrammatūru, kuras pamatā ir dažādi algoritmi paralēlu iekārtu izmantošanai, taču nesekmīgi, saka Džims Dekers, Enerģētikas departamenta Zinātnes biroja galvenais direktora vietnieks. (Decker aģentūra ir atbildīga par fundamentālajiem pētījumiem tādās jomās kā enerģētika un vide.) Vektoru iekārtas bieži izmanto savu paralēlās apstrādes veidu, taču matemātika, lai to paveiktu, ir daudz mazāk sarežģīta; Piemēram, Zemes simulatora zinātnieki spēj programmēt, izmantojot klasiskās FORTRAN datorvalodas garšu, kas izmanto daudz tiešāku pieeju.

Superdatoru, kurā ir liels skaits komerciālu procesoru, ir ne tikai grūti programmēt. Ir kļuvis skaidrs, ka ieguvumi no vairāku procesoru pievienošanas preču sistēmai galu galā kļūst nenozīmīgi, jo kļūst arvien grūtāk pierunāt tos strādāt kopā. Tas, kas skaitļošanas zinātnieku sirdis patiešām satrauca par Zemes simulatoru, nebija sekundē veikto aprēķinu maksimums vai maksimālais skaits, kas ir aptuveni četras reizes lielāks par nākamās ātrākās iekārtas ietilpību un pats par sevi ir pietiekami iespaidīgs. Tā vietā tā bija datora iespēja reālai problēmu risināšanai (kas galu galā ir tas, par ko zinātnieki rūpējas). Zemes simulators ilgstoši var veikt aprēķinus līdz pat 67 procentiem no maksimālās jaudas. Salīdzinājumam, masveidā paralēlā pieeja - labi, tas nav salīdzināms.

Sterling saka, ka, ja sistēmā iemetīsiet pietiekami daudz šo preču procesoru un jūs nepārslogos sakaru tīkla izmaksas, lai tos savienotu, iespējams, sasniegsiet Zemes simulatora maksimālo veiktspēju. Taču par šīm sistēmām publiski tiek ziņots reti, ka to noturīgā veiktspēja bieži vien ir mazāka par pieciem procentiem no maksimālās vērtības vai pat par vienu procentu no maksimālās vērtības.

Lai gan noteikti ir lētāk izveidot superdatorus no preču detaļām, daudziem skaitļošanas zinātniekiem ir aizdomas, ka paralēlās programmatūras izstrādes izmaksas faktiski sadārdzina zinātnisku lietojumprogrammu darbināšanu šādā iekārtā.

Dekers saka, ka cilvēki ir aizrāvušies ar zemajām izmaksām, kas izklausās pēc ļoti augsta līmeņa preču iekārtu veiktspējas. Bet tie nav īsti lētāki būvēt. Mums ir jāaplūko ilgstoša veiktspēja, kā arī programmatūras izstrādes izmaksas. Programmatūras izmaksas parasti ir lielākas nekā aparatūras izmaksas, tāpēc, ja ir aparatūras pieejas, kas atvieglo problēmas risināšanu, mēs labāk ieguldām aparatūrā. Atskatoties, es uzskatu, ka mums būtu bijis labāk izvēlēties citu ceļu.

Spēlē Catch-Up

Ja Zemes simulators patiešām tiktu uzskatīts par vēl vienu Sputnik, šobrīd ASV valdība budžetā paredzētu nopietnu naudu superskaitļošanas pētniecībai un attīstībai. Galu galā NASA iztērēja vairāk nekā 19 miljardus ASV dolāru — aptuveni 80 miljardus ASV dolāru šodienas dolāros - Apollo misijām, lai cilvēku nogādātu uz Mēness. Taču Džordžs Bušs nav Džons F. Kenedijs, un sacensība par Zemes simulatora apdzīšanu nav aizrāvusi nedz sabiedrības iztēli, nedz atbilstošu valsts finansējuma līmeni.

