Najszybsze komputery świata.pdf

Młody

Technik

NAJSZYBSZE

KOMPUTERY

ŚWIATA

Czerwiec

2001

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 jeździć 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.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: