UP: 10.29 10 правил Хольцмана и рекомендации для написания программ, критичных в отношении безопасности

10.29.1 Суперкомпьютеры и Watson

Семенов Ю.А. (ИТЭФ-МФТИ)
Yu. Semenov (ITEP-MIPT)

В связи с тем, что источником знаний об окружающем мире помимо теории и эксперимента стало моделирование на компьютерах, роль суперкомпьютеров стала определяющей. Суперкомпьютеры используются в различных областях науки, для оптимизации технологических процессов, разработки лекарств и т.д. Суммарная вычислительная мощнсть суперкомпьютеров характеризует уровень развития технологий в стране.

История суперкомпьютеров началась в 1960-х годах (компания CDC - компьютер 6600). Компьютер же Titan этой же фирмы - рекордсмен 2012 года, мощнее этого первого почти в 20 млрд. раз.

Существует несколько технологий построения суперкомпьютеров. Основное направление связано с распараллеливанием вычислительных операций, во втором - делается попытка повысить вычислительную мощность каждого из узлов. Получили распространение также распределенные вычислительные системы типа GRID.

Впрочем следует принимать во внимание тот факт, что iPhone 6 (2013год) имеет вычислительную мощность - 1,435 гфлопс (а эта штука поместится в вашем кармане), а PlayStation 4 - 102,4 гфлопса. Стоимость одного Гфлопса в 1961 году составляла 10¹⁸$, а в 2013 - только 0,12$.

На июнь 2011 года самым мощным в мире суперкомпьютером являктся K computer, построенный компанией Fujitsu в Кобе, Япония (первое место на тот момент в списке Top500). Этот компьютер содержит в себе 672 стойки и 68544 Fujitsu SPARC64 VIIIfx процессорных восьмиядерных модулей с 8 блоками памяти каждый (тактовая частота 2,2 ГГц). Хотя эта машина закончена лишь наполовину, она достигла производительности (по LINPACK) 8,162 петафлоп/c (10квадрильонов операций в секунду). К моменту завершения сборки и отладки в 2012 году эта супер-ЭВМ будет содержать 864 стоек (705024 процессорных ядер) и достигнет производительности 10 петафлоп/c. Его энергоэффективность составляет 2,2 Гфлопс/Вт, что выводит его на первое место и в списке Green500. Энергопотребление составит ~5×10⁶Вт (мощность первой АЭС в Обнинске). Предыдущий суперкомпьютер-рекордсмен был китайским (Tianhe-1A) и обладал производительностью 2,6 петафлоп/cек. Американский Jaguar (Окридж) имел производительность 1,75 петафлоп/c. По объему памяти новая машина вдвое превосходит лучшие машины мира, а по производительности мощнее пяти машин, следующих за ней во всемирном рейтинге. Компьютер расположен в RIKEN Advanced Institute for Computational Science. Из рисунка ниже видно, что современная вычислительная технология похоже заходит в тупик. Чего ждать дальше - компьютер-город со встроенной атомной электростанцией для его питания и охлаждения?

Огромные вычислительные мощности используются для моделирования ядерного оружия (США и Китай).

Рис. 0.2A. Суперкомпьютер- рекордсмен 2011 года (K computer; Япония)

Рис. 0.2Б. Суперкомпьютер- рекордсмен 2012 года (Titan; Окридж, США)

В последних числах мая появилось сообщение о запуске в NUDT (National University of Defense Technology, Changsha, Китай) суперкомпьютера Tianhe-2 с производительностью 54,9 петафлоп/c. Его изготовление обошлось в 290 млн. долларов. При его разработке использовано 32,000 многоядерных процессоров Intel Xeon (3120000 ядер). Согласно сообщению профессора Dongarra, система содержит по 2 узла на плате, 16 плат в раме, 4 рамы на стойку и 125 стоек. Каждый узел имеет 88 ГБ памяти. Тактовая частота 1,1 ГГц. Компьютер потребляет 24 МВт. Система охлаждения потребляет 80 кВт. Смотри Visit to the National University for Defense Technology Changsha, China. Стоимость электроэнергии для этой машины составит 24 млн. долларов в год.

