Supercomputadora

Una supercomputadora o supercomputadora es una computadora diseñada para lograr el mayor rendimiento posible con las técnicas conocidas en el momento de su diseño, en particular en lo que respecta a la velocidad de cálculo .

Las supercomputadoras científicas se denominan "computación de alto rendimiento" (en inglés  : computación de alto rendimiento o HPC). Esta disciplina se divide en dos: el hardware parte (diseño electrónico de la herramienta de cálculo) y el software de parte (adaptación del software del cálculo de la herramienta). Estas dos partes se refieren a diferentes campos de conocimiento.

Histórico

Las primeras supercomputadoras (o supercomputadoras) aparecieron en la década de 1960 . En 1961, IBM desarrolló IBM Stretch o IBM 7030, una unidad de la cual se operó en Francia en 1963.

En ese momento, y hasta la década de 1970 , el mayor fabricante de supercomputadoras del mundo era Control Data Corporation (CDC), con su diseñador Seymour Cray . Posteriormente, Cray Research , fundada por Seymour Cray luego de su salida de CDC, tomó ventaja sobre sus demás competidores, hasta alrededor del año 1990. En la década de 1980 , como es el caso que se producía en el mercado de microcomputadoras de la década de 1970, muchas pequeñas empresas ingresaron a este mercado, pero la mayoría de ellos desaparecieron en el “  crash  ” del mercado de supercomputadoras de mediados de la década de 1990 .

A qué se refiere el término supercomputadora varía con el tiempo, ya que las computadoras más poderosas del mundo en un momento dado tienden a ser igualadas, y luego superadas, por máquinas de uso común muchos años después. Las primeras supercomputadoras de los CDC eran computadoras simples de un solo procesador (pero a veces con hasta diez procesadores periféricos para E / S ) unas diez veces más rápidas que la competencia. En la década de 1970, la mayoría de las supercomputadoras adoptaron un procesador vectorial , que decodifica una instrucción una vez y la aplica a toda una serie de operandos .

No fue hasta finales de la década de 1980 que se adoptó la técnica de sistemas masivamente paralelos , con el uso en una sola supercomputadora de miles de procesadores. Hoy en día, algunas de estas supercomputadoras paralelas utilizan microprocesadores tipo "  RISC  ", diseñados para computadoras seriales, como PowerPC o PA-RISC . Otras supercomputadoras usan procesadores de menor costo, del tipo "  CISC  ", microprogramados en RISC en el chip electrónico ( AMD o Intel ): la eficiencia es un poco menor, pero el canal de acceso a la memoria , a menudo un cuello de botella , está mucho menos estresado.

En el XXI °  siglo , los superordenadores se diseñan generalmente como modelos únicos de los fabricantes de ordenadores 'tradicionales' como International Business Machines (IBM), Hewlett-Packard (HP), o Bull , tienen tras de sí una larga tradición en el campo (IBM) o que compraron en los años noventa empresas especializadas, entonces en crisis, para adquirir experiencia en este campo.

usar

Las supercomputadoras se utilizan para todas las tareas que requieren una potencia de cálculo muy alta , como la previsión meteorológica , el estudio del clima (sobre este tema, ver programas financiados por el G8-HORCs ), el modelado de objetos químicos ( cálculo de estructuras y propiedades , modelado molecular ,  etc. . ), simulaciones físicas (simulaciones aerodinámicas , cálculos de resistencia de materiales , explosión simulada de armas nucleares , estudio de fusión nuclear ,  etc. ), el criptoanálisis o simulaciones en finanzas y seguros ( cálculo estocástico ).

Las instituciones de investigación civiles y militares se encuentran entre los usuarios más habituales de supercomputadoras.

En Francia , estas máquinas se encuentran en los centros de computación universitarios nacionales, como el Instituto de Desarrollo y Recursos en Informática Científica (IDRIS), el Centro Nacional de Computación para la Educación Superior (CINES), pero también en el Comisariado de energía atómica y energías alternativas. (CEA) o en determinadas grandes empresas, como Total , EDF o Météo-France .