Tomēr ir viens no ASV izdevumiem superskaitļošanai atkārtoti virzītājspēks — nepieciešamība pēc lielākas skaitļošanas jaudas, lai simulētu kodolieroču veiktspēju, nevis pazemes izmēģinājumus. Novembrī Enerģētikas departamenta Nacionālā kodoldrošības administrācija piešķīra IBM trīs gadu līgumu par 267 miljoniem USD, lai izveidotu divus superdatorus — ASCI Purple un Blue Gene/L — kuriem tiek prognozēts vairāk kombinētās apstrādes jaudas nekā šodienas 500 ātrākajiem superdatoriem kopā. Un, reaģējot uz Zemes simulatoru, ASV Aizsardzības progresīvo pētījumu projektu aģentūra ir sākusi savu, pieticīgāku programmu, lai finansētu superdatoru pētniecību. Aģentūra sāk ar individuālām 3 miljonu ASV dolāru pētniecības dotācijām nozares līderiem Cray, IBM, Hewlett-Packard, Silicon Graphics un Sun Microsystems, kam sekos papildu līdzekļi, ja tiks sasniegti tehnoloģiju atskaites punkti. Jaunie aizsardzības projekti ir sākuši atjaunot nozari. Kreja Bērtons Smits saka: Tas patiešām iezīmē beigas diezgan ilgam periodam, kurā valdība

nav bijis iesaistīts datoru izpētē un izstrādē.

Vēl viens veids, kā iedarbināt ASV superdatošanu, varētu būt papildu investīcijas vektoru skaitļošanā — šo pieeju, ko pierāda Zemes simulators, ASV izstrādātāji priekšlaicīgi atteicās. Pašreizējais augstas veiktspējas arhitektūras stāvoklis ir saistīts ar 25 gadus vecās pamata Cray vektoru arhitektūras robustumu, ko NEC pieņēma un turpina uzlabot, saka Bells. Amerikas Savienoto Valstu arhitekti ir noraidījuši arhitektūru, vienlaikus nespējot izstrādāt konkurētspējīgas alternatīvas.

Bet kur tiks izstrādāti jauni vektordatori? Tāpat kā Amerikas Savienotās Valstis savulaik atpalika plaša patēriņa elektronikas jomā, tās arī ātri zaudēja zināšanas, kas bija nepieciešamas šādu sistēmu izveidei. No 40 uzņēmumiem, kas 80. gadu beigās specializējās augstas veiktspējas skaitļošanā, biznesā turpina darboties tikai Cray, jo 1996. gadā to iegādājās Silicon Graphics un 2000. gadā Tera. (Tera nekavējoties mainīja savu nosaukumu uz Cray, atzīstot uzņēmuma izcilība šajā jomā.) Cray ir vienīgais ASV superdatoru ražotājs, kas atbalsta vektoru apstrādi. Pagājušā gada rudenī Cray sāka piegādāt jaunu vektordatoru X1; Pilnībā noslogota iekārta par gandrīz 50 procentiem apsteigs Zemes simulatoru, norāda uzņēmums. Taču Krejs vēl nav pārdevis tik jaudīgu X1 sistēmu, un, kamēr ASV armija un Enerģētikas departaments novērtē tās potenciālu, citi klienti ir saprotami atturīgi no arhitektūras, ko atbalsta tikai viens salīdzinoši mazs uzņēmums.

Tas viss atstāj ASV superskaitļošanas cerības lielākoties uz pilnīgi jaunām arhitektūrām - tām, kurām var būt potenciāls pārspēt vektoru skaitļošanu. Lai gan DARPA granti tika uzsākti, reaģējot uz Zemes simulatoru, tie ir paredzēti, lai sasniegtu principiāli citu mērķi: radīt superdatorus, kas ir ne tikai ātrāki, bet arī lētāki uzbūvēti un lietojami nekā jebkas cits, kas izstrādāts iepriekš. Vai ir kāds veids, kā to visu izdarīt uzreiz? Ir loģiski domāt, ka tam vajadzētu būt, taču atbilde nav acīmredzama. Mēs ciešam badu pārpilnības laikmetā, saka Bils Dalijs, Stenfordas universitātes elektrotehnikas un datorzinātņu profesors. Visas skaitļošanas sastāvdaļas — aritmētika, sakari, atmiņa — kļūst lētākas, un gandrīz visam, izņemot [augstas veiktspējas] skaitļošanu, izmaksas par vienību kļūst lētākas, palielinoties mērogojumam.

Tāpat kā jebkurai jaunai arhitektūrai, lielākais izaicinājums būs atmiņas sastrēgums, kur datu salīdzinoši lēnā pāreja uz atmiņu un no tās apgrūtina procesora efektivitāti. Pat tad, kad Cray turpina izmantot savas vektoru skaitļošanas sistēmas, Cray uzbrūk šai problēmai, pielāgojot Zemes simulatorā izmantotās starpprocesoru komunikācijas metodes, lai palielinātu datu plūsmu Red Storm, masveidā paralēlā datorā, kas tiks būvēts Sandijas Nacionālajā laboratorijā Ņū. Meksika.

