Мощный компьютер во главе сети как называется

Обновлено: 02.07.2024

Данная статья посвящена основам локальной сети, здесь будут рассмотрены следующие темы:

Понятие локальная сеть;
Устройство локальной сети;
Оборудование для локальной сети;
Топология сети;
Протоколы TCP/IP;
IP-адресация.

Понятие локальной сети

Интернет является еще одним примером сети, которая уже давно стала всемирной и всеобъемлющей, включающей в себя сотни тысяч различных сетей и сотни миллионов компьютеров. Независимо от того, как вы получаете доступ к Интернету, с помощью модема, локального или глобального соединения, каждый пользователь Интернета является фактически сетевым пользователем. Для работы в Интернете используются самые разнообразные программы, такие как обозреватели Интернета, клиенты FTP, программы для работы с электронной почтой и многие другие.

Компьютер, который подключен к сети, называется рабочей станцией (Workstation). Как правило, с этим компьютером работает человек. В сети присутствуют и такие компьютеры, на которых никто не работает. Они используются в качестве управляющих центров в сети и как накопители информации. Такие компьютеры называют серверами,
Если компьютеры расположены сравнительно недалеко друг от друга и соединены с помощью высокоскоростных сетевых адаптеров то такие сети называются локальными. При использовании локальной сети компьютеры, как правило, расположены в пределах одной комнаты, здания или в нескольких близко расположенных домах.
Для объединения компьютеров или целых локальных сетей, которые расположены на значительном расстоянии друг от друга, используются модемы, а также выделенные, или спутниковые каналы связи. Такие сети носят название глобальные. Обычно скорость передачи данных в таких сетях значительно ниже, чем в локальных.

Устройство локальной сети

Существуют два вида архитектуры сети: одноранговая (Peer-to-peer) и клиент/ сервер (Client/Server), На данный момент архитектура клиент/сервер практически вытеснила одноранговую.

Если используется одноранговая сеть, то все компьютеры, входящие в нее, имеют одинаковые права. Соответственно, любой компьютер может выступать в роли сервера, предоставляющего доступ к своим ресурсам, или клиента, использующего ресурсы других серверов.

В сети, построенной на архитектуре клиент/сервер, существует несколько основных компьютеров — серверов. Остальные компьютеры, которые входят в сеть, носят название клиентов, или рабочих станций.

Одноранговая архитектура получила распространение в небольших офисах или в домашних локальных сетях, В большинстве случаев, чтобы создать такую сеть, вам понадобится пара компьютеров, которые снабжены сетевыми картами, и кабель. В качестве кабеля используют витую пару четвертой или пятой категории. Витая пара получила такое название потому, что пары проводов внутри кабеля перекручены (это позволяет избежать помех и внешнего влияния). Все еще можно встретить достаточно старые сети, которые используют коаксиальный кабель. Такие сети морально устарели, а скорость передачи информации в них не превышает 10 Мбит/с.

После того как сеть будет создана, а компьютеры соединены между собой, нужно настроить все необходимые параметры программно. Прежде всего убедитесь, что на соединяемых компьютерах были установлены операционные системы с поддержкой работы в сети (Linux, FreeBSD, Windows)

Все компьютеры в одноранговой сети объединяются в рабочие группы, которые имеют свои имена (идентификаторы).
В случае использования архитектуры сети клиент/сервер управление доступом осуществляется на уровне пользователей. У администратора появляется возможность разрешить доступ к ресурсу только некоторым пользователям. Предположим, что вы делаете свой принтер доступным для пользователей сети. Если вы не хотите, чтобы кто угодно печатал на вашем принтере, то следует установить пароль для работы с этим ресурсом. При одноранговой сети любой пользователь, который узнает ваш пароль, сможет получить доступ к вашему принтеру. В сети клиент/ сервер вы можете ограничить использование принтера для некоторых пользователей вне зависимости от того, знают они пароль или нет.

Оборудование для локальной сети

В самом простом случае для работы сети достаточно сетевых карт и кабеля. Если же вам необходимо создать достаточно сложную сеть, то понадобится специальное сетевое оборудование.