Diseño

Componentes y arquitectura

Las supercomputadoras obtienen su superioridad sobre las computadoras convencionales de ambos:

Casi siempre están diseñados específicamente para un cierto tipo de tarea (la mayoría de las veces cálculos numéricos científicos: computación matricial o vectorial ) y no buscan un desempeño particular en otras áreas.

La arquitectura de memoria de las supercomputadoras está diseñada para suministrar continuamente datos a cada procesador con el fin de aprovechar al máximo su potencia informática . El rendimiento superior de la memoria (mejores componentes y mejor arquitectura) explica en gran medida la ventaja de las supercomputadoras sobre las convencionales.

Su sistema de entrada / salida ( bus ) está diseñado para proporcionar un gran ancho de banda , con menos latencia, ya que este tipo de computadora no está diseñada para procesar transacciones .

Al igual que con cualquier sistema paralelo, se aplica la Ley de Amdahl , y los diseñadores de supercomputadoras dedican algunos de sus esfuerzos a eliminar las partes no paralelizables de software y desarrollan mejoras de hardware para eliminar los cuellos de botella restantes.

Principales obstáculos técnicos

Por un lado, las supercomputadoras suelen requerir varios megavatios de energía eléctrica . Esta comida también debe ser de alta calidad. Como resultado, producen una gran cantidad de calor y, por lo tanto, deben enfriarse para funcionar normalmente. La refrigeración (por ejemplo, refrigeración por aire ) de estos ordenadores a menudo plantea un problema de aire acondicionado importante .

Por otro lado, los datos no pueden fluir más rápido que la velocidad de la luz entre dos partes de una computadora . Cuando el tamaño de una supercomputadora supera varios metros, el tiempo de latencia entre ciertos componentes se cuenta en decenas de nanosegundos . Por tanto, los elementos están dispuestos para limitar la longitud de los cables que conectan los componentes. En Cray-1 o Cray- II , por ejemplo, estaban dispuestos en círculo .

Hoy en día, estas computadoras pueden procesar y comunicar grandes volúmenes de datos en muy poco tiempo. El diseño debe garantizar que estos datos se puedan leer, transferir y almacenar rápidamente. De lo contrario, la potencia informática de los procesadores quedaría subexplotada ( cuello de botella ).

