Jak dnes vypadá světový trh se superpočítači

Jen málokteré odvětví IT prodělalo za poslední roky tak výrazný vývoj, jako vysoce specializovaný obor superpočítačů. Není ostatně divu, superpočítače táhnou celé odvětví a nové objevené technologie postupně přepadávají níže a níže, až se s nimi nakonec můžeme setkat i obyčejných x86 a ARM serverů pro běžnou komerci. Proč se ale vůbec dnes v době prohlubující se recese, která mává s technologickým trhem, do tak nákladného podnikání jakým jsou superpočítače pouští?

Svoji roli zde hraje více faktorů, na úrovni států zejména prestiž, na úrovni firem se k prestiži přidává možnost kontrolovat významnou část technologického trhu. V neposlední řadě jsou zde marže, o kterých se v místech, kde se servery prodávají jako obyčejná komodita, nemůže snad ani snít.

Definice a trocha historie

Superpočítač CDC 6600 zvládal ve své době úctyhodné 3 miliony instrukcí za vteřinu

Superpočítač bychom mohli charakterizovat jako počítač s mimořádným výkonem, který svým výkonem převyšuje osobní počítač v dané době minimálně o několik řádů (zpravidla 1000 x a více), existuje také situace, kdy je výkonu dosahováno propojením více škálovatelných osobních počítačů do tzv. „clusterů“ pomocí počítačové sítě.
Proces vzniku superpočítače je trochu obtížné nějak jednoduše uchopit. Kdybychom to hodně zjednodušili, jedná se vlastně o kontinuální základní i aplikovaný výzkum a každý komerčně dodaný „nový“ superpočítač je vlastně originální výrobek nebo, chcete li, prototyp.

Jako „otec“ superpočítačů je uváděn Seymour Cray (zakladatel firmy Cray), který pro firmu CDC (Control Date Corporation) sestavil v roce 1964 počítač CDC 6600 s výkonem 500 KiloFlopů. Ten je rovněž uváděn, jako historicky první superpočítač i když z dnešnío pohledu může jeho výkon působit spíše směšně. CDC 6600 dosahoval výkonu 500 KFLOPS, což je z dnešního pohledu doslova nicotné, stačí porovnat se současnými osobními počítači (notebooky, PC, ale i obecně slabšími tablety), nebo dokonce mobilními telefony, jejichž výkon se dnes pohybuje v GigaFlops.

Cray 1 (1976)

Jak již jsme zmínili, výkon superpočítačů se uvádí v tzv. Flopech (FLOPS) – Floating-point Operations Per Second) neboli počet operací v plovoucí řadové čárce za sekundu. Jinými slovy; počet instrukcí za sekundu). Protože jejich výkon je enormní, používají se předpony dle soustavy SI:

• MEGA 106 (milión)
• GIGA 109 (miliarda)
• TERA 1012 (bilión)
• PETA 1015 (biliarda)
• EXA 1018 (trilión)
• ZETTA 1021 (triliarda)

Jakým doslova exponenciálním vývojem prošel vývoj superpočítačů, resp. jejich výkon, ilustrují následující milníky:

• výkonová hranice MegaFlops – překonaná v roce 1968 (1,7 MFLOPS – CDC 7600)
• výkonová hranice GigaFlops – překonána v roce 1985 (1,9 GFLOPS – CRAY 2)
• výkonová hranice TeraFlops – překonána v roce 2000 (1,3 TFLOPS – ASCI Red Intel)
• hranice PetaFlops – překonána v roce 2008 (1,024 PFLOPS – Blue Gene IBM)
• a konečně v roce 2012 padla výkonová hranice 17,59 PFLOPS – Cray Titan)

IBM Blue Gene/P superpočítač univerzity v Chicagu

Na grafických jádrech od nVidie vyrenderovaný Cray Titan, který je zatím stále ještě světová jednička mezi současnými SP.

Dle dlouhodobého trendu, který je podpořen i prohlášeními relevantních organizací států, které jsou v popředí vývoje na poli superpočítačů, ale i předních firem (např.Cray), se předpokládá, že hranice EXAFLOPS bude překonána před rokem 2020 a hranice ZETTAFLOPS okolo roku 2030.

Superpočítače v Česku

Pokud se týká postavení České republiky na poli superpočítačů, patříme sportovní terminologií do „druhé“ ligy. Doposud nejvýkonnější superpočítač s výkonem 6,38 TFLOPS slouží v Ústavu fyziky atmosféry AV ČR v Praze. Velkým kvalitativním, ale převážně kvantitativním skokem bylo založení Národního superpočítačového centra při Technické univerzitě Ostrava v roce 2009, které za peníze EU staví 2 superpočítače; Malý klastr a Velký klastr. Malý klastr bude uveden do provozu v květnu 2013 a bude mít výkon řádově ve stovkách TFLOPS. Pro ČR bude mít velký význam, až bude uveden do provozu tzv. Velký klastr s výkonem 2,507 PFLOPS. Tímto výkonem se tento superpočítač zařadí mezi 100 nejvýkonnějších na světě a ČR postoupí do „první“ ligy.

