Кіріспе
Аса қуатты компьютердің түрі. Суперкомпьютер – жалпы мақсаттағы компьютермен салыстырғанда жоғары деңгейдегі өнімділікке ие компьютер түрі. Суперкомпьютердің өнімділігі әдетте секундына миллион нұсқаудың (MIPS) орнына секундына жылжымалы нүкте операцияларымен (FLOPS) өлшенеді. 2017 жылдан бері 10¹⁷ FLOPS (жүз квадриллион FLOPS, 100 петаFLOPS немесе 100 PFLOPS) орындай алатын суперкомпьютерлер бар. Салыстыру үшін, үстел компьютерінің өнімділігі жүздеген гигафлопс (10¹¹) мен ондаған терафлопс (10¹³) аралығында болады. 2017 жылдың қарашасынан бастап әлемдегі ең жылдам 500 суперкомпьютердің барлығы Linux негізіндегі операциялық жүйелерде жұмыс істейді. АҚШ, Еуропалық Одақ, Тайвань, Жапония және Қытайда жаңа, қуаттырақ және технологиялық жағынан жоғарырақ экзамасштабты суперкомпьютерлерді құру үшін қосымша зерттеулер жүргізілуде. Суперкомпьютерлер есептеу ғылымында маңызды рөл атқарады және кванттық механика, ауа райы болжамы, климатты зерттеу, мұнай және газ барлау, молекулалық модельдеу (химиялық қосылыстардың, биологиялық макромолекулалардың, полимерлердің және кристалдардың құрылымын және қасиеттерін есептеу) және физикалық симуляциялар (әлемнің алғашқы сәттерінің симуляциялары, ұшақтар мен ғарыш кемелерінің аэродинамикасы, ядролық қарудың жарылуы және ядролық синтез) сияқты есептеуге көп күш қажеттің әртүрлі салаларда қолданылады. Олар криптоанализ саласында да маңызды рөл атқарады. Суперкомпьютерлер 1960 жылдары пайда болды, ал бірнеше онжылдық бойы ең жылдамдары Сеймур Крей Control Data Corporation (CDC), Cray Research және оның атын немесе монограммасын алып жүрген компаниялар жасады. Алғашқы машиналар жоғары деңгейдегі, жалпы мақсаттағы компьютерлерінен жылдам жұмыс істейтін, жақсырақ құрылғылар болды. Онжылдықтар бойына процессорлардың саны артты, әдетте біреуден төрт процессор қолданылды. 1970 жылдары үлкен деректер массивімен жұмыс істейтін векторлық процессорлар басымдыққа ие болды. 1976 жылы шыққан Cray 1 – осының жарқын мысалы. Векторлық компьютерлер 1990 жылдарға дейін басым дизайн болып қала берді. Содан бері бүгінгі күнге дейін ондаған мың процессорлары бар, өте параллельді суперкомпьютерлер кең таралды. АҚШ суперкомпьютерлер саласында ұзақ жылдар бойы көшбасшы болып келді, алдымен Крейдің үздіксіз үстемдігі арқасында, кейін әртүрлі технологиялық компаниялардың есебінен. Жапония 1980 және 90 жылдары осы салада үлкен жетістіктерге қол жеткізді, ал Қытай бұл салада белсенділік танытты. 2022 жылдың мамыр айына қарай TOP500 суперкомпьютерлер тізіміндегі ең жылдам суперкомпьютер АҚШ-тағы Frontier, оның LINPACK көрсеткіші 1,102 ExaFlop/s, одан кейін Fugaku орналасқан. АҚШ-тың тізімдегі ең жақсы 10 суперкомпьютердің бесеуі бар, Қытайда екеуі, ал Жапония, Финляндия және Францияда бір-бір суперкомпьютерден бар. 2018 жылдың маусым айында TOP500 тізіміндегі барлық суперкомпьютерлердің жалпы өнімділігі 1 экзафлопс шегінен асты.