Historial de registros

Con fecha de Supercomputadora Constructor Tipo de procesadores; frecuencia Numero de procesadores Poder real Localización
1938 Z1 Konrad Zuse FLOPS Alemania
en Konrad Zuse
1939 Z2 Konrad Zuse 5  FLOPS Alemania
en Konrad Zuse
1941 Z3 Konrad Zuse 5,33  Hz 20  FLOPS Alemania
Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt
1942 Heath Robinson  (en) TRE 200  flotadores Reino Unido
Bletchley Park
1943 Coloso Mark I TRE FLOPS dekilo Reino Unido
Bletchley Park
1944 Coloso Mark II TRE 5  kFLOPS Reino Unido
Bletchley Park
1946 ENIAC 100  kHz 50  kFLOPS Campo de pruebas de Aberdeen en Estados Unidos
1956 TX-0 Laboratorio Lincoln del MIT 18 bits 3.600 83  kFLOPS Instituto de Tecnología de Massachusetts de los Estados Unidos
1958 TX-2 Laboratorio Lincoln del MIT 5  MHz , 36 bits 22.000 83  kFLOPS Instituto de Tecnología de Massachusetts de los Estados Unidos
1958 SAGE  (en) IBM 400  kFLOPS Estados Unidos Fuerza Aérea de los
Estados Unidos
1960 Univac LARC  (en) IBM 2 500  kFLOPS Estados Unidos
Lawrence Livermore National Laboratory yDavid Taylor Model Basin
1961 IBM 7030 IBM 100  MHz , 16K palabras de 64 bits 1.2  mega FLOPS Laboratorio Nacional de Los Alamos de los Estados Unidos
1964 CDC 6600 Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades 10  MHz 3  MFLOPS Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de los Estados Unidos
1969 CDC 7600  (en) Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades 36,4  MHz 36,4  MFLOPS Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de los Estados Unidos
1974 Estrella-100 Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades 16 bits 100  MFLOPS Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de los Estados Unidos
1975 ILLIAC IV  (en) Burroughs 4 × 13  MHz , 64 bits 256 150  MFLOPS
Centro de Investigación Ames de Estados Unidos (NASA)
1976 Cray-1 Lápiz 83  MHz , 64 bits 2 166  MFLOPS Laboratorio Nacional de Los Alamos de los Estados Unidos
1981 Internet 205  ( pulgadas ) Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades 32/64 bits 400  MFLOPS Varios lugares del mundo
mil novecientos ochenta y dos Cray X-MP Lápiz Cray Vector , 2 × 105  MHz 2 400  MFLOPS Varios lugares del mundo
1984 Cray X-MP / 48 Lápiz Cray Vector , 4 × 117  MHz 4 800  MFLOPS Varios lugares del mundo
1984 M-13 giga FLOPS Instituto de Investigación Científica de Complejos Informáticos de la Unión Soviética
1985 Cray-2 Lápiz Cray Vector , 4 × 283  MHz 4 1.7  GFLOPS Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de los Estados Unidos
1989 ETA10-G / 8  ( pulgadas ) ETA Systems  (en) 10.3  GFLOPS Universidad Estatal de Florida de los Estados Unidos
1993 CM-5  (pulgadas) Thinking Machines Corporation SPARC 1.024 59,7  GFLOPS Laboratorio Nacional de Los Alamos de los Estados Unidos
1993 Túnel de viento numérico  (en) Fujitsu Fujitsu VPP500 140 124,5  GFLOPS Laboratorio Aeroespacial Nacional de Japón
1994 XP / S140 Intel Intel Paragon 3.680 143,4  GFLOPS Estados Unidos
Sandia National Labs
1994 Túnel de viento numérico  (en) Fujitsu Fujitsu VPP500 140 170,4  GFLOPS Laboratorio Aeroespacial Nacional de Japón
1996 SR2201 Hitachi Hitachi SR2201 1.024 220,4  GFLOPS Universidad Japonesa
de Tokio
1996 CP-PACS Hitachi Hitachi SR2xxx CP-PACS 2.048 368.2  GFLOPS Centro de Física Computacional de Japón