Dalijs uzskata, ka ir izstrādājis citu risinājumu, ko viņš sauc par straumēšanu. Lai gan tradicionālā skaitļošanas arhitektūra visas aritmētiskās darbības apstrādā vienādi, daudzu zinātnisku simulāciju aprēķini tiek veikti paši par sevi, un nav nepieciešams saglabāt starpvērtības ilgtermiņa atmiņā. Tā vietā, lai pārsūtītu vadību no vienas instrukcijas uz otru un secīgi piekļūtu atmiņai, Dalijs veido sistēmu, kas straumē datus procesoriem, kas pēc tam risina problēmu lokāli, veicot daudzus starpaprēķinus, un straumē gatavās vērtības atpakaļ atmiņā. Olbaltumvielu locīšana ir piemērs, kur, lai saprastu, kā mijiedarbojas divas molekulas, jums ir jāveic, iespējams, 500 starprezultāti, pirms nonākat pie vēlamā, saka Dalijs. Izmantojot straumēšanu, jūs varat tvert šos starprezultātus vietējos reģistros, kur sakaru joslas platums ir ļoti lēts, un jūs nekad nepieskarieties atmiņas sistēmai.

Mikroprocesoru ražošanas metožu sasniegumi arī ļauj vienā mikroshēmā ievietot procesorus un lielus atmiņas apjomus, saīsinot attālumu, kas jānovieto instrukcijām un datiem. IBM plāno izmēģināt šādas procesora atmiņas metodes superskaitļošanā, un DARPA finansē Dienvidkalifornijas universitātes centienus izpētīt, kā tieši procesora atmiņā tehnoloģija var uzlabot augstas veiktspējas sistēmas. Dienvidkalifornijas universitātes pētnieki sadarbojas ar Hewlett-Packard, lai piegādātu DARPA novērtēšanai eksperimentālu sistēmu. Un Caltech projekts, kas pazīstams kā Gilgamesh, pēta labāko veidu, kā mikroshēmā sakārtot atmiņu un loģiku: ja, piemēram, ap mikroshēmu tiktu mijas mazi atmiņas un loģikas bloki, ceļojuma laiks turpinātu samazināties, uzlabojot veiktspēju.

Vēl viena iespēja ir vienkārši apgriezt visu arhitektūru uz galvas. Cray's Burton Smith un Caltech's Sterling sadarbojas DARPA finansētā projektā, ko viņi sauc par Cascade. Viņi abi pēta veidus, kā izmantot faktu, ka augstākās klases zinātniskajā skaitļošanā datu apjoms vien bieži vien ir daudz lielāks nekā lietojumprogrammu apjoms. Citiem vārdiem sakot, ja atmiņā saglabātās lietas ir tik daudz lielākas nekā programma, kas nepieciešama tās palaišanai, kāpēc to vispār pārvietot? Kāpēc gan nepārvietot programmu uz atmiņu? Viņi ir gatavi dalīties ar savu optimismu, taču Smits un Sterlings neko citu par savu topošo arhitektūru stāsta. Esmu tīri subjektīvs, bet es domāju, ka tā ir aizraujošākā lieta augstas veiktspējas skaitļošanā pēdējo 20 gadu laikā, saka Sterlings.

Šie ir priekšlikumi, kas izraisa vislielāko interesi valsts aģentūrās, kuras, iespējams, iegādāsies nākotnes augstas veiktspējas sistēmas. Taču lielākoties tie ir prototipi vai pat mazāk, un tie sevi pierādīs tikai pēc tam, kad tiks veiktas radikālas izmaiņas it visā, sākot no procesora dizaina līdz programmatūras izstrādes veidam. Tad joprojām būs izaicinājums atrast veidu, kā jaunās sistēmas ražot efektīvi un bez defektiem. Citiem vārdiem sakot, šīs idejas nepiedāvā ātru risinājumu.

KURŠ RAŽO SUPERĀTRĀKOS DATORUS?
		Ātrākās mašīnas specifikācijas
Uzņēmums	Numurs top 500 Vārds Ātrums (gigaflops) Atrašanās vieta
Hewlett-Packard	137 ASCI Q 7727	Los Alamos nacionālais Laboratorija, NM
IBM	129 ASCI White 7226	Lorenss Livermors Nacionālā laboratorija, CA
Saules mikrosistēmas	88 HPC 4500 420	Zviedrijas bruņotie spēki, Stokholma, Zviedrija
Silikona grafika	45 ASCI Blue Mountain 1608	Los Alamos nacionālais Kalnu laboratorija, NM
Cray	22 T3E 1200 1166	Nezināms (ASV valdība)
NEC	15 Earth Simulator 35 860	Zemes simulatoru centrs, Simulators Jokohama, Japāna