A supercomputer is a type of computer with a high level of performance as compared to a general purpose computer. The performance of a supercomputer is commonly measured in floating point operations per second (FLOPS) instead of million instructions per second (MIPS). Since 2017, supercomputers have existed which can perform over 1017 FLOPS (a hundred quadrillion FLOPS, 100 petaFLOPS or 100 PFLOPS). For comparison, a desktop computer has performance in the range of hundreds of gigaFLOPS (1011) to tens of teraFLOPS (1013). Since November 2017, all of the world's fastest 500 supercomputers run on Linux based operating systems. Additional research is being conducted in the United States, the European Union, Taiwan, Japan, and China to build faster, more powerful and technologically superior exascale supercomputers. Supercomputers play an important role in the field of computational science, and are used for a wide range of computationally intensive tasks in various fields, including quantum mechanics, weather forecasting, climate research, oil and gas exploration, molecular modeling (computing the structures and properties of chemical compounds, biological macromolecules, polymers, and crystals), and physical simulations (such as simulations of the early moments of the universe, airplane and spacecraft aerodynamics, the detonation of nuclear weapons, and nuclear fusion). They have been essential in the field of cryptanalysis. Supercomputers were introduced in the 1960s, and for several decades the fastest was made by Seymour Cray at Control Data Corporation (CDC), Cray Research and subsequent companies bearing his name or monogram. The first such machines were highly tuned conventional designs that ran more quickly than their more general purpose contemporaries. Through the decade, increasing amounts of parallelism were added, with one to four processors being typical. In the 1970s, vector processors operating on large arrays of data came to dominate. A notable example is the highly successful Cray 1 of 1976. Vector computers remained the dominant design into the 1990s. From then until today, massively parallel supercomputers with tens of thousands of off the shelf processors became the norm. The US has long been the leader in the supercomputer field, first through Cray's almost uninterrupted dominance of the field, and later through a variety of technology companies. Japan made major strides in the field in the 1980s and 90s, with China becoming increasingly active in the field. As of May 2022, the fastest supercomputer on the TOP500 supercomputer list is Frontier, in the US, with a LINPACK benchmark score of 1.102 ExaFlop/s, followed by Fugaku. The US has five of the top 10; China has two; Japan, Finland, and France have one each. In June 2018, all combined supercomputers on the TOP500 list broke the 1 exaFLOPS mark.
Тарих
1960 жылы UNIVAC АҚШ Әскери-теңіз күштерінің Ғылыми-зерттеу және дамыту орталығы үшін алғашқы суперкомпьютерлердің бірі саналатын Ливермор атомдық зерттеу компьютерін (LARC) құрастырды. Ол әлі де жаңа ғана пайда бола бастаған дискілік құрылғылар технологиясының орнына жоғары жылдамдықты барабандық жадты пайдаланды. Сондай-ақ, алғашқы суперкомпьютерлердің қатарында IBM 7030 Stretch та болды. IBM 7030 IBM компаниясы Лос-Аламос Ұлттық зертханасы үшін жасады, ол 1955 жылы қолданыстағы кез келген компьютерден 100 есе жылдам компьютерді сұраған болатын. IBM 7030 транзисторларды, магниттік ядролық жадты, конвейерлік өңдеуді, жад контроллері арқылы алдын ала жүктелген деректерді және жаңадан пайда болған кездейсоқ кіруге болатын дискілерді қолданды. IBM 7030 1961 жылы аяқталды және өнімділікті жүз есе арттыру міндетін толыққанды орындамаса да, Лос-Аламос Ұлттық зертханасы оны сатып алды. Англия мен Франциядағы клиенттер де осы компьютерді сатып алды, ол криптоанализ үшін құрылған IBM 7950 Harvest суперкомпьютерінің негізі болды. 1960 жылдардың басындағы үшінші маңызды суперкомпьютер жобасы – Манчестер университетінде Том Килберн басқаратын команда құрастырған Атлас болды. Ол Атласты 48 биттік миллионға дейін сөздерді сақтауға қабілетті етіп жобалады, бірақ мұндай сыйымдылықтағы магниттік жад өте қымбат болғандықтан, Атластың негізгі жады 16 000 сөзден аспады, ал барабан тағы 96 000 сөзді сақтауға мүмкіндік берді. Atlas операциялық жүйесі магниттік ядро мен барабан арасында деректерді беттер түрінде алмастырып отырды. Atlas операциялық жүйесі сонымен қатар суперкомпьютерде бір уақытта бірнеше бағдарламаны орындауға мүмкіндік беретін уақытты бөлісуді енгізді. Атлас – Ferranti және Манчестер университетінің бірлескен жобасы болды және бір нұсқауды өңдеуге бір микросекунд, шамамен секундына бір миллион нұсқаудан астам жылдамдықпен жұмыс істеуге арналған. Сеймур Крей жобалаған CDC 6600 1964 жылы аяқталды және германийден кремний транзисторларына көшуді белгіледі. Кремний транзисторлары жылдам жұмыс істейтін болды және суперкомпьютер конструкциясына салқындату жүйесін енгізу арқылы қызу мәселесі шешілді. Осылайша CDC6600 әлемдегі ең жылдам компьютер атанды. 6600 замандас компьютерлерінен шамамен 10 есе артық өнімділік көрсеткендіктен, ол «суперкомпьютер» деп аталды және суперкомпьютер нарығын қалыптастырды, онда жүз компьютер әрқайсысы 8 миллион долларға сатылды. Крей 1972 жылы CDC компаниясынан шығып, өзінің жеке компаниясын – Cray Research-ті құрды. CDC компаниясынан кеткеннен кейін төрт жыл өткен соң, Крей 1976 жылы 80 МГц жиілікті Cray 1 суперкомпьютерін жасады, ол тарихындағы ең табысты суперкомпьютерлердің біріне айналды. Cray 2 1985 жылы ұсынылды. Ол сегіз орталық процессордан (CPU), сұйық салқындату жүйесінен және суперкомпьютер архитектурасы арқылы айдалатын Fluorinert электроника салқындатқыш сұйықтығынан тұрды. Ол 1.9 гигафлопқа жетті, бұл гигафлоп шегін бұзған алғашқы суперкомпьютер болды.