Praktické využití

Protože u superpočítačů nejde jen o snahu dosáhnout co největšího výkonu, ale jedná se o nákladný prostředek úzce spojený s vědou a výzkumem, takže i jeho využívání je vysoce specializované. V zásadě jde o tyto základní formy využití:

• Fyzika + Fyzika atmosféry (kvantová fyzika, předpověď počasí)
• Biologie + Chemie (výzkum genomů, modely organických sloučenin, molekulární dynamika)
• Praktické využití ( řešení dopravních situací, kosmonautika, modelace různých procesů)
• Vojenské využití ( kryptoanalýzy-šifry, simulace jaderných výbuchů a bojových akcí, špionážní úkoly)

Široké veřejnosti – dokonce sportovní, tudíž vysoce populární, je znám, šachový souboj mezi superpočítačem Deep Blue a tehdejším mistrem světa v šachu Kasparovem.

Umělá inteligence nesmí mít příliš vysoké energetické nároky

Je zapotřebí ještě připomenout, že realizace „superpočítače“ není jen záležitostí hardwaru a softwaru, ale jde o realizaci funkčního systému. Tudíž musí být postaveno centrum „továrna“, která má svůj „input“ tj. např. energetickou potřebu – u dnešních systémů jde o „malou“ elektrárnu s výkonem 5-7 MW, dále o chladící média (např. tekutý dusík, hélium nebo rozličné kapaliny apod.), komunikační napojení atd. „Output“, tudíž výstup a jeho kvalita by měla být na takové úrovni, aby splnila daný účel. V současné době vývoj, instalace a provoz superpočítače je investice v řádu 1 mld.USD. Superpočítače se dnes posuzují i podle toho, jakou mají „energetickou účinnost“, tj. kolik FLOPů se proběhne s příkonem 1Wattu. V současné době dosahují špičkové superpočítače cca 2.000 MFLOPS/W.

Poznámka: v článku se nezabýváme používanými hardwary, softwary, případně „architekturou“ tj. vnitřní konstrukcí.

Pořadí superpočítačů podle výkonu v FLOPS/sec.(PetaFlops) k 31.12.2012

Tabulka č.1

Tabulka č.1, která uvádí 10 nejvýkonnějších superpočítačů dle výkonu jasně potvrzuje fakt, že nejvýkonnější SP je v USA a že mezi 10 nejvýkonnějšími SP je plných 5 z USA. Ještě větší převaha USA je ve výrobě SP, kde je z 10 SP plných 8 z USA (Cray, IBM,Dell). Většina SP je instalována, tj. pracuje pro výzkumné instituce, resp. University.

Počet superpočítačů z 500 nejvýkonnějších dle výkonu v jednotlivých státech

Tabulka č.2

Tabulka č. 2 vychází z pořadí 500 nejvýkonnějších SP v uvedených letech. Je zapotřebí si uvědomit, že pořadí 500 je velmi proměnlivá veličina, protože nových SP rychle přibývá a jejich výkon roste. V roce 2012 měly USA stále 250 SP (50%), i když jejich poměrný počet stále klesal. V pořadí na 2. místě se usadila Čína, kde došlo k prudkému počtu instalací z pouhých 10 v roce 2007 na plných 72 v roce 2012.

Japonsko kleslo na 3. místo, i když poměrný počet instalaci SP celkově rostl. Za pozornost stojí přední země EU, jako Velká Británie, Francie a Německo, i když zde počet instalaci SP poměrně poklesl. Mezi 15 předních zeměmi se umístily i malé státy (dle počtu obyvatel), ale ekonomicky vyspělé, jako Švýcarsko a Švédsko. Ale i sousední Polsko. Naopak překvapuje, že zde chybí např. Brazílie, Mexiko, Indonésie, Jižní Afrika, Pákistán či Turecko nebo Irán.

Závěr

Zatím se stále dá říci, že počet instalovaných SP odpovídá „vyspělosti“ jednotlivých států, nebo chcete li (s ohledem na pokřivenou situaci v zemích, jako je Česká republika) na míře podpory a investic do lokální vědy, techniky a výzkumu. V budoucnu by to ale mohlo být ještě trochu jinak, lze předpokládat, že SP budou rychle přibývat v populačně silných státech s rychlým rozvojem ekonomik (Brazílie, Mexiko, Pákistán, ale i např. Nigérie). Dále poroste relativní podíl Číny, Indie. Vzhledem ke koncentraci primárních výrobců a vývojových laboratoří, budou i nadále světovou špičkou ve výzkumu a výrobě Spojené státy, o místo na slunci se ale budou přesto muset naučit začít dělit, na což v oboru superpočítačů dosud nebyli zvyklí.