Кабель

Компьютеры внутри локальной сети соединяются с помощью кабелей, которые передают сигналы. Кабель, соединяющий два компонента сети (например, два компьютера), называется сегментом. Кабели классифицируются в зависимости от возможных значений скорости передачи информации и частоты возникновения сбоев и ошибок. Наиболее часто используются кабели трех основных категорий:

Витая пара;
Коаксиальный кабель;
Оптоволоконный кабель,

Для построения локальных сетей сейчас наиболее широко используется витая пара. Внутри такой кабель состоит из двух или четырех пар медного провода, перекрученных между собой. Витая пара также имеет свои разновидности: UTP (Unshielded Twisted Pair — неэкранированная витая пара) и STP (Shielded Twisted Pair — экранированная витая пара). Эти разновидности кабеля способны передавать сигналы на расстояние порядка 100 м. Как правило, в локальных сетях используется именно UTP. STP имеет плетеную оболочку из медной нити, которая имеет более высокий уровень защиты и качества, чем оболочка кабеля UTP.

В кабеле STP каждая пара проводов дополнительно экранировала (она обернута слоем фольги), что защищает данные, которые передаются, от внешних помех. Такое решение позволяет поддерживать высокие скорости передачи на более значительные расстояния, чем в случае использования кабеля UTP, Витая пара подключается к компьютеру с помощью разъема RJ-45 (Registered Jack 45), который очень напоминает телефонный разъем RJ-11 (Regi-steredjack). Витая пара способна обеспечивать работу сети на скоростях 10,100 и 1000 Мбит/с.

Коаксиальный кабель состоит из медного провода, покрытого изоляцией, экранирующей металлической оплеткой и внешней оболочкой. По центральному проводу кабеля передаются сигналы, в которые предварительно были преобразованы данные. Такой провод может быть как цельным, так и многожильным. Для организации локальной сети применяются два типа коаксиального кабеля: ThinNet (тонкий, 10Base2) и ThickNet (толстый, 10Base5). В данный момент локальные сети на основе коаксиального кабеля практически не встречаются.

В основе оптоволоконного кабеля находятся оптические волокна (световоды), данные по которым передаются в виде импульсов света. Электрические сигналы по оптоволоконному кабелю не передаются, поэтому сигнал нельзя перехватить, что практически исключает несанкционированный доступ к данным. Оптоволоконный кабель используют для транспортировки больших объемов информации на максимально доступных скоростях.

Главным недостатком такого кабеля является его хрупкость: его легко повредить, а монтировать и соединять можно только с помощью специального оборудования.

Сетевые карты

Сетевые карты делают возможным соединение компьютера и сетевого кабеля. Сетевая карта преобразует информацию, которая предназначена для отправки, в специальные пакеты. Пакет — логическая совокупность данных, в которую входят заголовок с адресными сведениями и непосредственно информация. В заголовке присутствуют поля адреса, где находится информация о месте отправления и пункте назначения данных, Сетевая плата анализирует адрес назначения полученного пакета и определяет, действительно ли пакет направлялся данному компьютеру. Если вывод будет положительным, то плата передаст пакет операционной системе. В противном случае пакет обрабатываться не будет. Специальное программное обеспечение позволяет обрабатывает все пакеты, которые проходят внутри сети. Такую возможность используют системные администраторы, когда анализируют работу сети, и злоумышленники для кражи данных, проходящих по ней.

Любая сетевая карта имеет индивидуальный адрес, встроенный в ее микросхемы. Этот адрес называется физическим, или MAC-адресом (Media Access Control — управление доступом к среде передачи).

Порядок действий, совершаемых сетевой картой, такой.

Получение информации от операционной системы и преобразование ее в электрические сигналы для дальнейшей отправки по кабелю;
Получение электрических сигналов по кабелю и преобразование их обратно в данные, с которыми способна работать операционная система;
Определение, предназначен ли принятый пакет данных именно для этого компьютера;
Управление потоком информации, которая проходит между компьютером и сетью.

Концентраторы

Сеть вместе с концентратором представляет собой «общую шину». Пакеты данных при передаче через концентратор будут доставлены на все компьютеры, подключенные к локальной сети.

Существует два вида концентраторов.

Пассивные концентраторы. Такие устройства отправляют полученный сигнал без его предварительной обработки.
Активные концентраторы (многопостовые повторители). Принимают входящие сигналы, обрабатывают их и передают в подключенные компьютеры.

Коммутаторы

Коммутаторы необходимы для организации более тесного сетевого соединения между компьютером-отправителем и конечным компьютером. В процессе передачи данных через коммутатор в его память записывается информация о MAC-адресах компьютеров. С помощью этой информации коммутатор составляет таблицу маршрутизации, в которой для каждого из компьютеров указана его принадлежность определенному сегменту сети.

При получении коммутатором пакетов данных он создает специальное внутреннее соединение (сегмент) между двумя своими Портами, используя таблицу маршрутизации. Затем отправляет пакет данных в соответствующий порт конечного компьютера, опираясь на информацию, описанную в заголовке пакета.

Таким образом, данное соединение оказывается изолированным от других портов, что позволяет компьютерам обмениваться информацией с максимальной скоростью, которая доступна для данной сети. Если у коммутатора присутствуют только два порта, он называется мостом.

Коммутатор предоставляет следующие возможности:

Послать пакет с данными с одного компьютера на конечный компьютер;
Увеличить скорость передачи данных.

Маршрутизаторы

Маршрутизатор по принципу работы напоминает коммутатор, однако имеет больший набор функциональных возможностей, Он изучает не только MAC, но и IP-адреса обоих компьютеров, участвующих в передаче данных. Транспортируя информацию между различными сегментами сети, маршрутизаторы анализируют заголовок пакета и стараются вычислить оптимальный путь перемещения данного пакета. Маршрутизатор способен определить путь к произвольному сегменту сети, используя информацию из таблицы маршрутов, что позволяет создавать общее подключение к Интернету или глобальной сети.
Маршрутизаторы позволяют произвести доставку пакета наиболее быстрым путем, что позволяет повысить пропускную способность больших сетей. Если какой-то сегмент сети перегружен, поток данных пойдет по другому пути,

Топология сети

Порядок расположения и подключения компьютеров и прочих элементов в сети называют сетевой топологией. Топологию можно сравнить с картой сети, на которой отображены рабочие станции, серверы и прочее сетевое оборудование. Выбранная топология влияет на общие возможности сети, протоколы и сетевое оборудование, которые будут применяться, а также на возможность дальнейшего расширения сети.

Выделяют пять видов топологии сети:

Общая шина

В этом случае все компьютеры подключаются к одному кабелю, который называется шиной данных. При этом пакет будет приниматься всеми компьютерами, которые подключены к данному сегменту сети.

Быстродействие сети во многом определяется числом подключенных к общей шине компьютеров. Чем больше таких компьютеров, тем медленнее работает сеть. Кроме того, подобная топология может стать причиной разнообразных коллизий, которые возникают, когда несколько компьютеров одновременно пытаются передать информацию в сеть. Вероятность появления коллизии возрастает с увеличением количества подключенных к шине компьютеров.

Преимущества использования сетей с топологией «общая шина» следующие:

Значительная экономия кабеля;
Простота создания и управления.

вероятность появления коллизий при увеличении числа компьютеров в сети;
обрыв кабеля приведет к отключению множества компьютеров;
низкий уровень защиты передаваемой информации. Любой компьютер может получить данные, которые передаются по сети.

Звезда

При использовании звездообразной топологии каждый кабельный сегмент, идущий от любого компьютера сети, будет подключаться к центральному коммутатору или концентратору, Все пакеты будут транспортироваться от одного компьютера к другому через это устройство. Допускается использование как активных, так и пассивных концентраторов, В случае разрыва соединения между компьютером и концентратором остальная сеть продолжает работать. Если же концентратор выйдет из строя, то сеть работать перестанет. С помощью звездообразной структуры можно подключать друг к другу даже локальные сети.

Использование данной топологии удобно при поиске поврежденных элементов: кабеля, сетевых адаптеров или разъемов, «Звезда» намного удобнее «общей шины» и в случае добавления новых устройств. Следует учесть и то, что сети со скоростью передачи 100 и 1000 Мбит/с построены по топологии «звезда».

Если в самом центре «звезды» расположить концентратор, то логическая топология изменится на «общую шину».
Преимущества «звезды»:

простота создания и управления;
высокий уровень надежности сети;
высокая защищенность информации, которая передается внутри сети (если в центре звезды расположен коммутатор).

Основной недостаток — поломка концентратора приводит к прекращению работы всей сети.

Кольцевая топология

В случае использования кольцевой топологии все компьютеры сети подключаются к единому кольцевому кабелю. Пакеты проходят по кольцу в одном направлении через все сетевые платы подключенных к сети компьютеров. Каждый компьютер будет усиливать сигнал и отправлять его дальше по кольцу.

В представленной топологии передача пакетов по кольцу организована маркерным методом. Маркер представляет собой определенную последовательность двоичных разрядов, содержащих управляющие данные. Если сетевое устройство имеет маркер, то у него появляется право на отправку информации в сеть. Внутри кольца может передаваться всего один маркер.

Компьютер, который собирается транспортировать данные, забирает маркер из сети и отправляет запрошенную информацию по кольцу. Каждый следующий компьютер будет передавать данные дальше, пока этот пакет не дойдет до адресата. После получения адресат вернет подтверждение о получении компьютеру-отправителю, а последний создаст новый маркер и вернет его в сеть.