Үлкен қатарлы конструкциялар
1970-ші жылдары Cray 1 өнімділігіне күдік келтірген жалғыз компьютер ILLIAC IV болды. Бұл машина – бір үлкен мәселенің әртүрлі бөліктерін шешу үшін көптеген процессорлар бірлесіп жұмыс істеген, нағыз үлкен параллельді компьютердің алғашқы мысалы. Мүмкіндігінше жылдам деректер ағынын өңдеуге арналған векторлық жүйелерден өзгеше, осы тұжырымдамада компьютер деректердің бөлек бөліктерін толығымен бөлек процессорларға жібереді де, содан кейін нәтижелерді қайта біріктіреді. ILLIAC дизайны 1966 жылы 256 процессормен аяқталды және 1970-ші жылдардағы Cray 1-дің 250 MFLOPS ең жоғары көрсеткішімен салыстырғанда 1 GFLOPS жылдамдығын ұсынды. Дегенмен, дамудағы қиындықтар салдарынан тек 64 процессор ғана жасалды, ал жүйе ешқашан 200 MFLOPS-тан жоғары жылдамдықпен жұмыс істей алмады, сонымен қатар Cray-ге қарағанда әлдеқайда үлкен және күрделі болды. Тағы бір мәселе – жүйеге бағдарламалық жасақтама жазу қиын болды және одан ең жоғары өнімділікті алу үшін көп күш жұмсау қажет болды. Бірақ ILLIAC IV-тің жартылай сәттілігі суперкомпьютерлердің болашағына бағыт көрсеткені ретінде кеңінен қарастырылды. Cray бұған қарсы шығып, әйгілі түрде: «Егер сіз дала тырмаласаңыз, қайсысын таңдайсыз? Екі күшті өгізді ме, әлде 1024 тауықты ма?» деді. Бірақ 1980-ші жылдардың басында бірнеше команда мыңдаған процессорларды қолданатын параллельдік дизайнмен жұмыс істеді, атап айтқанда, MIT-тегі зерттеулерден пайда болған Connection Machine (CM). CM 1 деректерді бөлісу үшін желіде біріктірілген 65 536 қарапайым, бейімделген микропроцессорларды қолданды. Содан кейін бірнеше жаңартылған нұсқалар пайда болды; CM 5 суперкомпьютері секундына миллиардтаған арифметикалық операцияларды орындай алатын үлкен параллельді өңдеу компьютері болды. 1982 жылы Осака университетінің LINKS 1 компьютерлік графикалық жүйесі 514 микропроцессорды, оның ішінде 257 Zilog Z8001 басқару процессорларын және 257 iAPX 86/20 қозғалатын нүктелі процессорларын қолданған үлкен параллельді өңдеу архитектурасын пайдаланды. Ол негізінен реалистік 3D компьютерлік графиканы көрсету үшін қолданылды. 1992 жылғы Fujitsu VPP500 ерекше, себебі оның процессорлары жоғары жылдамдыққа жету үшін GaAs материалы қолданды, ол әдетте уыттылығына байланысты микротолқынды қолданыстар үшін ғана резервтелген. Fujitsu компаниясының Numerical Wind Tunnel суперкомпьютері 166 векторлық процессорды пайдаланып, 1994 жылы бір процессордың 1,7 гигафлопс (GFLOPS) жылдамдығымен бірінші орынға ие болды. Hitachi SR2201 1996 жылы жылдам үш өлшемді қиғаш желі арқылы қосылған 2048 процессорды пайдалану арқылы 600 GFLOPS ең жоғары өнімділігіне қол жеткізді. Intel Paragon әртүрлі конфигурацияларда 1000-ден 4000-қа дейін Intel i860 процессорларын қамтуы мүмкін және 1993 жылы әлемдегі ең жылдам деп саналды. Paragon – процессорларды жоғары жылдамдықты екі өлшемді тор арқылы байланыстыратын MIMD машинасы, бұл процестерге бөлек түйіндерде орындалуға және Хабарламаларды Жіберу Интерфейсі арқылы байланысуға мүмкіндік берді. Бағдарламалық жасақтаманы әзірлеу мәселе болып қала берді, бірақ CM сериясы осы мәселе бойынша маңызды зерттеулерге жол ашты. Evans & Sutherland ES 1, MasPar, nCUBE, Intel iPSC және Goodyear MPP сияқты көптеген компаниялар ұқсас дизайнды жасады. Бірақ 1990-шы жылдардың ортасына қарай жалпы мақсаттағы CPU өнімділігі соншалықты жақсарды, арнайы чиптерді пайдаланудың орнына оларды жеке өңдеу бірліктері ретінде пайдалана отырып суперкомпьютер құрастыруға болады. ХХІ ғасырдың басында он мыңдаған тауарлық процессорларды қамтитын дизайн қалыпты жағдайға айналды, кейінірек машиналар жиынтыққа графикалық бірліктерді қосты. Нью-Мексико университетінде Бадер Linux-ты қолданатын суперкомпьютер құруды көздеді. Прототипте Alta Technologies компаниясының "AltaCluster" сегіз екілік, 333 МГц, модификацияланған Linux ядросын орындайтын Intel Pentium II компьютері қолданылды. Бадер Linux-қа қажетті компоненттерге қолдау көрсету үшін, сондай-ақ Ұлттық есептеу ғылымдары альянсының (NCSA) мүшелерінен өзара іс-қимыл қабілеттілігін қамтамасыз ету үшін кодты порттады, өйткені оның ешқайсысы бұрын Linux-та жұмыс істемеген. Ол сәтті прототип дизайсын пайдаланып, Ұлттық ғылым қорының Ұлттық технология желісі арқылы ұлттық ғылым және инженерлік қоғамдастық үшін ашық пайдалану үшін алғашқы Linux суперкомпьютерін "RoadRunner" әзірлеуге басшылық етті. RoadRunner 1999 жылдың сәуірінде өндіріске енгізілді. Ол іске қосылған кезде әлемдегі ең жылдам 100 суперкомпьютердің бірі болып саналды. Beowulf сияқты тұтынушы класты бөлшектерін пайдаланатын Linux-қа негізделген кластерлер Бадердің прототипі мен RoadRunner-дің дамуына дейін болғанмен, олардың масштабирулануы, өткізу қабілеті және параллельді есептеу мүмкіндіктері «нағыз» суперкомпьютерлер деп есептелуіне жеткіліксіз болды. Басқа бір тәсілде көптеген процессорлар бір-біріне жақын орналастырылады, мысалы, компьютер кластерінде. Мұндай орталықтандырылған үлкен параллельді жүйеде жылдамдық және икемділік маңызды болады және қазіргі заманғы суперкомпьютерлер кеңейтілген Infiniband жүйелерінен үш өлшемді тор өзара байланыстарына дейін әртүрлі тәсілдерді қолданды. Көп ядролы процессорларды орталықтандырумен біріктіру дамып келе жатқан бағыт, мысалы, Cyclops64 жүйесінде. Жалпы мақсаттағы графикалық өңдеу бірліктерінің (GPGPU) бағасы, өнімділігі және энергия тиімділігі жақсарғандықтан, Tianhe I және Nebulae сияқты петафлопс суперкомпьютерлер оларға көбірек сене бастады. Дегенмен, K компьютері сияқты басқа жүйелер SPARC негізіндегі дизайн сияқты дәстүрлі процессорларды пайдалануды жалғастыруда және GPGPU-дың жалпы мақсаттағы жоғары өнімді есептеу қолданбаларындағы жалпы қолданылуы пікірталас тудырып келеді, себебі GPGPU белгілі бір өлшемдерде жақсы көрсеткіштерге ие болғанымен, оның күнделікті алгоритмдерге қолданылуы айтарлықтай күш-жігер жұмсалмаса шектеулі болуы мүмкін. Дегенмен, GPU-лар үстемдік танытуда және 2012 жылы Jaguar суперкомпьютері CPU-ларды GPU-лармен жаңарту арқылы Titan-ға айналдырылды. Жоғары өнімді компьютерлердің қызмет ету мерзімі шамамен үш жылды құрайды, содан кейін жаңарту қажет болады. Gyoukou суперкомпьютері ерекше, себебі ол үлкен параллельді дизайнды және сұйыққа батыру салқындатуын қолданады.
