Топ-12 суперкомпьютеров 2021 года: рейтинги и анализ производительности

Топ-12 суперкомпьютеров 2021 года: рейтинги и анализ производительности

Для большинства из нас компьютер кажется достаточно быстрым, если он воспроизводит 8K-видео или последнюю версию Far Cry на 60 fps без тормозов. Однако существует множество сложных задач, требующих миллиарды вычислений в секунду — что не под силу настольному ПК с i9.

Именно здесь на сцену выходят суперкомпьютеры. Они обеспечивают высокий уровень производительности, позволяя правительствам и организациям решать проблемы, нерешаемые обычными компьютерами.

Современные суперкомпьютеры создаются с учётом рабочих нагрузок ИИ (искусственного интеллекта). Помимо прогноза погоды, климатических исследований, физических симуляций и разведки нефти/газа, суперкомпьютеры помогают ученым открывать более стойкие строительные материалы и изучать белки и клеточные системы людей на экстремальном уровне детализации.

Обычно производительность суперкомпьютера измеряется в FLOPS (операциях с плавающей запятой в секунду). В научных вычислениях FLOPS — более точная метрика, чем инструкции в секунду.

Знаете ли вы, что первый суперкомпьютер — Livermore Atomic Research Computer — был построен для Центра НИОКР ВМС США в 1960 году.

Чтобы показать, как далеко мы зашли с тех пор, мы составили подробный список самых быстрых суперкомпьютеров мира. Все они — нераспределённые компьютерные системы на Linux.

12. Sequoia

Скорость: 17,1 петафлопс
Ядра: 1 572 864

Производитель: IBM
Расположение: Лаборатория Лоуренс Ливермор, США

Sequoia использует серверы IBM BlueGene/Q для теоретической пиковой производительности 20 петафлопс. Имеет на 123% больше ядер и на 37% энергоэффективнее предшественника K computer.

Хотя машина в основном используется для симуляций ядерного оружия, она также доступна для научных целей: изменение климата, анализ генома человека. Также продемонстрировала отличную масштабируемость в 3D-симуляции электрофизиологии сердца.

11. PANGEA III

Credit: Total S.A.

Скорость: 17,8 петафлопс
Ядра: 291 024

Производитель: IBM
Расположение: Научно-технический центр CSTJF в По, Франция

Pangea III опирается на AI-оптимизированную высокопроизводительную архитектуру IBM. IBM и NVIDIA вместе создали единственный в отрасли CPU-to-GPU NVLink, дающий более чем в 5 раз большую пропускную способность памяти между IBM POWER9 CPU и NVIDIA Tesla V100 Tensor Core GPU, чем обычные x86-системы.

Архитектура не только повышает вычислительную мощность, но и улучшает энергоэффективность. Новая система использует менее 10% энергии на петафлопс по сравнению с предшественниками Pangea I и II.

Pangea III применяется в трёх сферах: сейсмическое تصوير для разведки и разработки, модели разработки и производства, оценка активов и селективность.

10. Lassen

Скорость: 18,2 петафлопс
Ядра: 288 288

Производитель: IBM
Расположение: Лаборатория Лоуренс Ливермор, США

Lassen предназначен для несекретных симуляций и анализа. Установлен в той же лаборатории и из тех же компонентов, что и Sierra (#2 по скорости).

Хотя Sierra — огромная система, Lassen сам по себе достоин уважения: он в точности в 1/6 размеров старшего брата. Lassen занимает 40 стеллажей, тогда как Sierra — 240.

Процессоры IBM Power9 и 253 терабайта основной памяти позволяют Lassen достичь пиковой производительности 23 петафлопс.

9. SuperMUC-NG

Скорость: 19,4 петафлопс
Ядра: 305 856

Производитель: Lenovo
Расположение: Центр суперкомпьютерных вычислений Лейбница, Германия

SuperMUC-NG включает 6400 узлов Lenovo ThinkSystem SD650 с прямым водяным охлаждением, более 700 терабайт основной памяти и 70 петабайт дискового хранилища.

Подключён к мощным системам визуализации: большой 4K стереоскопический powerwall и 5-сторонняя CAVE-система виртуальной реальности.

Суперкомпьютер обслуживает европейских ученых многих областей: анализ генома, гидродинамика, квантовая хромодинамика, биология, медицина, астрофизика.

