Команда Интелектуальное напряжение / ПИМ-17

Авторы и участники проекта Алексеев Сергей Сергеев Сергей Тетенькин Илья Егоршин Александр Максим Максимов Яшко Дмитрий Эмблема Девиз Наше дело написать - ваше дело разобраться... Этап 1 Главный коструктор ЭВМ Хроника научной деятельности Всеволод Сергеевич Бурцев (11 февраля 1927, Москва — 14 июня 2005, Москва) — советский и российский учёный в области систем управления и теории конструирования универсальных ЭВМ, академик РАН.Основоположник создания первых многопроцессорных вычислительных комплексов «Эльбрус». Руководил разработкой ЭВМ для систем противоракетной обороны СССР «А», А-35, А-135 и ПВО С-300. Лауреат Ленинской премии и двух Государственных премий СССР. Основные труды по принципам и методам построения ЭВМ высокой производительности, теоретическим и практическим задачам автоматического управления, принципам реализации многопроцессорных вычислительных комплексов. Бурцев известен как заместитель главного конструктора ЭВМ Диана-1, Диана-2, М-40, М-60, 5Э92, 5Э92б, 5Э51, а также как главный конструктор МВК «Эльбрус» — машин, получивших широкое применение при создании командных вычислительных центров и стрельбовых комплексов систем ПРО, а также других систем и средств специального назначения. Крупнейший в СССР/России специалист в области создания высокопроизводительных вычислительных машин и комплексов универсального и специализированного применения для управления объектами, работающими в масштабе реального времени. Автор около 200 научных работ, которые положены в основу проектирования новых вычислительных средств, и используются в учебных целях в ведущих ВУЗах России. Бурцев Всеволод Сергеевич Хроника научной деятельности Его заместитель Борис Арташесович Бабаян (род. 1933) — советский и российский учёный, педагог, разработчик вычислительной техники. Автор трудов по архитектурным принципам построения вычислительных комплексов, компьютерного программного обеспечения. Лауреат Государственной (1974) и Ленинской (1987) премий. Первый европейский учёный, удостоенный звания Intel Fellow. Научные достижения За разработку и внедрение микропроцессорной вычислительной системы «Эльбрус-2» он удостоился звания лауреата Ленинской премии. С 2004 г. вместе с частью коллектива, разрабатывавшего проект Эльбрус, перешёл в структуру корпорации Intel. Бабаян стал первым европейским учёным, удостоенным титула Intel Fellow (заслуженный инженер-исследователь Intel). В настоящее время Борис Бабаян является директором по архитектуре подразделения Software and Solutions Group корпорации Intel, а также научным советником научно-исследовательского центра Intel в Москве. Биография Основным направлением его деятельности является развитие и совершенствование компьютерных архитектур, разработка инновационных технологий. Бабаян руководит глобальным проектом, включающим в себя работы в области архитектуры вычислительных машин и системного программного обеспечения, технологии двоичной компиляции и технологии защищённых вычислений, направленные на совершенствование существующей архитектуры, повышение надёжности и устойчивости компьютерных систем к воздействию вирусов. На фото запечатлена СуперЭВМ Эльбрус. Первыми СуперЭВМ является ЭНИАК и Cray-1 Классификация ЭВМ Этап 2 БЭСМ-6 БЭСМ-6 первый советский суперкомпьютер. Был разработан в середине 60-х годов и сдан Госкомиссии в 1967 г. Главный конструктор академик Сергей Алексеевич Лебедев заложил в основу структуры машины принципы конвейера команд (называвшегося им «водопроводом»), параллельной и асинхронной работы основных устройств: оперативной памяти, устройства управления и арифметико-логического устройства, наличия буферных устройств промежуточного хранения команд и данных, обеспечивавшие высокую скорость вычислений. Документация по структуре и основным устройствам БЭСМ-6 Техническое описание Краткое описание команд Устройство управления Управление внешними устройствами Сравнение Мало кто знает, но у истоков создания самого известного в мире процессора Intel Pentium были и советские специалисты и инженеры. В свое время СССР добился достаточно серьезных достижений в создании компьютерной техники. Примером этому может служить серия советских суперкомпьютеров «Эльбрус», которые были созданы в Институте точной механики и вычислительной техники (ИТМиВТ) в 1970-1990-х годах прошлоговека, это же название носит серия микропроцессоров и систем, созданных на их основе и выпускаемых сегодня ЗАО МЦСТ (Московский центр SPARC-технологий). При этом история «Эльбруса» достаточно обширна. Работы над первым компьютером с таким названием велись с 