Арнайы мақсаттағы суперкомпьютерлер
Бір ғана мәселеге арналған бірнеше арнайы мақсаттағы жүйелер жобаланды. Бұл арнайы бағдарламаланған FPGA чиптерін немесе тіпті жеке ASIC-терді пайдалануға мүмкіндік береді, соның арқасында жалпыламалықтан бас тартып, баға мен өнімділік арақатынасын жақсартуға болады. Арнайы мақсаттағы суперкомпьютерлердің мысалдары: шахмат ойнау үшін Belle, Deep Blue және Hydra, астрофизика үшін Gravity Pipe, белок құрылымын болжау және молекулалық динамика үшін MDGRAPE 3, ал DES шифрын бұзу үшін Deep Crack.
Энергияны пайдалану және жылуды басқару
Онжылдықтар бойы жылу тығыздығын басқару орталықтандырылған суперкомпьютерлердің көпшілігі үшін маңызды мәселе болып келді. Жүйеде туындайтын жылудың көп мөлшері жүйенің басқа компоненттерінің қызмет ету мерзімін қысқарту сияқты қосымша әсерлерге де алып келуі мүмкін. Жылуды басқаруға қатысты әртүрлі тәсілдер бар, мысалы, жүйе арқылы флюоринертті сорғылау, гибридтік сұйық-ауа салқындату жүйесі немесе қалыпты температурадағы ауамен салқындату. Жүйені қуаттандыру және салқындатуға кететін шығын айтарлықтай болуы мүмкін, мысалы, 4 МВт қуатты 0,10 доллар/кВт·сағат бағамен пайдалану сағатына 400 долларға, ал жылына шамамен 3,5 миллион долларға бағаланады. Жылуды басқару күрделі электрондық құрылғылардағы маңызды мәселе және қуатты компьютерлік жүйелерге әртүрлі әсер етеді. Суперкомпьютерлердегі жылулық есептеу қуаты және процессордың қуатты ығыстыру мәселелері дәстүрлі компьютерлік салқындату технологияларының шешімінен асып түседі. Жасыл есептеулерге арналған суперкомпьютерлік сыйлықтар осы мәселені көрсетеді. Мыңдаған процессорларды бірге орналастыру сөзсіз едәуір жылу тығыздығын тудырады, оны басқару қажет. Cray 2 сұйықпен салқындатылды және модульдер арқылы қысыммен жіберілетін флюоринерт "салқындату шаршысынан" пайдаланды. Blue Gene жүйесінде IBM жылу тығыздығымен күресу үшін төмен қуатты процессорларды әдейі пайдаланды. 2011 жылы шыққан IBM Power 775 сумен салқындатуды қажет ететін тығыз орналасқан элементтерге ие. IBM Aquasar жүйесі энергия тиімділігін арттыру үшін ыстық сумен салқындатуды қолданады, ал су ғимараттарды жылыту үшін де пайдаланылады. Компьютерлік жүйелердің энергия тиімділігі әдетте "ватқа шаққандағы флопс" (FLOPS/ватт) көрсеткішімен өлшенеді. 2008 жылы IBM Roadrunner 376 MFLOPS/ватт жылдамдығымен жұмыс істеді. 2010 жылдың қарашасында Blue Gene/Q 1684 MFLOPS/ватт көрсеткішіне жетті, ал 2011 жылдың маусым айында Green 500 тізілімінің алғашқы екі орынын Нью-Йорктегі Blue Gene машиналары иеленді (біреуі 2097 MFLOPS/ватт көрсеткішіне жетті), ал үшінші орынды 1375 MFLOPS/ватт көрсеткішімен Нагасакидегі DEGIMA кластері иеленді. Мыс сымдар энергияны суперкомпьютерге мәжбүрлі түрде соққан ауа немесе айналымдағы салқындатқыштар шығара алатыннан әлдеқайда жоғары қуат тығыздығымен жеткізе алады, сондықтан салқындату жүйелерінің ысырапты жылуды жою қабілеті шектеулі фактор болып табылады. 2015 жылға қарай көптеген қолданыстағы суперкомпьютерлердің инфрақұрылымдық қуаты машинаны жобалаушылардың нақты ең жоғары сұранысынан асып түседі, себебі олар суперкомпьютердің теориялық ең жоғары электр қуатын тұтынудан артық қуатты және салқындату инфрақұрылымын жобалауда консервативті көзқарас танытады. Болашақ суперкомпьютерлердің жобалары қуатпен шектеледі, суперкомпьютердің жалпы жылулық есептеу қуаты, қуат және салқындату инфрақұрылымы көтере алатын мөлшер күтілетін қалыпты қуат тұтынудан сәл артық, бірақ электрондық жабдықтың теориялық ең жоғары қуат тұтынуынан кем.