8. AI Bridging Cloud Infrastructure

Credit: ABCI

Скорость: 19,8 петафлопс
Ядра: 391 680

Производитель: Fujitsu
Расположение: Национальный институт передовых промышленных наук и технологий, Япония

Это первая в мире крупномасштабная открытая инфраструктура для ИИ-вычислений, дающая 32,577 петафлопс пиковой производительности. Всего 1088 узлов, каждый с 2 Intel Xeon Gold Scalable, 4 NVIDIA Tesla V100 GPU, 2 InfiniBand EDR HCA и 1 NVMe SSD.

Fujitsu заявляет, что суперкомпьютер достигает в 20 раз большей тепловой плотности обычных ЦОД и охлаждения 70 кВт на стеллаж за счёт горячей воды и воздушного охлаждения.

7. Trinity

Скорость: 21,2 петафлопс
Ядра: 979 072

Производитель: Cray
Расположение: Национальная лаборатория Лос-Аламос, США

Trinity создан для выдающейся вычислительной способности NNSA Nuclear Security Enterprise. Цель — улучшить геометрическую и физическую точность в коде симуляции ядерного оружия, гарантируя безопасность, защиту и эффективность ядерного арсенала.

Суперкомпьютер разрабатывался в двух этапах: первый — процессоры Intel Xeon Haswell, второй — существенный прирост производительности за счёт Intel Xeon Phi Knights Landing. Может выдавать общую пиковую производительность более 41 петафлопс.

6. Piz Daint

Скорость: 21,2 петафлопс
Ядра: 387 872

Производитель: Cray
Расположение: Швейцарский национальный суперкомпьютерный центр, Швейцария

Этот суперкомпьютер, названный в честь горы Piz Daint в швейцарских Альпах, работает на микропроцессорах Intel Xeon E5-26xx и NVIDIA Tesla P100.

Piz Daint использует режим «burst buffer» DataWarp для повышения эффективной полосы пропускания к хранилищу и от него. Это ускоряет скорости ввода-вывода, облегчая анализ миллионов небольших неструктурированных файлов.

Помимо ежедневных задач, он справляется с анализом данных некоторых самых данныховых проектов мира, например, данных экспериментов на Большом адронном коллайдере.

Читайте: Что такое частичный ускоритель?

5. Frontera

Вид между двумя рядами серверов Frontera | Credit: TACC

Скорость: 23,5 петафлопс
Ядра: 448 448

Производитель: Dell EMC
Расположение: Техасский центр передовых вычислений, США

Frontera открывает новые возможности в инженерии и исследованиях, предоставляя обширные вычислительные ресурсы для решения множества сложных задач в широком спектре областей.

Frontera имеет две вычислительные подсистемы: первая фокусируется на двойной точности, вторая — на однократной потоковой памяти. Также есть облачные интерфейсы и множество узлов приложений для хостинга виртуальных серверов.

4. Tianhe-2A

Tianhe-2 в Национальном суперкомпьютерном центре в Гуанчжоу

Скорость: 61,4 петафлопс
Ядра: 4 981 760

Производитель: NUDT
Расположение: Национальный суперкомпьютерный центр в Гуанчжоу, Китай

С более чем 16 000 вычислительных узлов Tianhe-2A представляет крупнейшую в мире установку процессоров Intel Ivy Bridge и Xeon Phi. У каждого узла 88 ГБ памяти, общая память (CPU+копроцессор) — 1375 тебибайт.

Китай потратил 2,4 млрд юаней (около $390 млн) на этот суперкомпьютер. Сейчас он в основном используется для симуляций, анализа и правительственных приложений безопасности.

3. Sunway TaihuLight

Скорость: 93 петафлопс
Ядра: 10 649 600

Производитель: NRCPC
Расположение: Национальный суперкомпьютерный центр в Уси, Китай

Вычислительная мощь TaihuLight исходит от саморразработанного многоядерного CPU SW26010, включающего вычислительные и управляющие элементы обработки.

Одиночный SW26010 даёт пиковую производительность более 3 терафлопс благодаря 260 вычислительным элементам (интегрированным в один CPU). У каждого вычислительного элемента есть scratchpad-память, служащая пользовательским кэшем, что сильно снижает узкое место памяти в большинстве приложений.

Помимо биологии и фармацевтики, TaihuLight использовался для симуляции вселенной с 10 триллионами цифровых частиц. Однако Китай ставит более амбициозные цели: страна заявила о цели стать лидером в ИИ к 2030 году.

2. Sierra

Image credit: Wikimedia

Скорость: 94,6 петафлопс
Ядра: 1 572 480

Производитель: IBM
Расположение: Лаборатория Лоуренс Ливермор, США

Sierra даёт до 6-кратную устойчивую производительность и 7-кратную рабочую производительность по сравнению с предшественником Sequoia. Сочетает два типа процессоров: IBM Power 9 и NVIDIA Volta GPU.

Sierra специально спроектирован для оценки систем ядерного оружия. Используется для предиктивных приложений в программе stewardship арсенала — программе надежности и обслуживания ядерного оружия без ядерных испытаний.

Читайте: Что такое тензорный процессор (TPU)? Чем он отличается от GPU?

1. Summit

Image credit: ORNL

Скорость: 148,6 петафлопс
Ядра: 2 414 592

Производитель: IBM
Расположение: Национальная лаборатория Оук-Ридж, США

Summit может выдавать 200 петафлопс на пике. Это эквивалентно 200 квадриллионам операций с плавающей запятой в секунду.

Также это третий по энергоэффективности суперкомпьютер в мире с записанной эффективностью 14,66 гигафлопс/ватт.

4600+ серверов Summit, занимающих площадь двух баскетбольных кортов, содержат более 9200 процессоров IBM Power9 и свыше 27 600 GPU NVIDIA Tesla V100. Система соединена 185 милями оптоволокна и потребляет энергию, достаточную для 8100 домов.

В 2018 году Summit стал первым суперкомпьютером, прорвавшим экзаскальный барьер. При анализе геномных данных достиг пиковой пропускной способности 1,88 экзаопс — почти 2 квинтиллиона вычислений в секунду.

США стремятся к разработке полноценной экзаскальной вычислительной экосистемы для научных исследований к следующему году, и Summit — шаг к этому.

1. Fugaku

Скорость: 442 петафлопс
Ядра: 7 630 848

Производитель: Fujitsu
Расположение: Центр вычислительных наук RIKEN, Япония

С теоретической пиковой производительностью 537 петафлопс Fugaku — самый быстрый суперкомпьютер мира. Также это первый топовый суперкомпьютер на процессорах ARM.

По бенчмарку HPCG производительность Fugaku превосходит совокупную производительность следующих четырёх суперкомпьютеров мира.

Это большой достижение для Японии, но создание такой мощной системы не было дешёвым. С 2014 года правительство потратило около $1 млрд на НИОКР, закупки и разработку приложений.

Fugaku работает на двух ОС параллельно: Linux и «легковесной мультиядерной ОС» IHK/McKernel. Linux отвечает за POSIX-совместимые сервисы, а McKernel — за высокопроизводительные симуляции.

Он предназначен для решения приоритетных социальных и научных проблем: прогноз погоды, чистая энергия, открытие лекарств, персонализированная медицина, изучение законов квантовой механики.

Читайте: 18 самых интересных фактов о квантовых компьютерах

Часто задаваемые вопросы

Какое ПО запускают суперкомпьютеры?

Почти все современные суперкомпьютеры используют Linux. Главная причина — открытая природа Linux.

Так как суперкомпьютеры создаются для конкретных целей, им нужна кастомная ОС, оптимизированная под эти требования. Разработка и поддержка закрытых проприетарных ОС — гораздо более дорогой и трудоёмкий процесс.

Linux, с другой стороны, бесплатен, надёжен и легко настраиваем. Разработчики могут конфигурировать или делать отдельные версии Linux для каждого суперкомпьютера.

Читайте: Линус Торвальдс: человек, создавший ядро Linux

Кто использует суперкомпьютеры?

Суперкомпьютеры в основном используют ученые и исследователи для вычислительно-интенсивных задач в различных областях:

• Аэродинамические исследования и прогноз погоды
• Проверка стойкости шифрования
• Молекулярно-динамическое моделирование
• Финансы и рыночные исследования
• 3D ядерные тестовые симуляции
• Поиск лекарств
• Космические исследования

В какой стране больше всего суперкомпьютеров?

На 2021 год Китай имеет 188 из 500 топовых суперкомпьютеров мира. США — 122, Япония — 34. Вместе две лидирующие страны составляют 62% самых мощных суперкомпьютеров мира.

Читайте: 13 лучших книг по компьютерным наукам

Какое будущее у суперкомпьютеров?

По отчёту Technavio, глобальный рынок суперкомпьютеров вырастет на $12,5 млрд между 2021 и 2025 годами, прогрессируя с CAGR 20% в прогнозный период.

Главная причина роста — возрастающее использование ИИ, машинного обучения и облачных технологий. Потреба в высокосложных моделях для сложной физики, химии и экологии может ускорить рост ещё больше.

В целом, с растущими сложными приложениями в ближайшем будущем спрос на суперкомпьютеры будет расти. Правительственные структуры ожидаются как основные генераторы выручки.