1997 Rojo ASCI Intel Intel Paragon ASCI-Rojo 7 264 1.07  tera FLOPS Estados Unidos
Sandia National Laboratories
1997 Rojo ASCI Intel Intel Paragon ASCI-Rojo 9.152 1,34  TFLOPS Estados Unidos
Sandia National Laboratories
1999 Rojo ASCI Intel Intel Paragon ASCI-Rojo 9.472 2.12  TFLOPS Estados Unidos
Sandia National Laboratories
1999 Rojo ASCI Intel Intel Paragon ASCI-Rojo 9,632 2,38  TFLOPS Estados Unidos
Sandia National Laboratories
2000 Blanco ASCI  ( pulg ) IBM IBM POWER 3375  MHz 8.192 4.94  TFLOPS Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de los Estados Unidos
2001 Blanco ASCI  ( pulg ) IBM IBM POWER 3375  MHz 8.192 7.23  TFLOPS Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de los Estados Unidos
2002 Simulador de tierra Comité ejecutivo nacional NEC SX6 1000  MHz 5 120 35,86  TFLOPS Instituto de Ciencias de la Tierra de Japón
Yokohama
16 de septiembre de 2004 Gene azul / L IBM PowerPC 440  ( pulgadas ) 700  MHz 16,384 36.01  TFLOPS Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de los Estados Unidos
26 de octubre de 2004 Columbia SGI Intel Itanium 2 1500  MHz 8.192 42,7  TFLOPS
Centro de Investigación Ames de Estados Unidos (NASA)
noviembre de 2004 Columbia SGI Intel Itanium 2 1500  MHz 10.160 51,87  TFLOPS
Centro de Investigación Ames de Estados Unidos (NASA)
noviembre de 2004 Gene azul / L IBM PowerPC 440  ( pulgadas ) 700  MHz 32 768 70,7  TFLOPS Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de los Estados Unidos
24 de marzo de 2005 Gene azul / L IBM PowerPC 440  ( pulgadas ) 700  MHz 65,536 135,5  TFLOPS Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de los Estados Unidos
27 de octubre de 2005 Gene azul / L IBM PowerPC 440  ( pulgadas ) 700  MHz 131.072 280,6  TFLOPS Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de los Estados Unidos
2007 Gene azul / L IBM PowerPC 440 2C 700  MHz 36,864 478.2-596  TFLOPS Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de los Estados Unidos
2008 Correcaminos IBM PowerXCell 8i 3200  MHz 129.600 1.042  peta FLOPS Estados Unidos
DoE-Los Alamos National Laboratory ,Los Alamos,Nuevo México
2009 Jaguar (actualizado a Titán ) Lápiz Procesadores AMD de seis núcleos 224 162 1,759  PFLOPS Laboratorio Nacional de Oak Ridge de los Estados Unidos
2010 Tianhe-1A NUDT Híbrido:
Intel Xeon + Nvidia Tesla M2050 + GPU FeiTeng-1000
14 366 + 7 166 2.566  PFLOPS
Centro Nacional de Supercomputación de China , Tianjin
2011 K computadora Fujitsu SPARC64 VIIIfx 2.0  GHz , "  Interconexión de tofu  " 68,544 10,510  PFLOPS Japón
RIKEN , Kobe
2012 Secoya IBM BlueGene / Q, Power BQC 16C 1,60  GHz , personalizado 16,324  PFLOPS Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de los Estados Unidos
2012 Titán (un Jaguar mejorado) Lápiz Híbrido:
AMD Opteron + Nvidia Tesla K20
560 640 17.59  PFLOPS Laboratorio Nacional de Oak Ridge de los Estados Unidos
2013 Tianhe-2 Intel Híbrido:
Xeon E5-2692 + Xeon Phi
32.000 + 48.000 33.86  PFLOPS
Universidad Nacional de Tecnología de Defensa de China , Guangzhou
2016 TaihuLight NRCPC / Sunway Sunway SW26010 260C 40 960 93.01  PFLOPS
Centro Nacional de Supercomputación de China , Wuxi
2018 He aquí la cumbre IBM / Nvidia Híbrido:
IBM POWER9 + Nvidia Tesla V100
9216 + 27 648 200  PFLOPS Laboratorio Nacional de Oak Ridge de los Estados Unidos
2020 Fugaku Fujitsu / ARM BRAZO 2.2 Ghz 7.300.000 418  PFLOPS Japón
RIKEN , Kobe