Операциялық жүйелер
20-ғасырдың соңынан бері суперкомпьютерлік операциялық жүйелер суперкомпьютерлік архитектурадағы өзгерістерге байланысты маңызды өзгерістерге ұшырады. Ертедегі операциялық жүйелер жылдамдықты арттыру үшін әр суперкомпьютерге арнайы жасалса, қазіргі таңда өз үйінен жасалған операциялық жүйелерден Linux сияқты жалпы қолданылатын бағдарламалық жасақтамаға көшуге бейімділік байқалады. Қазіргі заманғы үлкен параллельді суперкомпьютерлер есептеулерді басқа қызметтерден әртүрлі типтегі түйіндерді пайдалану арқылы бөліп, әдетте әртүрлі түйіндерде әртүрлі операциялық жүйелерді іске қосады, мысалы, есептеу түйіндерінде CNK немесе CNL сияқты кішкентай және тиімді жеңіл ядроны, ал серверлік және кіріс-шығыс түйіндерінде Linux-тың туындысы сияқты үлкен жүйені қолданады. Дәстүрлі көп пайдаланушылық компьютерлік жүйеде жұмыс жоспарлау, іс жүзінде, өңдеу және перифериялық ресурстарды басқару мәселесі болса, үлкен параллельді жүйеде жұмыс басқару жүйесі есептеу және байланыс ресурстарын бөлуді басқаруға, сондай-ақ ондаған мың процессорлар болғанда болатын аппараттық ақауларды тиімді шешуге тиіс. Көптеген қазіргі заманғы суперкомпьютерлер Linux негізіндегі операциялық жүйелерді қолданғанымен, әр өндірушінің өзіндік ерекше Linux туындысы бар және аппараттық архитектурадағы айырмашылықтардың салдарынан әр аппараттық құрылымға операциялық жүйені оңтайландыру үшін өзгерістер қажет болатындықтан, салалық стандарт жоқ.
Бағдарламалық құралдар мен хабарламаларды беру
Суперкомпьютерлердің параллель архитектурасы олардың жылдамдығын тиімді пайдалану үшін арнайы бағдарламалау техникаларын қолдануды қажет етеді. Таратылған өңдеуге арналған бағдарламалық құралдарға MPI және PVM, VTL сияқты стандартты API-лар, сондай-ақ Beowulf сияқты ашық кодты бағдарламалық жасақтамалар жатады. Көбінесе PVM және MPI сияқты орталар аз байланысты кластерлер үшін, ал OpenMP тығыз үйлестірілген ортақ жадты машиналар үшін қолданылады. Алгоритмді оның іске асырылатын машинаның байланыс ерекшеліктеріне сәйкес оңтайландыруға көп күш жұмсалады; мақсаты – ешбір процессордың басқа түйіндерден дерек күтіп уақытын босқа кетірмеуіне қол жеткізу. GPGPU-лар жүздеген процессорлық ядроға ие және CUDA немесе OpenCL сияқты бағдарламалау үлгілерін пайдаланып бағдарламаланады. Сонымен қатар, параллель бағдарламаларды түзету және сынау өте қиын. Мұндай бағдарламаларды сынау және түзету үшін арнайы техникалар қолданылуы тиіс.