Pašreizējās un piedāvātās superdatoru arhitektūras
Arhitektūras pieeja	Apraksts	Priekšrocības	Galvenie atbalstītāji
Preču kopas (darbības)	Simtiem vai tūkstošiem gatavu serveru ar zema joslas platuma saitēm	Zemu izmaksu būvniecība; efektīvi risināt problēmas, kuras var sadalīt gabalos	Hewlett-Packard, IBM, Silicon Graphics
Vektoru skaitļošana (operatīva)	Simtiem pēc pasūtījuma izgatavotu orocessoru ar liela joslas platuma savienotājiem	Vairāk laika pavadīts skaitļošanā, mazāk laika saziņai	Cray, NEC
Straumēšana (eksperimentāla)	Lokālajā atmiņā saglabātās aprēķinu starpvērtības	Ātrums; datu pārsūtīšana mikroshēmā, lai samazinātu atmiņas vājumu	Stenfordas universitāte
Procesors atmiņā (eksperimentāls)	Apstrādes shēmas un īstermiņa atmiņa mijas vienā mikroshēmā	Ātrums; mazāks attālums starp procesoriem un atmiņu	Dienvidkalifornijas Universitāte, Caltech, IBM
Kaskāde (eksperimentāla)	Dati, nevis programmatūra, tiek glabāti procesora lokālajā atmiņā	Mazāk zvanu uz atmiņu gadījumos, kad datu kopas ir lielākas par programmām	Krejs, Caltech

Datortehnikas Apollo projekts?

Pēdējo desmit gadu laikā ASV augstas veiktspējas skaitļošanas kopiena ir stāvējusi uz milzu pleciem. Daudzi zinātniskās skaitļošanas centru direktori saka, ka viņi uzskata, ka Amerikas Savienotās Valstis atrodas kritiskā lēmuma punktā, kur projektu izvēle un finansējuma apjoms, kas ieguldīts jaunās augstas veiktspējas skaitļošanas arhitektūrās, varētu taustāmā veidā ietekmēt nākotnes drošību un labklājību.

Lai atrisinātu šo nepatīkamo problēmu, patiešām būs vajadzīgas labas idejas, kas nāk no universitātēm un valdības finansējuma, un laba rūpnieciskā inženierija, saka Bels. Jaunas mikroshēmas izveide ir augstskolas paveiktā matainajā malā; tad jums ir nepieciešams kāds, kam ir resursi, lai veiktu detalizētus inženiertehniskos darbus, piemēram, dzesēšanu un savienojumus utt. Tas prasīs daudz pūļu.

Bet, ja tas tiek darīts pareizi, varētu uzziedēt pilnīgi jauns zinātnes zelta laikmets. Viens no pārsteidzošākajiem Earth Simulator projekta aspektiem ir tā atvērtība. Zinātnieki sazinās, neskatoties uz valodas un ģeogrāfiskajām barjerām. Viņi pārbauda teorijas un veic simulācijas, kas var uzlabot mūsu izpratni par pasauli un sniegt labumu mums visiem. Pirms dažiem mēnešiem Sterlings organizēja tikšanos starp Zemes simulatora iekārtas direktoru Tetsuju Sato un Makgila universitātes profesoru Džonu Gjaku, kurš ir viens no pasaulē vadošajiem ekspertiem par to, kā mazas laikapstākļu sistēmas, piemēram, pērkona negaiss, ietekmē globālos laikapstākļu modeļus. Pirms Zemes simulatora nebija neviena datora, kas varētu viegli iekļaut šādas mazas sistēmas liela mēroga klimata simulācijās. Tagad var būt. Viņi ir atvēruši sadarbību, jo viņiem galvenokārt rūp zinātniskie rezultāti, saka Sterlings. Un tas, ko viņi dara, ir svarīgi ikvienam uz planētas.

Tāpēc ne tikai datorzinātņu attīstībai ir nepieciešams vairāk un viedāka skaitļošanas tehnika. Tas virzās uz priekšu katru zinātni. Zinātne 21. gadsimtā balstās uz trim pīlāriem, saka Enerģētikas departamenta Dekers. Kā vienmēr, ir teorija un eksperimenti. Bet simulācija būs trešais zinātnisko atklājumu pīlārs. Ņemot vērā problēmas, ar kurām mēs saskaramies, mēs nepārprotami vēlamies būt mūsu zinātnes līderi. Ja mūsu datoru veiktspēja ir par lielumu mazāka par to, ko mēs zinām, ka tie var būt pat šodien, tad mēs tādi nebūsim.

paslēpties