Китайский суперкомпьютер Tianhe-2 (Млечный путь-2) третий год подряд занимает первое место в списке лучших компьютеров мира Top 500 (см. "China’s Supercomputer Prowess Is Part of a Greater Plan", Nick Farrell, on September 01 2014, а также Суперкомпьютеры и Watson). Считается, что США выйдут на этот уровень в 2016 году. Следует учитывать, что Китай, начиная с 2008 года расходует на НИР-ОКР 163 млрд. долларов ежегодно. При этом эти расходы увеличиваются на 18% от года к году и это при спаде или отсутствии роста таких расходов в других странах из-за экономического кризиса. Профессор Jack Dongarra, который видел этот компьютер, утверждает, что, хотя сейчас большая часть компонентов изготовлены в США, Китай намерен в ближайшее время наладить их производство у себя. В частности в Китае разработан 16-ядерный процессор ShenWei SW1600, работающий с тактовой частотой 975 Мгц. Архитектура этого микропроцессора, предназначенного для военных приложений, похожа на Digital’s Alpha.

Одним из путей понижения энергопотребления является объединение процессора и памяти на одном чипе (3D-чип). Другим решением может стать уход от ЗУ с произвольным доступом (энерго мало эффективна) к памяти NVRAM (энергонезависимой).

Рис. 0.2В. Суперкомпьютер- рекордсмен 2013 года (Tianhe-2; , Китай)

Вполне возможно, что Китай станет одним из ведущих поставщиков суперкомпьютеров.

На текущий момент (июнь 2013) в мире существует более 10 компьютеров с производительностью свыше 1 петафлоп/c (см. Top500 в июне 2014). В РФ имеется компьютер "Ломоносов" (МГУ) с 1,7 петафлоп/c. Из этих десяти Китай и Япония имеют по две, США - 5, Франция - 1. В списке самых мощных машин (Top 500) Китаю принадлежит 75 систем. Китай занимает второе место в мире, опережая Японию, Францию, Великобританию и Германию.

В ноябре 2012 году на первое место вышел компьютер из Окриджа (Теннесси, США) с производительностью 17,59 Пфлоп/с. P=8,2 МВт. S=404 м²; память - 710ТБ, а K-computer переместился на 3-ю позицию. Второе место на текущий момент занимает Sequoia (BlueGene/Q - IBM). См. TOP500. Но эти машины были лидерами чуть больше полугода, в конце мая 2013 года их обошла китайская машина Tianhe-2 (54,9 пертафлоп/c).

Любопытно, что Эрих Штромайер (Erich Strohmaier) разработчик списка Top500, в 1993 году сказал, что он не ожидает увидеть машину петафлопного класса. 15 лет назад трудно было сказать, будут ли 500 самых мощных машин иметь суммарную мощность 1 терафлоп.

Прогресс в сфере суперкомпьютинга стремителен. Так машина Roadrunner Лос Аламосской Национальной лаборатории (США), которая занимала верхнюю позицию в мировом рейтенге в июне 2008 и являлась первой, которая превзошла петафлопный барьер, сейчас занимает лишь десятое место (а в начале 2013г - 22-е).

Современный суперкомпьютер может содержать более 100000 узлов. При этом следует иметь в виду, что каждый из них имеет конечную надежность. В 2001 году время наработки на отказ супер-ЭВМ равнялось 5 часам, а в 2012 - 55 часов. Для 100000-узлового компьютера только 35% активности будет приходиться на продуктивную работу. Остальное время займет формирование точек восстановления (check point) и другие вспомогательные операции.

Наиболее частым приложением существующих супер-ЭВМ являются научные исследования. На эти задачи работает 75 таких машин (или 15%). Далее следует 36 супер-ЭВМ, работающих в сфере финансов, 33 - предоставляют различные сервисы, 23 подключены к World Wide Web и 20 работают на оборону.

Фирма IBM владеет наибольшим числом машин из этого списка (42%), далее следует Hewlett-Packard (31%) и Cray (6%). США обладают наибольшим числом супер-ЭВМ (256), Китай (62), Германия (30), Великобритания (27), Япония (26) и Франция (25). Всего в мире имеется около 500 суперкомпьютеров.

Сейчас (начало 2012 г) суперкомпьютер выполняет до 10 квадрильонов операций в сек. Смотри James Niccolai, Top500 list passes another milestone: 10 petaflops, IDG News Service, к 2015 году в мире будет использоваться 7 млрд. мобильных устройств.

Компания Intel делает первые шаги в направлении замены проводной передачи данных в компьютере на оптоволоконную. Ожидается, что это позволит увеличить скорость передачи и повысить надежность. Такая технология получила название кремниевой фотоники. Под эту технологию разрабатывается новая архитектура стоек. Разработаны первые модули кремниевой фотоники, которые позволяют передавать данные со скоростью 100Гбит/c. Речь идет о передаче данных не только между стойками, но и внутри стоек. Опробована передача данных через интерфейсы Thunderbolt на расстояния 100м.

22-го сентября 2011 г. появилась заметка компании IBM о компьютере Watson (см. Talking computer will change the world; promises not to kill you. Машина была названа Watson в честь первого президента компании IBM Thomas'а J. Watson. Разработчики (во главе с David'ом Ferrucci) позиционируют Watson как компьютерную систему искусственного интеллекта. Он ориентирован на работу с текстами на естественном языке. Watson может обрабатывать до миллиона книг в сек (500 гигабайт). Этот компьютер содержит в себе 90 серверов Power7 750, каждый из которых имеет по 4 восьмиядерных процессора Power7. Оперативная память этой машины содержит 15 Тбайт.

Хотя компьютер Watson лишь с некоторой натяжкой может быть отнесен к суперкомпьютерам (143-е место в списке Top500 на начало июня 2013), он занимает особую позицию. Это первый компьютер, который может работать с текстами на естественном языке и в нем реализован важный шаг в обучении машины пониманию контекста. Эта машина содержит в себе все данные Wikipedia. Сами создатели также не относят машину к творениям искусственного интеллекта, так как не знакомы с определением этого понятия.

Компания IBM пытается коммерциализовать использование вычислительной машины Watson (победитель телевизионного шоу Jeopardy). Среди возможных применений рассматривается сложная диагностика различных заболеваний, в частности раковых. Эта машина способна воспринимать и анализировать человеческую речь. С точки зрения программирования эта машина не является детерминистской, она управляется запросами, анализирует накопленную информацию и возвращает данные, которые с ее точки зрения являются наиболее релевантными полученному запросу. Машина может также использоваться как советчик для врача. ("Interview: Using IBM Watson for smart decisions", Dan Cerruti, 26 марта 2013).

Компания IBM предлагает свой суперкомпьютер Watson в качестве платформы для разработки облачных приложений, ориентированных на когнитивный компьютинг (см. "IBM to offer Watson supercomputer as cloud development platform", Chris Kanaracus, IDG News Service, November 14, 2013). Компьютер Watson содержал в себе 2900 ядер с оперативной памятью 15 ТБ, сейчас для указанных целей будет использоваться версия с 16-32 ядер и памятью 256 ГБ. Объемы информации во всех областях быстро растут. Обработка этих данных нашла применение в аналитических экономических прогнозах. Но нельзя исключить, что когнитивный компьютинг может стать и еще одним источником научных знаний.

Компания IBM усовершенствовала программу анализа данных Watson Discovery Advisor так, что она стала способна ответить на ваши вопросы, до того, когда вы их задали (см. "IBM Watson now answers your questions before you ask", PCWorld). Считается, что эта программа будет полезной в медицине, финансах и юридической деятельности. Можно считать, что эта система не запрограммирована, а обучена.

В области стека программ для суперкомпьютеров и даже в разработке комплектующих намечается широкое международное сотрудничество.

Вслед за Watson появились машины Siri, Cortana и пр. того же класса и назначения.

Энергетические компании встраивают информационные центры в свою высоковольтную сеть (см. "Power company plugs data center directly into high-voltage grid", James Niccolai, IDG News Service, December 8, 2014). Такое решение позволяет понизить стоимость вычислений. К центру подводится непосредственно 230-киловольтная линия. Сегодня вычислительные центры потребляют около 2% всей вырабатываемой в США энергии, а к 2030 году эта доля составит 20% (оценка Electric Power Research Institute).

Хотя компьютер-рекордсмен сегодня (начало ноября 2014) принадлежит Китаю, наибольшей компьютерной мощностью владеет США. Россия в этом списке находится на 42 месте. Смотри журнал Chip 10/2014 стр. 103.

Рис. 3. Распределение суперкомпьютерных мощностей по странам

UP: 10.29 10 правил Хольцмана и рекомендации для написания программ, критичных в отношении безопасности