История суперкомпьютеров восходит к 1960-м годам, когда Сеймур Крей разработал серию компьютеров в Control Data Corporation (CDC), которые использовали инновационные конструкции и параллелизм для достижения превосходной пиковой производительности вычислений. [1] CDC 6600 , выпущенный в 1964 году, обычно считается первым суперкомпьютером. [2] [3] Однако некоторые более ранние компьютеры считались суперкомпьютерами для своего времени, такие как IBM NORC 1954 года в 1950-х годах, [4] и в начале 1960-х годов, UNIVAC LARC (1960), [5] IBM 7030 Stretch (1962), [6] и Manchester Atlas (1962), все [ указать ] из которых имели сопоставимую мощность. [ необходима ссылка ]
Если суперкомпьютеры 1980-х годов использовали всего несколько процессоров, то в 1990-х годах в США и Японии начали появляться машины с тысячами процессоров, устанавливая новые рекорды вычислительной производительности.
К концу XX века были созданы суперкомпьютеры с массовым параллелизмом и тысячами «стандартных» процессоров, подобных тем, что используются в персональных компьютерах, которые преодолели вычислительный барьер в терафлопс .
Прогресс в первом десятилетии XXI века был впечатляющим: появились суперкомпьютеры с более чем 60 000 процессорами, достигающие уровня производительности в петафлопс.
Термин «суперкомпьютер» впервые был использован в New York World в 1929 году [7] для обозначения больших специализированных табуляторов , которые IBM изготовила для Колумбийского университета . [8]
В 1957 году группа инженеров покинула Sperry Corporation , чтобы основать Control Data Corporation (CDC) в Миннеаполисе , штат Миннесота. Сеймур Крэй покинул Sperry годом позже, чтобы присоединиться к своим коллегам в CDC. [1] В 1960 году Крэй завершил CDC 1604 , один из первых поколений коммерчески успешных транзисторных компьютеров и на момент его выпуска самый быстрый компьютер в мире. [9] Однако единственный полностью транзисторный Harwell CADET был запущен в эксплуатацию в 1951 году, а IBM выпустила свой коммерчески успешный транзисторный IBM 7090 в 1959 году.
Около 1960 года Крэй решил спроектировать компьютер, который был бы самым быстрым в мире с большим отрывом. После четырех лет экспериментов вместе с Джимом Торнтоном, Дином Раушем и примерно 30 другими инженерами, Крэй завершил CDC 6600 в 1964 году. Крэй перешел с германиевых на кремниевые транзисторы, созданные Fairchild Semiconductor , которые использовали планарный процесс. У них не было недостатков меза-кремниевых транзисторов. Он запускал их очень быстро, и ограничение скорости света вынуждало использовать очень компактную конструкцию с серьезными проблемами перегрева, которые были решены путем введения охлаждения, разработанного Дином Раушем. [10] 6600 превзошел предыдущего рекордсмена отрасли, IBM 7030 Stretch , [ требуется разъяснение ] в три раза. [11] [12] С производительностью до трех мегафлопс [ 13 ] [14] он был назван суперкомпьютером и определил рынок суперкомпьютеров, когда было продано двести компьютеров по 9 миллионов долларов каждый. [9] [15]
6600 набирал скорость, «передавая» работу периферийным вычислительным элементам, освобождая ЦП (центральный процессор) для обработки фактических данных. Компилятор Minnesota FORTRAN для машины был разработан Лиддьярдом и Мундстоком в Университете Миннесоты , и с ним 6600 мог поддерживать 500 килофлопс на стандартных математических операциях. [16] В 1968 году Крэй завершил CDC 7600 , снова самый быстрый компьютер в мире. [9] При 36 МГц 7600 имел в 3,6 раза большую тактовую частоту , чем 6600, но работал значительно быстрее из-за других технических инноваций. Они продали всего около 50 экземпляров 7600, что не совсем провал. Крэй покинул CDC в 1972 году, чтобы основать свою собственную компанию. [9] Через два года после его ухода CDC выпустила STAR-100 , производительность которого составляла 100 мегафлопс, что в три раза превышало скорость 7600. Наряду с Texas Instruments ASC , STAR-100 была одной из первых машин, использовавших векторную обработку — была навеяна примерно в 1964 году языком программирования APL . [17] [18]
В 1956 году группа ученых из Манчестерского университета в Соединенном Королевстве начала разработку MUSE — ( происходит от microsecond engine — микросекундный двигатель) — целью создания компьютера, который мог бы работать со скоростью обработки, приближающейся к одной микросекунде на инструкцию, около миллиона инструкций в секунду . [19] Мю (название греческой буквы μ ) — префикс в СИ и других системах единиц, обозначающий множитель 10−6 ( одна миллионная).
В конце 1958 года Ферранти согласился сотрудничать с Манчестерским университетом в проекте, и вскоре компьютер был переименован в Atlas , а совместное предприятие находилось под контролем Тома Килберна . Первый Atlas был официально введен в эксплуатацию 7 декабря 1962 года — почти за три года до того, как был представлен Cray CDC 6600 — один из первых в мире суперкомпьютеров . На момент ввода в эксплуатацию он считался самым мощным компьютером в мире, эквивалентным четырем IBM 7094. Говорили, что всякий раз, когда Atlas отключался, половина вычислительной мощности Соединенного Королевства терялась. [20] Atlas стал пионером виртуальной памяти и страничного обмена как способа расширения своей рабочей памяти, объединив 16 384 слова первичной памяти ядра с дополнительными 96 К слов вторичной памяти барабана . [21] Atlas также был пионером Atlas Supervisor , «который многие считают первой узнаваемой современной операционной системой ». [20]
Через четыре года после ухода из CDC, в 1976 году, Cray выпустил 80 МГц Cray-1 , который стал самым успешным суперкомпьютером в истории. [18] [22] Cray-1, который использовал интегральные схемы с двумя вентилями на чип, был векторным процессором . Он представил ряд инноваций, таких как цепочка , в которой скалярные и векторные регистры генерируют промежуточные результаты, которые можно использовать немедленно, без дополнительных ссылок на память, которые в противном случае снизили бы скорость вычислений. [10] [23] Cray X-MP (разработанный Стивом Ченом ) был выпущен в 1982 году как параллельный векторный процессор с общей памятью 105 МГц с улучшенной поддержкой цепочек и несколькими конвейерами памяти. Все три конвейера с плавающей точкой на X-MP могли работать одновременно. [23] К 1983 году Cray и Control Data были лидерами суперкомпьютеров; несмотря на свое лидерство на общем рынке компьютеров, IBM не смогла создать прибыльного конкурента. [24]
Cray -2 , выпущенный в 1985 году, представлял собой четырехпроцессорный компьютер с жидкостным охлаждением, полностью погруженный в резервуар с Fluorinert , который пузырился во время работы. [10] Он достигал 1,9 гигафлопс и был самым быстрым суперкомпьютером в мире, и первым, кто преодолел барьер гигафлопс. [25] Cray-2 был совершенно новой конструкцией. Он не использовал цепочки и имел высокую задержку памяти, но использовал много конвейеризации и был идеален для задач, требующих больших объемов памяти. [23] Затраты на программное обеспечение при разработке суперкомпьютера не следует недооценивать, о чем свидетельствует тот факт, что в 1980-х годах стоимость разработки программного обеспечения в Cray сравнялась с затратами на оборудование. [26] Эта тенденция частично ответственна за переход от внутренней операционной системы Cray к UNICOS на основе Unix . [26]
Cray Y-MP , также разработанный Стивом Ченом, был выпущен в 1988 году как усовершенствование X-MP и мог иметь восемь векторных процессоров на частоте 167 МГц с пиковой производительностью 333 мегафлопс на процессор. [23] В конце 1980-х годов эксперимент Крэя по использованию полупроводников на основе арсенида галлия в Cray-3 не увенчался успехом. Сеймур Крей начал работать над массивно-параллельным компьютером в начале 1990-х годов, но погиб в автокатастрофе в 1996 году, прежде чем проект был завершен. Однако Cray Research производила такие компьютеры. [22] [10]
Cray -2 , который установил границы суперкомпьютеров в середине-конце 1980-х, имел всего 8 процессоров. В 1990-х начали появляться суперкомпьютеры с тысячами процессоров. Другим событием в конце 1980-х стало появление японских суперкомпьютеров, некоторые из которых были смоделированы по образцу Cray-1.
В течение первой половины Стратегической вычислительной инициативы было доказано, что некоторые массивно-параллельные архитектуры работают, такие как систолический массив WARP , MIMD с передачей сообщений, такой как гиперкуб Cosmic Cube , SIMD, такой как Connection Machine , и т. д. В 1987 году была предложена Программа вычислительных технологий TeraOPS с целью достижения 1 teraOPS (триллиона операций в секунду) к 1992 году, что считалось достижимым путем масштабирования любой из ранее проверенных архитектур. [27]
SX -3/44R был анонсирован корпорацией NEC в 1989 году и год спустя получил титул самой быстрой в мире модели с четырьмя процессорами. [28] Однако суперкомпьютер Fujitsu Numerical Wind Tunnel использовал 166 векторных процессоров, чтобы занять первое место в 1994 году. Он имел пиковую скорость 1,7 гигафлопс на процессор. [29] [30] Hitachi SR2201 достиг пиковой производительности 600 гигафлопс в 1996 году, используя 2048 процессоров, соединенных через быструю трехмерную перекрестную сеть. [31] [32] [33]
В тот же период времени Intel Paragon мог иметь от 1000 до 4000 процессоров Intel i860 в различных конфигурациях и был признан самым быстрым в мире в 1993 году. Paragon был машиной MIMD , которая соединяла процессоры через высокоскоростную двумерную сетку, позволяя процессам выполняться на отдельных узлах; взаимодействуя через интерфейс передачи сообщений . [34] К 1995 году Cray также поставляла массивно-параллельные системы, например Cray T3E с более чем 2000 процессорами, используя трехмерное торическое соединение . [35] [36]
Архитектура Paragon вскоре привела к появлению суперкомпьютера Intel ASCI Red в Соединенных Штатах, который удерживал первое место среди суперкомпьютеров до конца 20-го века в рамках Advanced Simulation and Computing Initiative . Это также была сетчатая система MIMD с массивно-параллельным процессором с более чем 9000 вычислительных узлов и более чем 12 терабайтами дискового пространства, но использовала готовые процессоры Pentium Pro , которые можно было найти в обычных персональных компьютерах. ASCI Red была первой системой, которая преодолела барьер в 1 терафлоп на тесте MP- Linpack в 1996 году; в конечном итоге достигнув 2 терафлоп. [37]
Значительный прогресс был достигнут в первом десятилетии 21-го века. Эффективность суперкомпьютеров продолжала расти, но не так радикально. Cray C90 потреблял 500 киловатт мощности в 1991 году, в то время как к 2003 году ASCI Q потреблял 3000 кВт, будучи в 2000 раз быстрее, увеличивая производительность на ватт в 300 раз. [38]
В 2004 году суперкомпьютер Earth Simulator , созданный NEC в Японском агентстве по науке и технологиям в области морской и земной физики (JAMSTEC), достиг производительности 35,9 терафлопс, используя 640 узлов, каждый из которых имел восемь фирменных векторных процессоров . [39]
Архитектура суперкомпьютера IBM Blue Gene нашла широкое применение в начале 21-го века, и 27 компьютеров из списка TOP500 использовали эту архитектуру. Подход Blue Gene несколько отличается тем, что он жертвует скоростью процессора ради низкого энергопотребления, чтобы большее количество процессоров могло использоваться при температурах воздушного охлаждения. Он может использовать более 60 000 процессоров, с 2048 процессорами «на стойку», и соединяет их через трехмерное торическое соединение. [40] [41]
Прогресс в Китае был стремительным: в июне 2003 года Китай занял 51-е место в списке TOP500; затем последовало 14-е место в ноябре 2003 года, 10-е место в июне 2004 года, затем 5-е место в 2005 году, прежде чем занять первое место в 2010 году с 2,5-петафлопсным суперкомпьютером Tianhe-I . [42] [43]
В июле 2011 года японский компьютер K производительностью 8,1 петафлопс стал самым быстрым в мире, используя более 60 000 процессоров SPARC64 VIIIfx , размещенных в более чем 600 шкафах. Тот факт, что компьютер K более чем в 60 раз быстрее, чем Earth Simulator, и что Earth Simulator занимает 68-е место в мире спустя семь лет после удержания первого места, демонстрирует как быстрый рост максимальной производительности, так и широкомасштабный рост суперкомпьютерных технологий во всем мире. [44] [45] [46] К 2014 году Earth Simulator выбыл из списка, а к 2018 году компьютер K выбыл из первой десятки. К 2018 году Summit стал самым мощным суперкомпьютером в мире с производительностью 200 петафлопс. В 2020 году японцы снова заняли первое место с суперкомпьютером Fugaku , способным развивать производительность 442 PFLOPS. Наконец, начиная с 2022 года и до настоящего времени (по состоянию на декабрь 2023 года [обновлять]) самым быстрым суперкомпьютером в мире стал Hewlett Packard Enterprise Frontier , также известный как OLCF-5 и размещенный в Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) в Теннесси , США. Frontier основан на Cray EX , является первым в мире суперкомпьютером exascale и использует только процессоры и графические процессоры AMD ; он достиг Rmax в 1,102 exaFLOPS , что составляет 1,102 квинтиллиона операций в секунду. [47] [48] [49] [50] [51]
Это список компьютеров, которые появлялись на вершине списка TOP500 с 1993 года. [52] «Пиковая скорость» указана как рейтинг «Rmax».
CoCom и его более поздняя замена, Вассенаарское соглашение , юридически регулировали, т. е . требовали лицензирования, одобрения и ведения учета; или полностью запрещали экспорт высокопроизводительных компьютеров (HPC) в определенные страны. Такой контроль стало сложнее обосновать, что привело к ослаблению этих правил. Некоторые утверждали, что эти правила никогда не были оправданы. [53] [54] [55] [56] [57] [58]