Оппортунистикалық тәсілдер
Оппортунистік суперкомпьютерлік – бұл желілік тор есептеудің бір түрі, онда көптеген ерікті есептеу машиналарын біріктіре отырып құрылған «супер виртуалды компьютер» өте үлкен есептеу тапсырмаларын орындайды. Тор есептеулер суперкомпьютерлік деңгейде өнімділік қажет болатын, ұятқа қалдыратын параллельді есептеулердің көптеген мәселелеріне қолданылды. Дегенмен, ерікті есептеуге сүйенетін негізгі тор және бұлтты есептеу тәсілдері, сұйық динамикалық модельдеу сияқты дәстүрлі суперкомпьютерлік міндеттерді орындай алмайды. Ең жылдам тор есептеу жүйесі – Folding@home (F@h) ерікті есептеу жобасы. 2020 жылы F@h x86 процессорлық қуатының 2,5 эксафлопсқа жететінін хабарлады. Оның 100 пфлопстан астамын әртүрлі графикалық процессорларда (GPU) жұмыс істейтін клиенттер, ал қалғанын әртүрлі процессорлық жүйелер құрайды. Беркли ашық желілік есептеу инфрақұрылымы (BOINC) платформасы бірнеше ерікті есептеу жобаларын қамтиды. 2017 жылы BOINC желідегі 762 мыңнан астам белсенді компьютер (хост) арқылы 166 петафлопстан астам өңдеу қуатын тіркеді. 2016 жылы Great Internet Mersenne Prime Search (GIMPS) таратылған Mersenne Prime іздеуі 1,3 миллионнан астам компьютер арқылы шамамен 0,313 пфлопсқа қол жеткізді. PrimeNet сервері 1997 жылдан бері GIMPS тор есептеу тәсілін қолдап келеді, ол ерікті есептеу жобаларының бірі.
Квази-оппортунистикалық тәсілдер
Квази-оппортунистикалық суперкомпьютер – бұл таратылған есептеудің бір түрі, онда көптеген желілік, географиялық тұрғыдан шашыраңқы компьютерлердің «супер виртуалды компьютері» үлкен өңдеу қуатын қажет ететін есептеу тапсырмаларын орындайды. Квази-оппортунистикалық суперкомпьютер таратылған ресурстарға тапсырмаларды тағайындауды жақсырақ бақылауға және суперкомпьютерлік желідегі жеке жүйелердің қолжетімділігі мен сенімділігі туралы ақпаратты пайдалану арқылы оппортунистикалық желілік есептеуге қарағанда жоғары қызмет көрсету сапасын қамтамасыз етуді мақсат етеді. Дегенмен, желілердегі күрделі параллель есептеу бағдарламалық жасақтамасының квази-оппортунистикалық таратылған орындалуына желілік үлестіру келісімдері, бірлесіп үлестіру қосалқы жүйелері, байланыс топологиясын ескеретін үлестіру механизмдері, қателерге төзімді хабар алмасу кітапханалары және деректерді алдын ала дайындау арқылы қол жеткізу керек. 2016 жылы Penguin Computing, Parallel Works, R HPC, Amazon Web Services, Univa, Silicon Graphics International, Rescale, Sabalcore және Gomput HPC бұлтты есептеуді ұсына бастады. Penguin On Demand (POD) бұлты – кодты орындау үшін «жалаңаш металл» есептеу моделі, бірақ әр пайдаланушыға виртуалды кіру нүктесі беріледі. POD есептеу түйіндері виртуалды емес 10 Гбит/с Ethernet немесе QDR InfiniBand желілері арқылы байланыстырылған. POD деректер орталығына пайдаланушының қосылу жылдамдығы 50 Мбит/с-тан 1 Гбит/с-қа дейін жетеді. Amazon EC2 Elastic Compute Cloud-ты мысалға келтіре отырып, Penguin Computing есептеу түйіндерін виртуализациялау HPC үшін қолайлы емес екенін айтады. Penguin Computing сондай-ақ HPC бұлттары клиенттерге алыс орналасқан есептеу түйіндерін бөлуі мүмкін екенін сынға алды, бұл кейбір HPC қолданбаларының өнімділігін нашарлатады.