Преимущества данной топологии следующие:

эффективнее, чем в случае с общей шиной, обслуживаются большие объемы данных;
каждый компьютер является повторителем: он усиливает сигнал перед отправкой следующей машине, что позволяет значительно увеличить размер сети;
возможность задать различные приоритеты доступа к сети; при этом компьютер, имеющий больший приоритет, сможет дольше задерживать маркер и передавать больше информации.

обрыв сетевого кабеля приводит к неработоспособности всей сети;
произвольный компьютер может получить данные, которые передаются по сети.

Протоколы TCP/IP

Основными среди них являются:

Все основные сетевые протоколы (NetBEUI, IPX/SPX и ТСРIР) являются маршрутизируемыми протоколами. Но вручную приходится настраивать лишь маршрутизацию ТСРIР. Остальные протоколы маршрутизируются операционной системой автоматически.

IP-адресация

DHCP-сервер позволяет гибко раздавать IP-адреса компьютерам и закрепить за некоторыми компьютерами постоянные, статические IP-адреса. Встроенное средство Windows не имеет таких возможностей. Поэтому если в сети имеется DHCP-сервер, то средствами Windows лучше не пользоваться, установив в настройках сети операционной системы автоматическое (динамическое) назначение IP-адреса. Установка и настройка DHCP-сервера выходит за рамки этой книги.

Следует, однако, отметить, что при использовании для назначения IP-адреса DHCP-сервера или средств Windows загрузка компьютеров сети и операции назначения IP-адресов требует длительного времени, тем большего, чем больше сеть. Кроме того, компьютер с DHCP-сервером должен включаться первым.
Если же вручную назначить компьютерам сети статические (постоянные, не изменяющиеся) IP-адреса, то компьютеры будут загружаться быстрее и сразу же появляться в сетевом окружении. Для небольших сетей этот вариант является наиболее предпочтительным, и именно его мы будем рассматривать в данной главе.

Для связки протоколов TCP/IP базовым является протокол IP, так как именно он занимается перемещением пакетов данных между компьютерами через сети, использующие различные сетевые технологии. Именно благодаря универсальным характеристикам протокола IP стало возможным само существование Интернета, состоящего из огромного количества разнородных сетей.

Пакеты данных протокола IP

Протокол IP является службой доставки для всего семейства протоколов ТСР-iР. Информация, поступающая от остальных протоколов, упаковывается в пакеты данных протокола IP, к ним добавляется соответствующий заголовок, и пакеты начинают свое путешествие по сети

Система IP-адресации

Одними из важнейших полей заголовка пакета данных IP являются адреса отправителя и получателя пакета. Каждый IP-адрес должен быть уникальным в том межсетевом объединении, где он используется, чтобы пакет попал по назначению. Даже во всей глобальной сети Интернет невозможно встретить два одинаковых адреса.

Бит представляет собой минимально возможную единицу хранения информации. В нем может содержаться только 0 (бит сброшен) или 1 (бит установлен).

Несмотря на то, что IP-адрес всегда имеет одинаковую длину, записывать его можно по-разному. Формат записи IP-адреса зависит от используемой системы счисления. При этом один и тот же адрес может выглядеть совершенно по-разному:

Еще не так давно сервера производили в традиционных системных блоках, но это не совсем удобно с точки зрения компактности. Кроме этого, многие предприятия нуждаются в нескольких серверах и использование их в таких корпусах не совсем практично.
На смену тяжелым и объемным коробам пришли конструкции, которые устанавливаются в специально изготовленную стойку. В этих стойках есть все необходимое для обеспечения их бесперебойной и безотказной работы. По большей части, они обеспечены системами вентиляции, защиты электропитания и пр.
Сервера работают под различными операционными системами, например, Linux, Windows. Надо отметить, что разработчики и производители системного программного обеспечения выпускают специальные ОС, которые предназначены для управления серверами. К примеру, Microsoft выпускает отдельную линейку ПО под названием Windows Server.

Назначение серверов

Главное, для чего предназначены сервера – это обеспечение работы локальной вычислительной сети, в состав которой входят рабочие станции, периферийное оборудование. На производственных предприятиях, в состав ЛВС может входить и производственное оборудование, работающее под управлением ЧПУ.
Другая не менее важная задача, которую призваны решать сервера – это обеспечение работы интернет-провайдера. Через сервер пользователи сети, получают выход в интернет-пространство.
Мощный компьютерный сервер может быть использован для хранения и обработки данных. Например, на них хранят данные о работе компании, техническую документацию и многое другое. В том числе и почту. Кстати, именно серверные системы обеспечивают работу облачных сервисов, файлообменников и пр.
Компании, предоставляющие места под сайты также применяют серверы, на которых они размещаются. Такая услуга называется хостинг.
Неоценимое преимущество серверов заключается в том, что пользователь может иметь доступ к данным с любое время и из любой точки.

