NAJSZYBSZE
Czerwiec
Młody
KOMPUTERY
2001
Technik
ŚWIATA
Komputer stał się już nie tylko zabawką dla większości z nas. Dzięki edytorom
tekstu możemy redagować pisma i dokumenty. Nasz domowy komputer potrafi
poprawić błędy ortograficzne, rozmieścić tekst na stronie wydruku itp. Możemy
też za jego pomocą korzystać z Internetu robiąc zakupy i zdobywając
informacje z całego świata. Największym naszym zmartwieniem jest starzenie
się naszego komputera. Czym dłużej mamy komputer, tym mniej programów
możemy na nim uruchomić, bo okazuje się że nasz jest on za wolny, albo mamy
już za mało miejsca na dysku do ich zainstalowania. Nowe programy wymagają
do sprawnego działania coraz szybszych maszyn. Dziś marzeniem użytkownika
jest komputer z procesorem Pentium 1200 MHz, pamięcią operacyjną wielkości
128 MB i dyskiem twardym 20 GB. Za pół roku prawdopodobnie będzie, to już
standard, a za dwa lata, okaże się, że będzie on przestarzały i większość nowych
programów wymagać będzie lepszego sprzętu.
Każdy z nas marzy o sprzęcie z nieograniczonymi możliwościami: ogromną
mocą obliczeniową, gigabajtową pamięcią operacyjną i terabajtowym dyskiem.
Maszyny takie istnieją już dziś. Nie możemy ich jednak kupić w żadnym
sklepie. Dzieje się tak dlatego, że są one bardzo drogie, a dostęp do tej
nowoczesnej technologii jest pilnie strzeżony przez państwowe służby
bezpieczeństwa. Gdzie zatem możemy zobaczyć superkomputery? Są one
ukryte w specjalnych centrach obliczeniowych. Do specjalnych sal w których
stoją ogromne liczące szafy nie łatwo jest się dostać. Są one szczelnie
zamknięte przed intruzami. W salach takich znajduje się klimatyzacja
utrzymująca na stałym poziomie temperaturę i wilgotność powietrza.
Zainstalowane są filtry wyłapujące kurz, a w podłodze zainstalowane są
specjalne urządzenia zapobiegające przedostawaniu się drgań.
Pierwszym superkomputerem był Cray 1 wyprodukowany w połowie lat 70-
tych przez Amerykańską firmę Cray Research. W porównaniu z innymi
komputerami, potrafił on przetwarzać bardzo długie ciągi liczb (wektory),
wykonując na nich podstawowe operacje arytmetyczne. Wektory używane są
przede wszystkim w fizyce, dlatego zastosowania Cray 1 były bardzo
ograniczone. Stosowano go w kryptografii (tworzenie i łamanie szyfrów),
inżynierii mechanicznej (np. przy projektowanie niektórych części samochodu),
CFD (Computational Fluid Dynamics - modelowanie komputerowe, np. testy
zderzeniowe samochodów). Na świecie szybko doceniono potencjał
superkomputerów, dzięki którym możliwy był gwałtowny postęp w nauce i
technice. Na początku lat 80-tych produkcją superkomputerów zajmowały się
największe elektroniczne firmy z USA i Japonii, takie jak: Cray, IBM, Fujitsu,
NEC i Hitachi. Superkomputery z dnia na dzień znajdowały coraz szersze
zastosowania. Dzięki nim stało się możliwe np.: przewidywanie pogody z
kilkudniowym wyprzedzeniem, rozwój energetyki (jądrowej i
konwencjonalnej), projektowanie promów kosmicznych, samolotów i
przeprowadzanie skomplikowanych symulacji ekonomicznych.
Superkomputery tak, jak zwykłe komputery zbudowane są z procesorów,
pamięci operacyjnej i dysków twardych. Nie można natomiast podłączyć do
nich klawiatury, monitora, ani myszki. Do komunikacji z superkomputerem
służy zwykły komputer (nazwany root-em - ang. korzeń), wyposażony w kartę
sieciową i połączony kablem z superkomputerem. Na ekranie root-a można
śledzić przebiegi programów uruchomionych na superkomputerze. Przy pomocy
klawiatury tego komputera wpisuje się polecenia, które następnie przekazywane
są do superkomputera. Tak przyłączonych komputerów może być kilka, a nawet
kilkaset. Jeżeli root połączony jest z Internetem, działaniem superkomputera
można sterować z dowolnego miejsca na Ziemi. W praktyce niektóre
superkomputery ze względu na bezpieczeństwo (możliwość włamania się do
systemu z zewnątrz) nie są połączone do żadnej sieci rozległej (WAN - duża
sieć znajdująca się na terenie państw, województw, stanów; np. Internet).
