Letzten Herbst habe ich eine Tour mit dem Blue Waters Supercomputer an der University of Illinois gemacht. Ich fragte, ob jemals jemand den gesamten Computer benutzt hätte. Mir wurde gesagt, dass es immer an mehreren Projekten arbeitete. Das ließ mich über die Nützlichkeit von Supercomputern nachdenken. Vielleicht ist Blue Waters insofern ungewöhnlich, als es von der Industrie und der Universität geteilt werden muss - ich weiß es nicht. Ich gehe davon aus, dass die Verwaltung der Prozessoren und des Speichers eines einzelnen Supercomputers einen gewissen Aufwand bedeutet. Wäre es kostengünstiger, kleinere Computer zu bauen? Kann mir jemand helfen, den Wert von Supercomputern zu verstehen? Oder sind sie manchmal einzelnen Projekten gewidmet?
Zweck von Supercomputern
Antworten:
Ein typischer Job bei Blue Waters beansprucht etwa 10% der Maschine und verbraucht insgesamt 75 Knotenstunden . Blue Waters hat ungefähr 27500 Knoten, was bedeutet, dass einige dieser "75-Knoten-Stunden" -Jobs in nur wenigen Minuten ausgeführt werden. Das ermöglicht es Wissenschaftlern, die Maschine einigermaßen interaktiv zu nutzen. (Die gleitenden Durchschnitte finden Sie hier: http://xdmod.ncsa.illinois.edu/#tg_usage:group_by_Jobs_none )
Supercomputer sind nur große Sammlungen kleinerer Computer. Der Hauptgrund, warum wir sie an einem Ort sammeln, ist, dass wir die Kosten auf diese Weise am effizientesten teilen können. Sie versuchen, einen Computer zu erstellen, der viel Arbeit leisten kann und bei dem die Gesamtbetriebskosten (Gesamtkosten des Computers, Stromverbrauch und Wartung) über die Lebensdauer des Computers minimiert werden.
Es gibt mehrere Faktoren, die mit den Gesamtbetriebskosten zusammenhängen: Die Kosten für die Ausrüstung betragen einen. Um die Betriebskosten so gering wie möglich zu halten, soll das Gerät in einem möglichst großen Teil der Zeit (im Idealfall 100% der Zeit, realistischerweise etwas weniger, wie 95%, als gut angesehen werden) nützliche Arbeiten ausführen, bis das Gerät durchgebrannt ist oder obsolet wird. Im Gegensatz dazu ist der Computer in Ihrem Laptop oder Telefon wahrscheinlich in weniger als 10% der Zeit, in der Sie ihn besitzen, tatsächlich in Gebrauch (Sie schlafen 33% der Zeit, Sie essen und entspannen sich ungefähr die Hälfte der Zeit, in der Sie wach sind, und Selbst wenn Sie den Computer "benutzen", ist der Prozessor die meiste Zeit im Leerlauf.)
Das zweite sind die Energiekosten. Es gibt mehrere Teile davon: Der erste sind die Kosten der Energie selbst. Ein Teil dieser Kosten entfällt auf den Transport des Stroms vom Kraftwerk zum Computer. Ein Teil davon geht in der "Stromversorgung" des Computers verloren (die nur Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt). Ein größerer AC-> DC-Wandler kann normalerweise effizienter gestaltet werden. Zusätzlich wandeln Computer nützliche elektrische Energie in Abwärme um. Sie müssen also auch bezahlen, um die Wärme abzuführen. Auch hier können größere Klimaanlagen normalerweise effizienter gemacht werden als mehrere kleine Klimaanlagen.
Das dritte sind die Wartungskosten. Indem Sie eine Reihe von Computern zusammenstellen und so gestalten, dass die Kosten für das Wartungspersonal über eine viel größere Anzahl von Computerknoten amortisiert werden, als wenn die Knoten alle unterschiedlich und in verschiedenen Gebäuden angeordnet wären (oder Städte).
Die Details: Blue Waters hat 288 Schränke. Jeder Schrank hat 96 "Knoten". Jeder Knoten ist ein ziemlich normaler High-End-Computer. Die meisten Knoten verfügen über 2 AMD Opeteron 6276-Prozessoren mit 2,3 GHz und 64 GByte DRAM. Etwa 1/6 der Knoten verfügen stattdessen über einen einzelnen AMD Opteron 6276, eine NVidia K20-GPU und 38 GByte DRAM. Wenn Sie möchten, können Sie etwas Ähnliches wie einen "Knoten" für etwa 3000 oder 4000 US- Dollar kaufen und in Ihr Wohnzimmer stellen, um Videospiele zu spielen. Blue Waters hat ungefähr 27648 Knoten. https://bluewaters.ncsa.illinois.edu/hardware-summary
Jeder Knoten verbraucht wahrscheinlich etwas mehr als 500 Watt und wandelt diese Energie in Wärme um. Wenn Sie einen Knoten in Ihrem Wohnzimmer hätten, um Videospiele zu spielen, wäre das keine besonders große Sache. Es würde etwas Strom aus der Steckdose verbrauchen und ungefähr so viel Wärme erzeugen wie eine kleine Raumheizung. Im Winter wäre das nett und gemütlich. Im Sommer müssten Sie Ihre Klimaanlage häufiger laufen lassen, um Ihr Haus komfortabel zu halten. Wenn Sie jeden Tag die volle Leistung erbringen würden, würde Ihre Stromrechnung erheblich ansteigen und möglicherweise Ihren aktuellen Verbrauch verdoppeln.