Что надо для установки сервера?

Для установки сервера нет необходимости в приложении особых усилий. Для этого надо купить сервер, установить на него серверную операционную систему и обеспечить выход с интернет с постоянного IP-адреса. Еще, надо помнить о том, что сервера работают круглосуточно и поэтому необходимо предпринять меры по обеспечению бесперебойного питания.

Какой компьютер является мощнейшим на сегодняшний день?

В конце июня 2020 года был опубликован ежегодный рейтинг из 500 самых мощных суперкомпьютеров в мире. Первую строчку в нем занял японский Fugaku. Он в 2,8 раз мощнее, чем прошлогодний лидер — Summit от IBM (он теперь на втором месте). Впервые рейтинг возглавил компьютер на базе процессоров ARM.

Fugaku разработала компания Fujitsu — та самая, что выпускала популярную фото- и видеотехнику Fuji. Разработки велись на базе Института Кобе в составе Института физико-химических исследований (RIKEN). Концепцию придумали еще в 2010 году, а на создание и сборку ушло более шести лет.

Пишут, что Fugaku сможет помочь в борьбе с коронавирусом. Но на самом деле суперкомпьютеры способны решать самые амбициозные задачи, которые приходят нам в голову.

Чем суперкомпьютер отличается от обычного?

Суперкомпьютеры называют «числодробилками» или «числогрызами»: они нужны для супербыстрых вычислений. Главное отличие в том, что обычный компьютер выполняет задачи последовательно, хотя и на высокой скорости — вплоть до доли секунды, поэтому мы этого не замечаем. Суперкомпьютер делает это одновременно и обрабатывает огромный массив данных.

Для этого им нужны тысячи супермощных процессоров. В результате вычисления, на которые у мощного игрового компьютера уйдет неделя, суперкомпьютер выполняет за день. Однако важно, чтобы программы работали корректно, с учетом технических особенностей машины. Иначе то, что корректно работает на 100 процессорах, сильно замедлится на 200.

Современные смартфоны работают так же быстро, как самый мощный суперкомпьютер 1994 года.

Суперкомпьютеры работают на специальном ПО. Например, у Fugaku операционная система Red Hat Enterprise Linux 8 c гибридным ядром, состоящим из одновременно работающих ядер Linux и McKernel. В качестве программных средств используют API — то есть интерфейсы или платформы для программирования — и открытое ПО, которое позволяет создавать виртуальные суперкомпьютеры на базе обычных. Часто суперкомпьютер — это несколько высокомощных компьютеров, которые объединены высокоскоростной локальной сетью.

Обычно производительность компьютеров оценивается во флопсах (FLOPS — FLoating-point Operations Per Second) — то есть количестве операций над числами с плавающей точкой в секунду. Для суперкомпьютеров сначала использовали мегафлопсы — MIPS, количество миллионов операций в секунду, а с 2008 года петафлопсы — то есть количество миллионов миллиардов вычислений в секунду. К примеру, у суперкомпьютера Fugaku производительность составляет 415 петафлопс, а у Summit — 148.

Кто придумал суперкомпьютер?

Сам термин появился в конце 1960-х годов в Ливерморской национальной лаборатории США и компании-производителе компьютеров CDC. Но впервые о «супервычислениях» заговорили еще в 1920-х годах, когда IBM собрала для Колумбийского университета свой табулятор — первую ЭВМ, работавшую на перфокартах.

Первой супер-ЭВМ считают Cray-1, созданную в 1974 году. Ее разработал Сеймур Крей — американский инженер в области вычислительной техники и основатель компании Cray Research. Cray-1 выполняла до 180 млн операций в секунду.

За основу Крэй уже имеющиеся разработки — компьютеры CDC 8600 и CDC STAR-100. Он построил процессор, который быстро выполнял и скалярные и векторные вычисления: предшественники хорошо справлялись либо с первыми, либо со вторыми.

Скалярные вычисления — те, где используется одна характеристика, величина и знак. В векторных используют вектора, то есть величину и направление (угол).

Для этого инженер использовал небольшие модули памяти, расположенные близко к процессору, чтобы увеличить скорость. Так был создан новый принцип работы с памятью — «регистр-регистр». Центральный процессор берет и записывает данные в регистры, а не в память, как у предыдущих моделей — это тоже увеличило скорость обработки. Сам процессор состоял из 144 тыс. микросхем, которые охлаждались фреоном.

Cray-1 впервые презентовали в 1975-м, и за нее тут же начали биться ведущие лаборатории США, занимающиеся сложными вычислениями. В 1977-м компьютер достался Национальному центру атмосферных исследований, где проработал 12 лет. Cray-1 можно было арендовать для работы за $7 500 в час или $210 тыс. в месяц.

В 1980-х годах Крэй выпустил еще две модели суперкомпьютеров нового поколения, включая многопроцессорный Cray X-MP. Начиная с 1990-х лидерство перехватили NEC, Hewlett-Packard и IBM, причем компьютеры последней регулярно занимают верхние строчки того самого ТОП-500.

Где и для чего используют суперкомпьютеры?

Главная задача суперкомпьютеров — выполнять максимум вычислений за минимум времени. Это полезно для многих областей: начиная от создания лекарств и заканчивая разработками новых продуктов и технологий,

Суперкомпьютер Fugaku изучает пути распространения вируса и его диагностику. Для этого он обрабатывает данные статистики, коэффициент заражения вируса, его состав и модель поведения. А еще ему поручат прогнозирование и симуляцию природных катастроф, разработку и совершенствование «зеленых» технологий.

Есть суперкомпьютеры, которые работают с одним-единственным приложением, которое задействует всю память. Например, для прогнозирования изменений погоды и климата или моделей ядерных испытаний. В будущем это позволит отказаться от реальных испытаний опасного оружия и исключить риски взрывов или утечек при долгом хранении.

Великобритания выделит $1,6 млрд на создание мощнейшего в мире суперкомпьютера для прогнозирования погоды и климатических изменений.

Министерство энергетики США и Аргоннская национальная лаборатория, совместно с Intel и Cray, обещают в 2021 году представить суперкомпьютер Aurora для исследований в области ядерного оружия. Он будет выполнять 1 квинтиллион операций в секунду и обойдется в $500 млн.

Но суперкомпьютеры не просто вычисляют, а моделируют реальность. То есть просчитывают все возможные варианты развития событий и строят прогнозы. Поэтому с их помощью астрономы и астрофизики воспроизводят самые разные события и процессы во Вселенной.

В марте этого года астрономы из Технологического университета Суинберна (Австралия) и Калифорнийского технологического университета (США) смоделировали на суперкомпьютере эволюцию Млечного Пути. Для этого они использовали все данные о звездных скоплениях в нашей галактике.

Нанокомпьютер, квантовый компьютер и суперкомпьютер: в чем разница?

Все это — вычислительные устройства с выдающимися характеристиками.

Нанокомпьютер — это компьютер микроскопических размеров. Он запрограммирован на определенные химические свойства и поведение. Он может быть очень мощным и высокопроизводительным, но пока что не таким, как суперкомпьютер. В будущем они смогут заменить обычные устройства, так как потребляют намного меньше энергии.

Группа инженеров и ученых из Гарвардского университета и компании Mitre создала простейший нанокомпьютер, который состоит из множества крошечных проводников диаметром 15 нанометров (нанометр = 1 миллиардная метра). Их ядро из германия, а внешняя оболочка — из кремния.

Свой нанокомпьютер есть и у IBM, но уже покрупнее: 1х1 мм. Это полноценный ПК с процессором, памятью и блоком питания. По производительности его можно сравнить с x86-совместимыми процессорами из 1990-х годов. Его можно будет применять для работы с ИИ, сортировки данных, логистики, обнаружения краж.

Квантовый компьютер — это устройство, которое работает по принципам квантовой механики. Он обрабатывает данные не в битах, а в кубитах, которые одновременно равны 0 и 1. В теории, такой компьютер может обрабатывать все возможные состояния одновременно.

Пока что квантовые компьютеры существуют в виде концепций и моделей. Одна из таких принадлежит «Росатому»: проект рассчитан на срок до 2024 года и предполагает финансирование ₽24 млрд.

Какое будущее ждет суперкомпьютеры?

Очевидно, что производительность суперкомпьютеров будет разгоняться до космических цифр, их размеры — уменьшаться, а потребление энергии — сокращаться. Но самое интересное кроется в задачах, которые они смогут решать.

Эксперты считают, что через 15 лет симуляции отойдут на второй план, а машинное обучение позволит суперкомпьютерам выполнять глубокую аналитику данных. В итоге их будут применять везде: от разработки бесконечных аккумуляторов до лекарства от рака.

Модели с огромной производительностью, укомплектованные тысячами процессоров и десятками гигабайт ОЗУ, называются суперкомпьютерами. Самые мощные можно найти в списке TOP500, где первые 5 мест занимают американские модели Summit и Sierra, китайские ЭВМ Sunway TaihuLight и Тяньхэ-2, а также швейцарский Piz Daint.

Что такое суперкомпьютер

СуперЭВМ – название, которое получают специализированные вычислительные машины, превосходящие по характеристикам и скорости вычисления большинство обычных компьютеров.

Суперкомпьютер состоит из большого количества многоядерных систем, объединенных в общую систему для получения высокой производительности. Еще одно отличие от обычных ПК – большие размеры. Техника располагается в нескольких помещениях, занимая целые этажи и здания.

Первым настоящим суперкомпьютером считается собранный в 1974 году в США ПК Cray-1. Благодаря поддержке векторных операций модель выполняла до 180 млн вычислений с плавающей точкой в секунду (флопс). Большая часть суперЭВМ по-прежнему собирается и используется в Соединенных Штатах, следующими по количеству такой техники идут Китай и Япония.

Назначение суперкомпьютеров

Суперкомпьютеры решают разнообразные задачи – от сложных математических расчетов и обработки огромных массивов данных до моделирования искусственного интеллекта. Есть модели, воспроизводящие «архитектуру» человеческого мозга. На СуперЭВМ проектируют промышленное оборудование и электронику, синтезируют новые материалы и делают научные открытия.

Автомобилестроительные компании используют суперкомпьютеры для имитации результатов краш-тестов, экономя средства на настоящих испытаниях. Подходит такая мощная техника и для разработки новых двигателей, позволяя моделировать специальный температурный режим и процессы деформации. С ее же помощью можно прогнозировать метеорологические явления и даже землетрясения.

1. Summit

Суперкомпьютер Summit, созданный американской компанией IBM для Национальной лаборатории в Окридже. Технику ввели в эксплуатацию летом 2018 года, заменив модель Titan, которая считалась самой производительной американской СуперЭВМ. Разработка лучшего современного суперкомпьютера обошлась американскому правительству в 200 млн долларов.

Устройство потребляет около 15 МВт электроэнергии – столько, сколько вырабатывает небольшая ГЭС. Для охлаждения вычислительной системы используется 15,1 кубометра циркулирующей по трубкам воды. Сервера IBM расположены на площади около 930 кв.м – территория, которую занимают 2 баскетбольные площадки. Для работы суперкомпьютера используется 220 км электрокабелей.

Производительность компьютера обеспечивается 9216 процессорами модели IBM POWER9 и 27648 графическими чипами Tesla V100 от Nvidia. Система получила целых 512 Гбайт оперативной и 250 Пбайт постоянной памяти (интерфейс 2,5 Тбайт/с). Максимальная скорость вычислений – 200 Пфлопс, а номинальная производительность – 143,5 Пфлопс.

По словам американских ученых, запуск в работу модели Summit позволил повысить вычислительные мощности в сфере энергетики, экономическую конкурентоспособность и национальную безопасность страны. Среди задач, которые будут решаться с помощью суперкомпьютера, отмечают поиск связи между раковыми заболеваниями и генами живого организма, исследование причин появления зависимости от наркотиков и климатическое моделирование для составления точных прогнозов погоды.

2. Sierra

Второй американский суперкомпьютер Sierra (ATS-2) тоже выпущен в 2018 году и обошелся Соединенным Штатам примерно в 125 миллионов долларов. По производительности он считается вторым, хотя по среднему и максимальному уровню скорости вычислений сравним с китайской моделью Sunway TaihuLight.

Расположена СуперЭВМ на территории Национальной лаборатории имени Э. Лоуренса в Ливерморе. Общая площадь, которую занимает оборудование, составляет около 600 кв.м. Энергопотребление вычислительной системы – 12 МВт. И уже по соотношению производительность к расходу электричества компьютер заметно обогнал конкурента из КНР.

В системе используется 2 вида процессоров – серверные ЦПУ IBM Power 9 и графические Nvidia Volta. Благодаря этим чипам удалось повысить и энергоэффективность, и производительность. 4320 узлов со 190 тысячами ядер обеспечивают вычисления на скорости 94,64 петафлопс. Максимальная производительность – 125,712 Пфлопс или 125 квадриллионов операций с плавающей точкой в секунду.

Новую систему предполагается использовать в научных целях. В первую очередь – для расчетов в области создания ядерного оружия, заменяя вычислениями подземные испытания. Инженерные расчеты с помощью Sierra позволят разобраться и с ключевыми вопросами в области физики, знание которых позволит совершить ряд научных открытий.

3. Sunway TaihuLight

Китайская СуперЭВМ удерживала лидирующую позицию в рейтинге TOP500 с 2016 до 2018 года. В соответствии с тестами LINPACK ее считали самым производительным суперкомпьютером, минимум в полтора раза превосходящим ближайшего конкурента и втрое опережающим самую производительную американскую модель Titan. Разработка и строительство вычислительной системы обошлось в 1,8 млрд. юаней или 270 млн долларов. Инвесторами проекта были правительство Китая, администрация китайской провинции Цзянсу и города Уси.

Суперкомпьютер потребляет 15,3 МВт электроэнергии и занимает площадь 605 кв.м. Расположен он на территории города Уси, в национальном суперкомпьютерном центре. Название модели дали в честь расположенного рядом озера Тайху, третьего по величине пресноводного водоема Китая.

Наличие в конструкции ЭВМ 41 тысячи процессоров SW26010 и 10,6 миллиона ядер позволяет ей проводить расчеты со скоростью 93 Пфлопс. Максимальная производительность – 125 Пфлопс. Переход на чипы китайского производства потребовал от разработчиков создания полностью новой системы. До этого предполагалось в 2 раза повысить производительность другой китайской СуперЭВМ Тяньхэ-2, но эти намерения пришлось изменить из-за проблем с поставками процессоров Intel из США.

Модель Sunway TaihuLight применяется для выполнения сложных вычислений в области медицины, горнодобывающей промышленности и производстве. С помощью вычислительной машины прогнозируют погоду, исследуют новые лекарства и анализируют «большие данные» – массивы информации, обработать которые не получится даже у самого мощного серийного компьютера.

4. Тяньхэ-2

Суперкомпьютер Tianhe-2 («Млечный путь»), а, точнее, уже дополненная и модернизированная версия 2А, была разработана сотрудниками компании Inspur и научно-технического университета Народно-освободительной армии Китая. В июле 2013 года модель считалась самой производительной в мире и уступила пальму первенства только другому китайскому компьютеру TaihuLight. На сборку ЭВМ потратили около 200 млн долларов.

Сначала вычислительная система находилась на территории университета, а затем была перемещена в суперкомпьютерный центр в Гуанчжоу. Общая площадь, которую она занимает – около 720 кв. м. Энергопотребление модели составляет 17,8 МВт, что делает ее использование менее выгодным по сравнению с более современными версиями.

Техника построена на базе 80 тысяч ЦПУ Intel Xeon и Xeon Phi. Объем оперативной памяти – 1400 Гбайт, количество вычислительных ядер – больше 3 миллионов. На суперкомпьютере установлена операционная система Kylin Linux. Первые показатели работы системы – 33,8 Пфлопс, современная модификация достигает скорости вычислений 61,4 Пфлопс, максимальная – 100,679 Пфлопс.

СуперЭВМ создали по требованию китайского правительства, его основными задачами являются расчеты для проектов национального масштаба. С помощью системы решаются вопросы безопасности Китая, выполняется моделирование и анализ большого количества научной информации.

5. Piz Daint

Суперкомпьютер Piz Daint достаточно долго (с 2013 до 2018 года) занимал третье место в рейтинге самых мощных вычислительных систем в мире. В то же время он остается самым производительным компьютером Европы. Стоимость проекта составила около 40 млн швейцарских франков.

Модель получила название в честь одноименной территории в Швейцарских Альпах и находится в национальном суперкомпьютерном центре. Оборудование, из которого состоит СуперЭВМ, располагается в 28 стойках. Для работы техники требуется 2,3 МВт электричества, и по этому показателю Piz Daint обеспечивает лучшую удельную производительность – 9,2 Пфлопс/МВт.

В составе ЭВМ есть другой суперкомпьютер Piz Dora, сначала работавший отдельно. После объединения мощностей швейцарские разработчики получили вычислительную систему с 362 тысячами ядер (процессоры Xeon E5-2690v3) номинальной производительностью 21,23 Пфлопс. Максимальная скорость работы – 27 Пфлопс.

Основные задачи суперкомпьютера – расчеты для исследований в области геофизики, метеорологии, физике и климатологии. Одно из приложений для ЭВМ, COSMO, представляет собой метеорологическую модель и используется метеослужбами Германии и Швейцарии для получения высокоточных прогнозов погоды.

Читайте также: