Кушниренко А. Г. Суперкомпьютерные технологии на планете Земля

1. А.Г. Кушниренко НИИСИ РАН agk_@mail.ru
Суперкомпьютерные технологии на
планете Земля
Пущино
23.03.2015

2. Знаменитый фотоснимок –
“pale blue dot”- вид Земли из
дальнего Космоса
Эта бледная голубая точечка
– то место, где сегодня
разворачиваются события
вселенского масштаба:
единственный Разум во
Вселенной осваивает новую
технологию, усиливающую
его “разумность”

3. Игра ума ХХ века – сфера Дайсона
С развитием ИКТ-
технологий Разуму
станут доступны
свершения
галактических
масштабов.

4. Четыре факта
• На каждого жителя Земли сегодня
приходится несколько микропроцессоров
• Число переключательных элементов в
микропроцессоре приближается к числу
нейронов в человеческом мозге
• Число микропроцессоров в самом мощном
суперкомпьютере приближается к числу
живущих на Земле людей
• Компьютеры начинают превосходить
человека в тех областях, которые ранее
считались недоступными автоматизации

5. Компьютеры начинают превосходить человека (1)
Компьютеры получили право водить автомобили по
улицам и дорогам трех штатов Америки
(программа должна наездить с инструкторами
10 тысяч часов )

6. Компьютеры начинают превосходить человека (2)
Суперкомпьютер Доктор Ватсон (IBM)
обыгрывает людей в игре Что-Где-Когда

7. Компьютеры начинают превосходить человека (3)
Компьютеры могут проверять правильность
доказательства сложных теорем, и правильность
конструкции сложных электронных схем

8. XXI век: от “цифровизации” процессов
обработки информации к “цифровизации”
процессов материального производства
сделать ≈ запрограммировать

9. XXI век: от натурных экспериментов и предсказаний
с помощью формул к предсказательному
моделированию на суперкомпьютерах
предсказать ≈ запрограммировать

10. А может ли «Доктор Ватсон»
делать что-то полезное?
1. _________
2. _________
3. _________
… … …

11. «Доктор Ватсон» может:
1. Лечить
2. Шпионить
3. Проверять оригинальность патентов
4. Играть на бирже
… … …

12. XXI век: новый научный метод. От натурных
экспериментов к вычислительным
чтобы понять нужно запрограммировать
• В 2009 году для новых моделей микропроцессоров
лаборатория IBM в Цюрихе изучала взаимодействие
двуокиси гафния с кремнием на атомарном уровне.
• 50 моделей силикатов гафния
• модель — до 600 атомов и 5 тысяч электронов
• суперкомпьютер производительностью 11 тыс.
млрд. оп/сек (11 Тфлопс)
• счет одной модели - 5 суток
• все исследование - 250 дней (Ох! Долговато!)

13. XXI век: новые правила спортивных соревнований –
запрещаются слишком сложные натурные и
компьютерные испытания автомобилей формулы 1
честно побеждать ≈ мало вычислять
Ограничения
Federation Internationale de l'Automobile (FIA) на
проведение аэродинамических исследований и
применений технологий вычислительной
гидродинамики (CFD) на 2015 год
• время работы
в аэродинамической трубе < 25 часов в неделю
• производительность
суперкомпьютера для CFD < 25 терафлопс

14. Компьютерные испытания автомобилей формулы 1:
BMW Syber

15. Суперкомпьютер ALBERT 3 команды Формулы 1
фирмы BMW

16. XXI век: новые правила соревнований в
мировой экономике
Прогнозы Совета по Конкурентоспособности
Экономики США по рынкам
высокотехнологичной продукции:
•«не провел суперкомпьютерное
моделирование – не выйдешь на рынок»
•«кто слаб в суперкомпьютерных
технологиях, тот неконкурентоспособен»

17. Так что же такое СУПЕРкомпьютер?
Все вычисления проводит параллельно и
на несколько порядков превосходит
массовый персональный компьютер по
- Производительности
-Объему оперативной памяти
-Объему долговременной памяти
-Стоимости
Занимает хорошую позицию в ТОП 500

18. Теоретическая и практическая
производительности
суперкомпьютера
• Пиковая производительность – теоретическая
- сколько операций в секунду могут
произвести все сложители и умножители
компьютера
• Поддерживаемая производительность –
сколько (в среднем) сложений и умножений в
секунду производил компьютер при решении
заданной тестовой задачи

19. Знаменитая тестовая задача LINPACK – решение
«плотной» системы N линейных уравнений с N
неизвестными – и ТОП 500
ТОП 500 – суперкомпьютерный чемпионат
мира – проводится дважды в год
Участвуют только уже введенные в
эксплуатацию суперкомпьютеры
Сравнивается поддерживаемая
производительность на тесте LINPACK-N
Участнику разрешается выбрать N
Пояснение: плотный – почти все
коэффициенты системы ненулевые

20. Как выглядит система из миллиона
уравнений с миллионом неизвестных
a11x1+a12x2+a13x3+a14x4 = b1

21. Единицы измерения производительности
суперкомпьютеров в начале 21 века
• 1 Флопс – выполнение в 1 секунду 1-ой
арифметической операции над 64-
разрядными числами с плавающей запятой
(флопс – floating point operation per second)
• Гигафлопс: 1 Гфлопс = 109
Флопс
• Терафлопс: 1 Тфлопс = 1012
Флопс
• Петафлопс: 1 Пфлопс = 1015
Флопс
• Эксафлопс: 1 Эфлопс = 1018
Флопс
• Зетафлопс: 1 Зфлопс = 1021
Флопс

22. Рекордсмены ТОП 500 ноябрь 2014
1. Тяньхе-2, Китай, 34 Пфлопс (Пик 55 Пфлопс)
Энергопотребление 18 МВатт
использует американские микропроцессоры
Intel Xeon 2.2 ГГц и Intel Xeon Phi
2.Титан, США, 18 Пфлопс (Пик 27 Пфлопс)
Энергопотребление 8 Мватт
использует американские микропроцессоры
AMD Opteron 2.2 ГГц и NVIDIA

23. История роста производительности
суперкомпьютеров на планете Земля

24. Ядерное оружие и
суперкомпьютеры
Первые ядерные бомбы сделали без
компьютеров
Первые баллистические ракеты делали с
помощью компьютеров
Толчок к развитию современному этапу
развития суперкомпьютеров дал Договор о
запрещении ядерных испытаний в трех
средах
COTS – components off the shelf

25. Рост производительности массовых
коммерческих микропроцессоров
описывается законом Мура …

26. Мур: «никакой экспоненциальный рост не
вечен, но продолжительность периода
экспоненциального роста можно продлить»
Абсолютные физические пределы роста
производительности вычислительных устройств
бесконечно далеки: физики утверждают, что
компьютер массой 1 кг и объемом 1 литр
(теоретический лаптоп) не может проводить более
1050
логических операций в секунду
Технологические пределы роста уже почти
достигнуты и определяются размерами атомов,
скоростью и длиной волны света и ЦЕНОЙ ЗАВОДОВ
Резервы ближайших лет: 3D компоновка , новые
материалы, графеновые трубки

27. Изготовление микросхем – проектные нормы
• 1 нанометр – 10-9
метра
• Расстояние между атомами кремния в
подложке микропроцессора 0.5 нм
Размер элементов транзистора
• Сегодня: 14 нм, около 30 атомов решетки
• Завтра: 10 нм, около 20 атомов
• Послезавтра: ?

28. Суперкомпьютеры эксафлопного класса
• такие компьютеры нужны
• по сегодняшним методикам можно сделать
100 Петафлопс = 1/10 1 Эксафлопс, это
будет сделано в 2017 году
• 1 Эксафлопс будет сделан к 2022 г.
• как это будет сделано – сегодня неизвестно
• 1 Пфлопс в 2025 можно будет купить на
месячную зарплату
• Зетафлопсом нужно начинать заниматься
уже сегодня

29. Дорога человечества к Зетафлопсу
(1)
Начинается с образования
• Самая важная отрасль математики –
арифметика - 400 лет назад изучалась в
университетах, сегодня – в первом классе и
знакомство начинается до школы
• Самая важная отрасль информатики –
алгоритмика – 40 лет назад изучалась в
университетах, сегодня – в первом классе и
знакомство начинается до школы

30. Дорога человечества к Зетафлопсу (2)
Reading, Writing,
Arithmetic,
and Lately, Coding
May 10th, 2014

31. Дорога человечества к Зетафлопсу (3)
Бестекстовое программирование
виртуальных роботов
PiktoMir: teaching
programming concepts to
preschoolers with a new
tutorial environment
12 December 2011

32. Дорога человечества к Зетафлопсу (4)
Бестекстовое программирование
реальных роботов

33. Дорога человечества к Зетафлопсу (5)
«дойдут» только широкие специалисты
Перечень предметов, по которым должен
сдать ЕГЭ школьник страны ____________,
поступающий в технический университет:
1.Родной зык
2.Английский язык
3.Информатика
4.____________
5.____________
6.____________

34. Дорога человечества к Зетафлопсу (6)
Лично мы идем по ней уже сегодня