1973 по 1978 год в ИТМиВТ им. Лебедева,руководил этими работами Б. С. Бурцев, разработка велась при участии Бориса Бабаяна, который являлся одним из замов главного конструктора. В то время основным заказчиком данной продукции, конечно же, выступали военные. Эльбрус-1 Первый компьютер «Эльбрус» обладал модульной архитектурой и мог включать в себя от 1 до 10 процессоров на базе схем средней интеграции. Быстродействие данной машины достигало 15 миллионов операций в секунду. Объем оперативной памяти, которая была общей для всех 10 процессоров, составлял до 2 в 20 степени машинных слов или, если применять принятые сейчас обозначения, 64 Мб. Однако самым интересным в «Эльбрусе-1» была именно его архитектура. Созданный в СССР суперкомпьютер стал первой в мире коммерческой ЭВМ, которая применяла суперскалярную архитектуру. Ее массовое применение за рубежом началось только в 90-х годах прошлого века с появлением на рынке доступных процессоров Intel Pentium Следующим этапом работ явилось создание компьютера «Эльбрус-2». Эти ЭВМ отправились в серийное производство в 1985 году. По своей внутренней архитектуре они не сильно отличались от «Эльбрус-1», но применяли новую элементную базу, что позволило увеличить максимальную производительность до 125 млн. операций в секунду. Объем оперативной памяти компьютера увеличился до 16 млн. 72-разрядных слов или 144 Мб. Максимальная пропускная способность каналов ввода-вывода «Эльбруса-2» составляла 120 Мбайт/с.В СССР отлично понимали, что за процессорами будущее. При этом брать разработки других компаний было нехорошо — нужно, чтобы и элементная база, и теоретические разработки происходили на территории страны (что, впрочем, не помешало с помощью reverse engineering создать множество клонов процессоров от Intel вплоть до 286). В результате, в 1980 году, был представлен вычислительный комплекс Эльбрус-1, который был построен по нормам ТТЛ (транзисторно-транзисторной логика — микросхемы, состоящие из биполярных транзисторов и резисторов, где транзисторы играли роль не только логических элементов, но и использовались для усиления выходного сигнала) и включал в себя 10 ЦП. Эльбрус-2 В 1985 году был представлен новый вычислительный комплекс — Эльбрус-2. Он также имел 10 ЦП, но построены они были на основе интегральных схем ИС-100 (полученными с помощью reverse engineering из процессоров Motorola 10000ой серии). Каждый процессор имел частоту в 20 МГц, и суммарно кластер мог оперировать со 144 МБ ОЗУ. Внешней памятью выступала магнитная лента, а адресуемый объем достигал 700 МБ (столько же, сколько на обычной CD-болванке). Итоговая производительность была уже 125 млн оп/с — это сравнимо с процессорами архитектуры Cortex M3 с частотой в 100 МГц, которые, к примеру, играют роль сопроцессоров для датчиков в iPhone (и называются Apple M7-M10): да, производительность целого вычислительного кластера, который занимал не одну комнату и требовал серьезного охлаждения, теперь помещается в крохотном чипе в смартфоне. Эльбрус-3 Новый виток развития Эльбрус пришелся на смутные времена, 1989-1994 годы: заниматься обратной разработкой было уже нельзя: во-первых, Россия — не СССР, и патенты иностранных фирм нарушать было уже нельзя. Во-вторых, одно дело — заниматься reverse engineering процессора с 100 тыс транзисторов, а другое — с десятком миллионов: это гораздо сложнее. В итоге пришлось переходить на VLIW-архитектуру (она специально создана для многопроцессорных систем: одна инструкция процессора содержит несколько операций, выполняемых параллельно, причем известно, какой вычислительный блок выполняет какую операцию). Очевидно, что совместимости с Эльбрус-2 не было, как не было и денег на производство, так что Эльбрусы «похоронили» до начала нулевых. Компьютеры Эльбрус Лента времени В нашей стране создали несколько суперкомпьютеров: Ломоносов, Ломоносов 2, Политехнический RSC Tornado, СКИФ МГУ "ЧЕБЫШЁВ" Мы провели сравнительный анализ пиковой производительности отечественных суперкомпьютеров.