Można nimi sterować tylko z budynku, w którym się znajdują (LAN - sieć
lokalna, zbudowana w obrębie co najwyżej kilku budynków).
Sercem komputera jest procesor. Każdy procesor ma własny język, którym
opisuje operacje do wykonania. Język ten, to zbiór instrukcji procesora.
Procesory domowych komputerów (Pentium, AMD, Cyrix) należą do tzw. klasy
CISC. Nazwa ta oznacza, że język którym posługuje się m.in. Pentium jest
bardzo bogaty. Jest w nim kilkaset rozkazów mikroprocesora, na wyrażenie
których w uboższym języku (dysponującym zaledwie kilkudziesięcioma
wyrazami), potrzeba użyć kilkunastu wyrazów. Język ten jest bardzo wygodny
do komunikacji programisty z maszyną, ale procesor potrzebuje dużo czasu na
jego zrozumienie (zdekodowanie) i wykonanie. W superkomputerach używane
są ubogie w słownictwo języki RISC, które pozwalają na wykonanie tych
samych programów, ale programista musi sprecyzować każdą pojedynczą
czynność. Dzięki temu superkomputer nie musi szukać znaczeń słów
(dekodować rozkazów) i może natychmiast je wykonać. Ponieważ język RISC
jest stosunkowo prosty, procesor jest w stanie rozróżnić wyrazy (instrukcje) na
matematyczno-logiczne (np. dodaj 2 do 7) i związane z dostępem do pamięci
(np. niech rejestr AL przyjmie wartość trzeciego bajta z pamięci).
Dzięki temu procesor wykonuje w jednej chwili kilka operacji arytmetycznych
(do których nie potrzeba dostępu do pamięci), a inna część procesora w tym
samym czasie, czyta bajty z pamięci, które użyte będą w przyszłości. W efekcie
procesory RISC używane w superkomputerach, są dużo szybsze od tych,
działających w PC-tach. Ponieważ CISC jest dużo wolniejszy od RISC, w
procesorach zgodnych z Pentium Pro, Pentium II i Pentium III, projektanci
firmy Intel posłużyli się pewną sztuczką żeby przyśpieszyć pracę procesora.
Umieścili oni w procesorze specjalny moduł, który tłumaczy rozkazy komputera
PC język (na zbiór instrukcji) RISC, a procesor wykonuje rozkazy już
przetłumaczone. Oczywiście "tłumacz" taki konsumuje czas procesora, ale
wyrazy które uda się przetłumaczyć mogą korzystać ze wszystkich zalet języka
RISC.
Procesory używane do budowy superkomputerów potrafią coś jeszcze. Zamiast
kolejno wykonywać operacje arytmetyczne (np. dodaj 2 do 3, potem 4 do 2,
potem 5 do 9) procesory te wykonują te operacje jednocześnie. Dzieje się tak
pod warunkiem, że wyniki wszystkich operacji są od siebie względnie
niezależne. Właściwość ta pozwala na wykonywanie operacji na ciągach liczb,
zamiast na pojedynczych wartościach (pseudowektoryzacja). Wszystkie
właściwości procesora superkomputera powodują, że nawet jeżeli taktowany
jest on z częstotliwością zegara 233 MHz, może on pracować szybciej niż
procesor Pentium III, 1000 MHz.
W odróżnieniu od zwykłego komputera, superkomputery zbudowane są z wielu
procesorów. W największym superkomputerze na świecie jest ich ponad 8
tysięcy. Istnieją też "małe" superkomputery przeznaczone do celów
dydaktycznych, sieciowych, albo graficznych, w których standardowo
umieszcza się, tylko kilka, albo kilkanaście procesorów. Konstrukcja takiego
superkomputera jest dużo prostsza, a co za tym idzie jest on tańszy. Procesory te
mają dostęp do wspólnej pamięci (są to maszyny ze wspólną pamięcią).
Rozwiązanie to jest prostsze w realizacji i tańsze w stosunku do innych,
bardziej zaawansowanych technologii. Zastosowanie superkomputerów ze
wspólną pamięcią w praktyce jest ograniczone. Dzieje się tak ponieważ w
maszynie takiej można zainstalować do 16 procesorów, a jak na superkomputer
jest to mała liczba. W przypadku większej liczby procesorów system przestaje
być wydajny. Efekt ten spowodowany jest tym, że w tym samym czasie wiele
procesorów próbuje odczytać i zapisać dane do pamięci. System czuwa nad tym,
żeby tylko jeden procesor mógł pisać i czytać z bloku pamięci. W tym czasie
inne procesory muszą czekać na dostęp do pamięci. Przy dużej ilości
procesorów, czas oczekiwania każdego z nich jest bardzo długi i superkomputer
pracuje za wolno.
Dlatego w większości superkomputerów, każdy procesor ma własną pamięć
operacyjną. O systemach takich mówi się, że mają one rozproszoną pamięć tzn.
pamięć całego superkomputera fizycznie znajduje się w wielu miejscach. Jeżeli
porównał bym superkomputer do instytucji państwa, to procesor i pamięć była
by rodziną żyjącą w tym państwie. W superkomputerze żyło by kilka tysięcy
niezależnych od siebie rodzin (procesorów z pamięcią). Żeby państwo takie
mogło prawidłowo funkcjonować potrzebny jest system porozumiewania się,
czyli komunikacji. Analogicznie w superkomputerze każdy procesor oprócz
pamięci zawiera jeszcze specjalny nadajnik i odbiornik, umożliwiający
komunikację z resztą superkomputerowego państwa (zwykle jest to specjalny
procesor komunikacyjny). Tak więc superkomputer zbudowany jest z jednostek
(PE - ang. Procesor Element) składających się z procesora (CPU - ang. Central
Procesor Unit), pamięci operacyjnej (OM - ang. Operation Memory) i układu
służącego do komunikacji (CP - Communication Processort). Korzystając
ponownie z analogii między budową państwa i superkomputera, można by
powiedzieć, że procesor i pamięć to mąż i żona, a układ wejścia-wyjścia to
samochód. W superkomputerowym państwie do tego, żeby jez
dzić samochodem
potrzebne są drogi. Po nich procesory przesyłają sobie informacje. Układ tych
dróg nazywa się topologią. Istnieje wiele sposobów połączeń między
procesorami.
Topologie połączeń miedzyprocesorowych: A - macierz, B - torus, C - Sześcian,
D - topologia niestandardowa.
W superkomputerze zainstalowane może być kilka tysięcy procesorów, ale nie
wszystkie pełnią tę samą funkcje. Większość procesorów liczy programy
użytkowników. Procesory te podzielone są w grupy o różnej liczebności. Dzięki
temu część procesorów wykonuje program jednego użytkownika
superkomputera, a pozostałe zajęte są pracą dla kogoś innego, albo czekają w
gotowości na uruchomienie programu użytkownika. Grupy te nazywa się
partycjami. W partycjach może być przykładowo 2, 4, 8 i 12 procesorów.
Partycje nie muszą pracować w tym samym czasie. Na przykład jeżeli mamy do
dyspozycji 16 procesorów, w dzień mogą pracować partycje 2, 4 i 8
procesorowe, a w nocy 2 i 12 procesorowe. Pozwala to na optymalne
wykorzystanie superkomputera. Inne procesory superkomputera służą do jego
komunikacji z otoczeniem tzn. obsługą urządzeń wejścia / wyjścia (np. dysków
twardych). Jeden z procesorów reprezentuje cały superkomputer. Wszystkie
programy użytkowe wykonują się tylko na tym procesorze. Dopiero specjalne
instrukcje, pozwalają uruchomić programy przygotowane do wykonania na
wielu innych procesorach tworzących partycje.
Programy pisane na superkomputery, są dużo bardziej skomplikowane, w
porównaniu z odpowiednikami działającymi na PC-tach. Przede wszystkim są
to inne programy. Niemożliwe jest uruchomienie np. MS-Windowsów, Worda,
ani przeglądarki Internetowej. Dzieje się tak, ponieważ superkomputery
przystosowane są do wykonywania skomplikowanych obliczeń, a nie do
przeglądania Internetu, czy edycji tekstu. Zwykle superkomputerowi podaje się
program wykonujący skomplikowane obliczenia. Program wywołuje się
podając na wejściu plik z danymi. Superkomputer przetwarza informacje i
zapisuje wynik obliczeń na dysku. Sporadycznie korzysta się z możliwości
wypisywania podczas pracy superkomputera, tekstu na ekran połączonego z
nim komputera roota. Wynik pracy ogląda się na zwykłych komputerach. Ten
etap nazywa się wizualizacją, natomiast samo liczenie na superkomputerze to
HPC (ang. High Performance Computing). Ponieważ obliczenia na
superkomputerze odbywają się w tym samym czasie na wielu procesorach, w
Polsce przyjęło się to nazywać obliczeniami równoległymi. Prawie wszystkie
superkomputery pracują w USA, Japonii i Europie Zachodniej. Większość
maszyn zakupiona została przez firmy (np.: Bayer AG, Deutsche Telekom AG,
Philip Morris, BASF, Ford Motor Company, British Airways). Duża część
wykorzystywana jest przez rządy Państw, agencje rządowe (takie jak NASA) i
wojsko. Często cel ich pracy jest tajny. Superkomputery można zobaczyć na
niektórych uniwersytetach. Do liderów tej nowoczesnej technologii w Europie
zaliczyć należy: Niemcy i Francję.
Rozwój obliczeń równoległych w Polsce nastąpił dopiero na początku lat
dziewięćdziesiątych. Związane to było z tym, że do roku 1992 obowiązywało w
Polsce embargo technologiczne na sprzedaż i użytkowanie superkomputerów.
Do tego czasu zajmowano się w naszym kraju badaniami teoretycznymi nad
zagadnieniami związanymi z równoległością. Obecnie dydaktyczne
superkomputery posiadają w Polsce m.in. sponsorowana przez rząd Japonii
Polsko-Japońska Wyższa Szkoła Technik Komputerowych, Politechnika
Warszawska, Akademia Górniczo Hutnicza. Największy superkomputer w
Polsce (SUN HPC 10000, sklasyfikowany na 465 miejscu największych
superkomputerów na świecie), należy do Telekomunikacji Polskiej S.A.
Superkomputery z rozproszoną pamięcią (nazywane również MPP - ang.
Massive Parallel Processing) są bardzo drogie. Najtańsze modele, w
podstawowej konfiguracji kosztują ok. 2 mln. dolarów. Również bardzo drogie
jest oprogramowanie niezbędne do wykorzystania możliwości superkomputera.
Dlatego próbuje się łączyć ze sobą zwykłe komputery (stacje robocze). Jeden
komputer spełnia w takiej strukturze rolę PE superkomputera. System taki
nazywa się cluster (ang. cluster - kiść np. winogron). Taki system stacji
roboczych nie jest w stanie dorównać parametrami superkomputerowi, ale jest
znacznie tańszy i prostszy w użyciu. Możemy zainstalować w zwykłym PC-cie
płytę główną z dwoma procesorami i podwoić moc obliczeniową naszego
komputera. Dzięki kartom sieciowym, możemy połączyć nasze komputery w
sieć i zbudować cluster działający podobnie do superkomputera.
Chociaż nie możemy kupić, a nawet zobaczyć superkomputerów, to warto
wiedzieć o ich istnieniu. Technologia superkomputerów przedostaje się do
komputerów stojących w naszych domach, szkołach i pracy.
Kiedyś używałem Windows-ów 3.11. Do ich instalacji wystarczał komputer z
procesorem 386DX, 40 MHz i 2 MB pamięci. Potem zmieniłem system
operacyjny na Windows 95, który wymagał procesora Pentium 90 MHz i 16
MB. Dziś używam Windows 2000 i mój procesor Pentium 450 MHz okazuje się
za wolny, a pamięć 128 MB niewystarczająca. Myśląc o minimalnej
konfiguracji komputera niezbędnej do instalacji systemu operacyjnego
Windows 20xx nie sposób nie dojść do wniosku, że już za kilka lat
superkomputery zagoszczą w naszych domach. Stanie się tak ponieważ
programy komputerowe będą tak skomplikowane, że niemożliwe będzie ich
policzenie na zwykłym komputerze.
Już dziś do masowej produkcji wchodzą wieloprocesorowe serwery sieciowe, o
których można powiedzieć, że są superkomputerami. Produkowane przez
DELL, IBM i HP serwery wyposażone są w 2, 4, lub 8 procesorów i 2GB
pamięci operacyjnej RAM. Kosztują około 100.000 złotych. Komputery te mają
standardową obudowę (tzw. big tower) i można postawić je na biurku w biurze,
lub domu. Ich produkcje wymusił dynamiczny rozwój sieci LAN (lokalnych) i
WAN (globalnych, np. Internetu).
W ostatnich kilku latach duży wkład w rozwój technologii informatycznych
wniósł gwałtownie rozwijający się rynek telefonii komórkowej. Rewolucyjnie
zmienił on zasady dostępu do informacji. Nigdy wcześniej w dziejach ludzkości
informacja nie była tak łatwo i natychmiastowo dostępna. Nadmiar informacji
wymaga mocy obliczeniowych zdolnych do jej przetworzenia i interpretacji.
Nowoczesne superkomputery są obecnie technologią dostępną tylko dla
bogatych służb niektórych państw i wielkich korporacji przemysłowo-
handlowych. Kto jednak jest w stanie przewidzieć, czy za kilka lat zwykły
człowiek nie będzie mógł korzystać z takich właśnie narzędzi.
Przemysław Prokopow