Historia de los récords en Francia

En 1993, El Instituto de Física de la Tierra de París (IGP) opera una computadora CM-5/128 que los procesadores de los usos SuperSPARC , que ocupa el puesto 25 º a TOP500 . Tres años después, en1996, El Instituto de Desarrollo de los recursos y Computación Científica (IDRIS) llega al 12 °  lugar a nivel mundial con t3e construida por Cray .

En medio-2002, Los superordenadores más potentes francesa ocupa el 4 º en el TOP500, el TERA basados en procesadores Alpha a 1  GHz ( AlphaServer SC45 ) y desarrollado por Hewlett-Packard  ; pertenecía a la Comisión de Energía Atómica (CEA). Enenero de 2006El TERA-10 de Bull tiene éxito, se genera una potencia de cálculo de 60  Tera FLOPS y tendrá lugar el 5 º  Ranking mundial TOP500.

En junio 2008, Idris y Blue Gene / P Solución para IBM aparece, según la prueba de LINPACK , una potencia de 120 teraflops y ganó el 10 º  lugar.

En noviembre de 2009, la primera máquina francesa se llama Jade . Del tipo “  SGI Altix  (en)  ”, tiene su sede en el Centro Nacional de Informática para la Educación Superior (CINES) en Montpellier . El superordenador está en el puesto 28 º  en el mundo con 128 teraflops en la prueba LINPACK. Poco después, se completó la configuración de la máquina Jade para lograr un rendimiento de 237 teraflops. La máquina cambia ajunio de 2010el 18 º  fila de la TOP500. Es entonces el tercer sistema informático europeo y el primer francés, está destinado a la investigación pública .

En noviembre 2010El récord francés lo ostenta el TERA-100 de Bull . Situado en la CEPA en Bruyeres-le-Chatel a las necesidades de la simulación militar nuclear francesa , con un rendimiento teraflops 1050, esta máquina se eleva al 6 º  en el mundo y ganó el 1 er  lugar en Europa. Consta de 17.296 procesadores Intel Xeon 7500 , cada uno equipado con ocho núcleos y conectado por una red tipo InfiniBand .

En marzo 2012, Curie , un sistema diseñado por Bull para GENCI , instalado en el sitio del Très Grand Centre de Calcul (TGCC) en Bruyères-le-Châtel, tiene una potencia de 1.359 petaflops. Se convierte en el superordenador más potente de Francia al ocupar el noveno lugar  en el ranking mundial. Está diseñado para entregar 2 petaflops.

En enero 2013, los sistemas Ada y Turing construidos por IBM están instalados en IDRIS en Orsay . La suma de su poder supera los petaflops. Estas dos máquinas están disponibles para los investigadores. En marzo de 2013 se inauguró el superordenador Pangea propiedad de la empresa Total , que se convirtió en el sistema más eficiente jamás instalado en Francia. Su potencia de cálculo es de 2,3 petaflops. Equivalente a 27.000 ordenadores de sobremesa juntos, obtuvo el 11 º  lugar en todo el mundo.

En enero 2015, el sistema Occigen , diseñado por Bull, Atos Technologies, para GENCI está instalado en el sitio de CINES; tiene una potencia de 2,1 petaflops. Se quedó en 26 °  posición en la clasificación mundial de la TOP500noviembre 2014.

En marzo de 2016, Total anuncia que ha triplicado la capacidad de cómputo de su Pangea superordenador , yendo a una potencia de cálculo de 6,7 petaflops de rendimiento máximo y 5,28 petaflops en energía utilizable. Esto le permite recuperar el 11 º  lugar en el TOP500 y por lo tanto se coloca a la cabeza del sector industrial mundial.

Sistemas operativos de supercomputadora

El auge de las supercomputadoras ha hecho que Linux se convierta en el sistema operativo que alimenta a la mayoría de las 500 supercomputadoras más poderosas del planeta, con Unix perdiendo terreno gradualmente frente a Linux, pero durante un tiempo ocupando un lugar destacado en el mercado de las supercomputadoras (5%).

Windows solo fue ejecutado por dos de las 500 supercomputadoras más poderosas del planeta, o el 0,4%, mientras que BSD solo estaba presente en una máquina entre las 500 principales , o el 0,2%. Finalmente, el resto de configuraciones (“  Mixtas  ”, es decir, un conjunto de varios tipos de sistemas operativos) representaron el 4,6%.

En noviembre de 2017Linux es el motor de las 500 supercomputadoras más potentes del mundo.

Calculadora cuántica

Supercomputadoras y juegos de rompecabezas

Notas y referencias

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Apéndices

Bibliografía

Artículos relacionados

enlaces externos