Wenn man jedoch 27648 davon zusammensetzt, verbraucht es etwa 15 Megawatt und erzeugt entsprechend viel Wärme. Das wahre Wunder der Ingenieurskunst von Blue Waters ist, wie in jedem großen Rechenzentrum, das Gebäude selbst. Es ist eine riesige Kühlbox. Das Blue Waters-Gebäude ist besonders interessant, weil es fantastisch effizient ist. Etwa 85% der Energie, die in das Gebäude fließt, wird tatsächlich für den Betrieb der Knoten verwendet. Ich glaube, ich lese irgendwo (kann es im Moment nicht finden), nur 15% gehen bei der Energieumwandlung und beim Entfernen von Abwärme verloren. Das ist viel besser als das, was Sie vom 500-Watt-Gaming-Computer in Ihrem Wohnzimmer erhalten würden. Sie benötigen wahrscheinlich ein 750 Watt "Netzteil" und ein paar hundert Watt, um die Klimaanlage zu betreiben.
TL; DR
Lassen Sie uns alles zusammenfügen. Durch die Zusammenstellung von Tausenden kleinerer Computer und die Aufteilung der Nutzung auf viele Personen sorgen wir dafür, dass diese Computer die meiste Zeit laufen und die Ressourcen auf sehr effiziente Weise gemeinsam genutzt werden. Es kostet viel Geld, Menschen Computer zur Verfügung zu stellen, die die meiste Zeit im Leerlauf sitzen. Der beste Weg, um bei der Berechnung Geld zu sparen, besteht darin, die Computer gemeinsam zu nutzen, damit sie die meiste Zeit ausgelastet sind.
Blue Waters ist viel mehr als nur die darin enthaltenen Computer. Es wurde speziell entwickelt, um so energieeffizient wie möglich zu sein. Ein Teil davon besteht darin, es in der Nähe von Kraftwerken zu platzieren, um Energieverluste in Stromübertragungsleitungen zu reduzieren. Hier ist ein Satellitenbild des Teils von Champaign IL mit Blue Waters zur Veranschaulichung:
Supercomputer sind in der modernen Forschung äußerst wichtig. Sie werden je nach Angebot / Nachfrage / Management-Dynamik und einem kontinuierlichen Upgrade / Austausch-Zyklus nicht immer mit voller Kapazität verwendet. Es gibt massive Supercomputer, die in der Verteidigungsindustrie für Waffensimulationen eingesetzt werden (passend zu einer der frühen Überlegungen / Impulse für die Erfindung des Computers im Zweiten Weltkrieg, Projektilbahnen berechnen). Diese Verwendung ist nicht sehr bekannt. Die modernen Waffensimulationen gelten für Atomwaffen und sind hoch eingestuft. Mit den Simulationen können neue Waffendesigns nur über Computersimulationen genau "getestet" werden. Die USA lehnen sogar den Export fortschrittlicher Computertechnologie in andere Länder ab, z. B. nach China.
es gibt viele andere Verwendungen. Mit ihnen kann die Dynamik des Produktdesigns simuliert werden. Zum Beispiel musste die Firma Tide herausfinden, wie verschiedene Zutaten in ihrer Waschseife optimal gemischt werden können, und Supercomputer halfen bei der Berechnung der optimalen Mischung.
Bei den meisten Supercomputern werden mehrere unterschiedliche Projekte ausgeführt. Sie werden als gemeinsam genutzte Ressourcen verwendet, und das Management verfügt über Strategien zur Auswahl von Projekten auf der Grundlage ihrer Gesamtlast, ihres Forschungswerts usw.
Der Grundwert von Supercomputern besteht darin, dass sehr umfangreiche Berechnungen auf "kleineren" Computern mit insgesamt geringerer CPU-Kapazität einfach nicht ausgeführt werden können. In den letzten zehn Jahren gab es jedoch eine große Verlagerung hin zum Bau von Supercomputern mit "Commercial-Off-the-Shelf" -Technologie (auch bekannt als COTS), die ihren Preis senkt und dennoch eine sehr hohe Leistung aufweist.
wikipedia erwähnt grundlegende Verwendungen von Supercomputern, dies ist eine unvollständige Liste.
- 1970er Jahre / Wettervorhersage, aerodynamische Forschung (Cray-1). [83]
- 1980er / Probabilistische Analyse, [84] Strahlenschutzmodellierung [85] (CDC Cyber).
- 1990er Jahre / Brute Force Code Breaking (EFF DES Cracker). [86]
- Simulationen von Atomtests der 2000er / 3D als Ersatz für das rechtliche Verhalten des Atomwaffensperrvertrags (ASCI Q). [87]
- 2010er Jahre / Molekulardynamiksimulation (Tianhe-1A) [88]