Даму және даму үрдістері
2010 жылдары Қытай, АҚШ, Еуропалық Одақ және басқа да елдер 1 эксафлопс (1018 немесе бір квинтиллион FLOPS) суперкомпьютерін жасау үшін жарысты. Сандия ұлттық зертханасының Эрик П. ДеБендиктис толық ауа райын модельдеу үшін зеттафлопс (1021 немесе бір секстиллион FLOPS) есептеу машинасы қажет екенін болжады, ол екі апталық мерзімді дәл болжауға мүмкіндік береді. Мұндай жүйелер шамамен 2030 жылға қарай құрылуы мүмкін. Көптеген Монте-Карло симуляциялары кездейсоқ түрде жасалған деректер жиынтығын өңдеу үшін бірдей алгоритмді пайдаланады, атап айтқанда, физикалық тасымалдау процестерін, кездейсоқ траекторияларды, соқтығысуларды және нейтрондардың, фотондардың, иондардың, электрондардың энергиясы мен импульсінің бөлінуін сипаттайтын интегралды-дифференциалдық теңдеулерді және т.б. Микропроцессорлардың дамуы үшінгі келесі қадам үшінші өлшемге өту болуы мүмкін. Монте-Карло есептеулеріне қатысты, көптеген қабаттар бірдей болуы мүмкін, бұл жобалау және өндіру процесін жеңілдетуге болады. Жоғары өнімді суперкомпьютерлерді пайдалану құны, негізінен, электр қуатын тұтынудың артуына байланысты өсті. 1990 жылдардың ортасында топ-10 суперкомпьютерге шамамен 100 киловатт қуат қажет болды, ал 2010 жылы топ-10 суперкомпьютерлерге 1 мен 2 мегаватт аралығында қуат керек болды. 2010 жылы DARPA тапсырысымен жүргізілген зерттеуде электр қуатын тұтыну экзамасштабты есептеулерге қол жеткізудегі ең маңызды мәселе ретінде анықталды. Сол кезде энергияның бір мегаватты жылына шамамен 1 миллион доллар тұрды. Заманауи көп ядролы процессорлардың қыздыруын тиімді түрде кетіру үшін суперкомпьютерлік орталықтар құрылды. 2007-2011 жылдар аралығындағы "Green 500" суперкомпьютерлер тізіміндегі энергия тұтыну деректеріне сүйенсек, 2011 жылы 1 эксафлопс есептеу қуатына ие суперкомпьютерге шамамен 500 мегаватт қуат қажет болар еді. Энергияны үнемдеу мақсатында, қолда бар аппараттық құралдар үшін операциялық жүйелер жасалды. Параллель есептеулерді орындау кезінде пайдаланылмаған процессорлық ядролар төмен қуат режиміне ауыстырылды, бұл кейбір суперкомпьютерлік қосымшалар үшін энергияны үнемдеуге мүмкіндік берді. Суперкомпьютерлерді пайдалану құнының артуы, ресурстарды біріктіруге және таратылған суперкомпьютерлік инфрақұрылымды құруға бағытталған тенденцияның ықпалды факторы болды. Ұлттық суперкомпьютерлік орталықтар алғаш АҚШ-та пайда болды, одан кейін Германия мен Жапония құрылды. Еуропалық Одақ Еуропадағы жоғары деңгейдегі есептеулер үшін серіктестік (PRACE) бағдарламасын іске қосты, мақсаты – Еуропалық Одақтың ғалымдарына суперкомпьютерлік қосымшаларды орнату, кеңейту және оңтайландыру бойынша қызметтер ұсынатын, тұрақты пан-Еуропалық суперкомпьютерлік инфрақұрылымды құру. Суперкомпьютерлік жабдықтарды қаржыландыру да күрделене түсті. 1990 жылдардың ортасында топ-10 суперкомпьютердің құны шамамен 10 миллион еуроны құраса, 2010 жылы топ-10 суперкомпьютерлерге 40-50 миллион еуро инвестиция қажет болды. 2000 жылдары ұлттық үкіметтер суперкомпьютерлерді қаржыландырудың әртүрлі стратегияларын енгізді. Ұлыбританияда суперкомпьютерлерді толығымен ұлттық үкімет қаржыландырды және жоғары өнімді есептеулер ұлттық қаржыландыру агенттігінің бақылауына берілді. Германия жергілікті және федералдық қаржыландыруды біріктіретін аралас қаржыландыру моделін жасады.
Көркем шығармаларда
Фикциядағы суперкомпьютерлердің мысалдары: HAL 9000, Multivac, «Машина тоқтап қалады», GLaDOS, «Ешбір қақтығыс», «Вулканның балғасы», Colossus, WOPR, AM және Deep Thought. «Джурасик Парк» сериясында сақталған паразиттерден алынған ДНК-ны тізбектеп алу үшін Cray X MP суперкомпьютері қолданылған.