Superkomputer kontra tradycyjny komputer – wyjaśniamy, czym się różnią

Przy okazji różnych odkryć naukowych czy raportów badaczy z całego świata często wspomina się o wykorzystaniu superkomputerów, które pozwoliły stosunkowo szybko uzyskać wyniki skomplikowanych obliczeń. O tego typu urządzeniach mówi się w ostatnich lata bardzo dużo, jednak czym różnią się one od używanych przez nas pecetów?

  • Smartfony czy konsole, pod względem budowy wewnętrznej i zasady działania, nie różnią się od tradycyjnych komputerów
  • Superkomputery wykorzystywane są do wykonywania różnych skomplikowanych obliczeń związanych z nauką czy badaniami
  • Moc obliczeniowa komputerów (również superkomputerów) mierzona jest we FLOPS-ach, czyli liczbie operacji zmiennoprzecinkowych, jakie dany układ wykona w ciągu jednej sekundy
  • Fugaku, najszybszy superkomputer, dysponuje mocą obliczeniową na poziomie 442 PFLOPS
  • Koszt zbudowania superkomputera liczony jest w setkach milionów złotych
  • Choć zwykłe komputery i superkomputery różnią się pod względem budowy, oba urządzenia wykorzystują do przesyłania informacji bity

W ostatnich latach ciężko wskazać, czym dokładnie jest komputer, bo de facto większość współczesnych urządzeń elektronicznych budowana jest na podobnej zasadzie. Laptopy, smartfony, smartwatche i tradycyjne pecety mają swoje procesory, pamięci czy układy graficzne, które wspomagają wykonywanie przeróżnych operacji arytmetycznych i logicznych, oraz mogą obsługiwać urządzenia peryferyjne. Magazyn PCMag zdefiniował komputer jako:

Maszynę ogólnego przeznaczenia, która przetwarza dane zgodnie z zestawem instrukcji przechowywanych wewnętrznie (tymczasowo lub na stałe). Komputer i cały podłączony do niego sprzęt to hardware. Instrukcje, które mówią komputerowi, co ma zrobić, to software (oprogramowanie – dop. red.).

Z tą definicją zaznajomiliśmy się przez ostatnie lata i jest ona dla nas zrozumiała, podobnie jak to, do czego wykorzystujemy komputery dostępne obecnie w przeróżnych, dopasowanych do różnych zadań formach. Obecny trend, czyli tworzenie konstrukcji stricte pod zastosowania dla konkretnej grupy odbiorców, przypomina trochę to, od czego zaczynano projektowanie tego typu maszyn. Przykładowo ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) był komputerem pierwszej generacji z 1945 r., który został stworzony z myślą o wojsku, a konkretnie – obliczeniach artyleryjskich. ARR, czyli Analizator Równań Różniczkowych będący jednocześnie pierwszym polskim komputerem analogowym (powstał w 1954 r.), którego głównym zadaniem, jak sama nazwa wskazuje, było rozwiązywanie równań różniczkowych zwyczajnych. W tym był naprawdę świetny, przynajmniej jak na swoje czasy, a więcej pisaliśmy o nim przy okazji omówienia dokonań Leona Łukasiewicza, pierwszego polskiego informatyka.

ENIAC – amerykański komputer stworzony z myślą o wojsku

Wielozadaniowość kontra skupienie się na wybranych procesach

O ile wykorzystywane przez nas pecety mogą służyć nam do pracy, rozrywki lub poszukiwania informacji w internecie, każdy superkomputer wykorzystywany jest do nieco innego zadania. Oczywiście w zdecydowanej większości przypadków będą to skomplikowane obliczenia, jednak dalej mówimy o niezwykle wysokim stopniu specjalizacji. Wynika to również z tego, że superkomputery nie są ogólnodostępnymi maszynkami – urządzenia ta kosztuj setki milionów złotych i są robione na zamówienie. Przykładowo zbudowanie japońskiego superkomputera Fugaku wymagało wyłożenia ok. 1 mld dol., czyli 4,19 mld zł.

Ta specjalizacja wynika również z budowy oraz tego, w jaki sposób pracuje to skomplikowane urządzenie. Obecnie wykorzystywane komputery oraz inne wspomniane już konstrukcje powszechnego użytku to tzw. komputery czwartej generacji, czyli takie, które opierają się na układach scalonych wielkiej integracji. W zależności od złożoności zadań, jakie wykonywać ma dane urządzenie, tych elementów wchodzących w skład układu będzie więcej lub będą bardziej wydajne. Przykładowo w wielu modelach laptopów rezygnuje się z oddzielnego układu graficznego na rzecz tego zintegrowanego, by zmniejszyć wagę i cenę urządzenia.

Fugaku, japoński superkomputer

Wszystko jednak ciągle dotyczy jednego zamkniętego w “opakowanie” zespołu wielu elementów przetwarzających. Dzięki temu są to urządzenie wielozadaniowe, które nadają się do wykonywania operacji z różnych dziedzin, co w połączeniu z systemem operacyjnym zaspokaja potrzeby większości użytkowników. W przypadku superkomputera mamy do czynienia z dużą liczbą komputerów (układów złożonych z procesorów i kart graficznych), które skupiają się na tym samym zadaniu, czyli np. wykonaniu obliczenia matematycznego niezbędnego w analizie naukowej. To z kolei pozwala na wykonywanie bardziej skomplikowanych obliczeń równoległych.

Właśnie to jest głównym czynnikiem odróżniającym superkomputer od zwykłego komputera oraz innych, bazowanych na podobnym sposobie konstruowania, urządzeń. Z tego wynikają również różnice w budowie.

Schemat budowy architektury superkomputerów Blue Gen stworzonej przez IBM

Z czego składa się superkomputer?

Zatem w dużym uproszczeniu można powiedzieć, że superkomputer składa się z wielu współgrających ze sobą komputerów, których zadaniem jest rozwiązanie jednego konkretnego problemu. Pojedynczy układ będący połączeniem procesora, karty graficznej oraz innych niezbędnych do działania takiego komputera komponentów nazywamy węzłem. Ich zbiór to tzw. klastry komputerowe. Wspomniany już superkomputer Fukagu składa się z ponad 152 tys. węzłów A64FX, chipsetów ARM z 48 rdzeniami stworzonych przez Fujitsu, czyli firmę odpowiadająca za opracowanie Fukagu. Warto dodać, że w wielu superkomputerach znaleźć można podzespoły AMD, Intela czy Nvidii, z tym że są to zazwyczaj układy tworzone z myślą o serwerowniach.

Wykorzystanie tak dużej liczby układów wymaga odpowiedniego chłodzenia oraz dostatecznie dużo przestrzeni, by pomieścić wszystkie te elementy. Z tego powodu superkomputer umieszcza się w dobrze wentylowanych halach, a poszczególne węzły znajdują się we wspomnianych już klastrach przypominających szafy, które grupuje się w rzędach. Jak się łatwo domyślić, generuje to sporo kosztów związanych z utrzymaniem takiego urządzenia. Przykładowo Tianhe-1A, chiński superkomputer z 2010 r. wymaga zasilania o mocy 4 MW, co w porównaniu z tradycyjnym komputerem (od 300 do 500 W) jest ogromną liczbą.

Moc obliczeniowa PC i superkomputerów to bardziej złożony temat

Wykorzystywanie układów wielordzeniowych powoduje również inny problem – superkomputery, podobnie jak zwykłe pecety i urządzenia pochodne z mikroprocesorami, starzeją się. Oczywiście dalej mówimy o ogromnej mocy obliczeniowej, ale ze względu na wspomniane już obliczenia równoległe porównywanie tego parametru schodzi na dalszy plan. Tego typu procesy polegają na wykonywaniu obliczeń, w których wiele instrukcji jest realizowanych w tym samym czasie. Pomaga to w realizacji tzw. obliczeń o wysokiej wydajności (HCP, czyli High Performance Computing), które są głównym obszarem zainteresowań osób wykorzystujących superkomputery.

Wraz z upowszechnieniem się układów wielordzeniowych tego typu rozwiązania zyskały na znaczeniu i pozwoliły na znaczne zwiększenie dostępnej mocy obliczeniowej, jednak przeszkodą w dalszym skalowaniu częstotliwości procesorów okazał się problem z odpowiednim zasilaniem, a co za tym idzie, chłodzeniem.

Summit, superkomputer IBM zaprezentowany w 2018 r. To aktualnie drugie najpotężniejsze tego typu urządzenie na świecie

Zwykły komputer jest pod tym względem ograniczony, przez co jego możliwości w kwestii wykonywania obliczeń równoległych również spadają. Inaczej wygląda to w przypadku superkomputerów, które ze względu na specyfikę budowy, są bardziej “równoległe”. Ma to jednak swoje minusy – wiele aplikacji stricte konsumenckich się nie skaluje, tj. nie będą wykorzystywać dostępnej mocy obliczeniowej całego superkomputera, tylko pojedynczego węzła. W takich sytuacjach superkomputer może okazać się gorszy od zwykłego peceta, jednak warto pamiętać, że dotyczy to tylko bardzo specyficznych przypadków.

Czy zwykłe komputer mają szansę dogonić swoje “super” wersje?

Jak już wspomnieliśmy, istnieje jednak sposób porównywania mocy obliczeniowej komputerów. Chodzi o FLOPS-y (floating point operations per second), czyli liczbę operacji zmiennoprzecinkowych, jakie jest w stanie wykonać dane urządzenia w czasie jednej sekundy. Przy okazji kampanii marketingowej konsol dziewiątej generacji mogliście usłyszeć o TFLOPS, czyli jednostce wyższej o 12 rzędów wielkości. Przykładowo układ graficzny Xboksa Series X dysponuje 12,5 TFLOPS, GPU Xboksa Series S to raptem 4 TFLOPS, a w PlayStation 5 karta graficzna ma moc obliczeniową na poziomie 10,28 TFLOPS.

Xbox Series X i PlayStation 5

Podobne wartości można określić dla smartfonów czy innych urządzeń wyposażonych w układ mikroprocesorowy i jak się łatwo domyślić stanowi to główny wyznacznik tego, jak starzeje się współczesna elektronika. UNIVAC LARC z 1960 r., który uznawany jest za jeden z pierwszych superkomputerów, dysponował 250 kFLOPS-ami, czyli jednostce większej o raptem trzy rzędy wielkości. Najlepsze współczesne superkomputery operują na PFLOPS, czyli jednostce większej aż o 15 rzędów wielkości od bazowej. Wspomniany już Fugaku dysponuje — według aktualnego rankingu TOP500 — mocą obliczeniową na poziomie 442 PFLOPS, a drugi na liście Summit stworzony przez IBM niemal trzykrotnie mniej, bo 148 PFLOPS.

Jak już wspominaliśmy, superkomputery starzeją się tak samo, jak zwykłe komputery, ale czy istnieje choć cień szansy, że elektronika użytkowa będzie w stanie osiągnąć tak wielką mocą obliczeniową? Faktem jest, że udało nam się już prześcignąć pierwsze superkomputery oraz te, które funkcjonowały przed 20-30 laty — amerykański ASCI White stworzony przez IBM miał 7,226 TFLOPS, czyli mniej niż układ graficzny PS5 czy Xboksa Series X. Niewykluczone więc, że w przyszłości mikroprocesory dojdą do poziomu współczesnych komputerów. Problem w tym, że rynek nie będzie stał w miejscu i następne superkomputery będą jeszcze sprawniejsze od Fugaku, czyli aktualnie najszybszego superkomputer na świecie.

Warto pamiętać również to, o czym pisaliśmy w poprzednim punkcie — ze względu na różnicę w budowie zwykłe komputery i superkomputery wykonują obliczenia na nieco innych zasadach, a co za tym idzie, stosuje się je do różnych zadań. Oba rodzaje urządzeń przekazują jednak dane za pomocą bitów, czyli najmniejszej jednostce informacji, która może przyjmować wartość 0 lub 1. To ważne, by pamiętać, że choć superkomputery dysponują ogromną mocą obliczeniową, dalej mówimy o przesyłaniu informacji czy wykonywaniu obliczeń za pomocą cyfr i liczb zapisywanych w systemie binarnym.

Zmiana mocy obliczeniowej komputerów od roku 1993 do 2019 (na osi pionowej podana jest moc obliczeniową w GFLOPS). Kolorem czerwonym zaznaczona jest moc najszybszego komputera (według rankingu TOP500), kolorem żółtym osiągi najsłabszego (tego znajdującego się na 500. miejscu). Kolor niebieski to z kolei zbiorcza moc obliczeniowa wszystkich superkomputerów z rankingu TOP500.
Tagi:

Podziel się postem :)

Najnowsze:

Bezpieczeństwo

Kolejna fala oszustw ,,na PGE”

SMS od PGE z informacją o zaplanowanym odłączeniu energii elektrycznej to popularna metoda cyberprzestępców. Oszuści, podszywając się pod Polską Grupę Energetyczną, chcą podstępem pozyskać nasze dane. Cel jest jeden.

Militaria

Alrosa – symbol rosyjskiej floty wraca na morze

Jedyny w swoim rodzaju rosyjski okręt podwodny o nazwie “Alrosa” powrócił na morze. Po modernizacji i zainstalowaniu nowego uzbrojenia ma być głównym elementem floty biorącej udział w agresji na Ukrainę. Rosjanie chwalą się, że jest w stanie zastąpić sześć okrętów. Dlaczego jest tak wyjątkowy?

Bezpieczeństwo

Blisko 66 000 złotych straciła 55- letnia mieszkanka Staszowa w wyniku oszustwa

Blisko 66 000 złotych straciła 55- letnia mieszkanka Staszowa w wyniku oszustwa. Kobieta była przekonana, że odebrała połączenie od pracownika banku, a kolejno od stołecznego policjanta. Otworzyła przesłany za pomocą komunikatora link, i to wystarczyło, aby w efekcie końcowym oszuści wypłacili z jej rachunku bankowego zgromadzone środki oraz zaciągnęli pożyczkę.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.