(в Пфлопс) Какие основные задачи решают суперкомпьютеры? Традиционной сферой применения суперкомпьютеров всегда были научные исследования: физика плазмы и статистическая механика, физика конденсированных сред, молекулярная и атомная физика, теория элементарных частиц, газовая динамика и теория турбулентности, астрофизика. В химии - различные области вычислительной химии: квантовая химия (включая расчеты электронной структуры для целей конструирования новых материалов, например, катализаторов и сверхпроводников), молекулярная динамика, химическая кинетика, теория поверхностных явлений и химия твердого тела,конструирование лекарств. Естественно, что ряд областей применения находится на стыках соответствующих наук, например, химии и биологии, и перекрывается с техническими приложениями. Так, задачи метеорологии, изучение атмосферных явлений и, в первую очередь, задача долгосрочного прогноза погоды, для решения которой постоянно не хватает мощностей современных суперЭВМ, тесно связаны с решением ряда перечисленных выше проблем физики. Среди технических проблем, для решения которых используются суперкомпьютеры, укажем на задачи аэрокосмической и автомобильной промышленности, ядерной энергетики, предсказания и разработки месторождений полезных ископаемых, нефтедобывающей и газовой промышленности (в том числе проблемы эффективной эксплуатации месторождений, особенно трехмерные задачи их исследования), и, наконец, конструирование новых микропроцессоров и компьютеров, в первую очередь самих суперЭВМ. Суперкомпьютеры традиционно применяются для военных целей. Кроме очевидных задач разработки оружия массового уничтожения и конструирования самолетов и ракет, можно упомянуть, например, конструирование бесшумных подводных лодок и др. Самый знаменитый пример - это американская программа СОИ. СуперЭВМ являются национальным достоянием, и их разработка и производство несомненно должны быть одним из приоритетов государственной технической политики стран, являющихся мировыми лидерами в области науки и техники. Практически единственными странами, разрабатывающими и производящими суперЭВМ в больших масштабах, являются США и Япония. Свои суперкомпьютеры были созданы в Индии и Китае. Большинство развитых стран, в том числе и ряд государств Восточной Европы, предпочитают использовать суперкомпьютеры, произведенные в США и Японии. Положение с разработками суперкомпьютеров в России, очевидно, оставляет сегодня желать лучшего. Работы над отечественными суперЭВМ в последние годы велись сразу в нескольких организациях. Под управлением академика В.А.Мельникова была разработана векторная суперЭВМ "Электроника CC-100" с архитектурой, напоминающей Сгау-1. Также проводятся работы по созданию суперкомпьютеров "Эльбрус-3". Между тем отсутствие возможностей применения суперЭВМ сдерживает развитие отечественной науки и делает принципиально невозможным успешное развитие целых направлений научных исследований. Приобретение одногодвух, даже очень мощных, суперкомпьютеров не поможет решить данную проблему. И дело не только в стоимости их приобретения и затрат на поддержание работоспособности (включая электропитание и охлаждение). Существует еще целый ряд причин (например, доставка информации по компьютерной сети), препятствующих эффективному использованию суперЭВМ. Этап 3 ОС для первого суперкомпьютера Цели Супер-ЭВМ БЭСМ-6 - первая советская суперЭВМ на элементной базе второго поколения — полупроводниковых транзисторах. Операционная система (было создано несколько операционных систем — Д68, НД-70, ОС ИПМ, Диспак, ОС "Дубна", ОС "Феликс"), трансляторы с автокода и распространенных языков высокого уровня, а также ряда специализированных и экспериментальных языков. Широко использовалась многоязыковая мониторная система "Дубна". Были разработаны также разнообразные сервисные диалоговые программы, обеспечивающие выполнение прикладных программ в пакетном и диалоговом режимах. Особенности основных ОС ОС Эльбрус (OSL) — операционная система для процессоров архитектуры Эльбрус 2000 (E2K) и Эльбрус-90микро (SPARC), разработана в МЦСТ на основе ядра Linux. Оригинальная архитектура E2K требует оригинальных механизмов управления прерываниями, процессами, виртуальной памятью, сигналами, синхронизацией, тегированными вычислениями — практически всеми основными механизмами ОС, в связи с чем и был разработан этот продукт. Суперкомпьютер "ЛОМОНОСОВ" работает на операционной системе Clustrx T-Platforms Edition. Операционная система «Эльбрус»(ОС Эль, OSL) является штатной для всех компьютеров МЦСТ, хотя на платформе SPARC также может функционировать порт системы МСВС 3.0. Официальная система идентификации программных продуктов восходит к их децимальным номерам: например, «ОС 316‑10» расшифровывается как «операционная система ТВГИ.00316‑10 с ядром ТВГИ.00315‑03, входящая в состав общего программного обеспечения ТВГИ.00311‑05». С одной стороны, это похоже больше на буквенно-цифровые названия, чем на порядковые номера версий.Ядром системы служит Linux 2.6.33, портированное на архитектуру «Эльбрус-2000» (E2K), а в целом система базируется на дистрибутиве Debian с избирательным подходом к выбору пакетов: по большей части наблюдается соответствие выпуску 7.0 «Wheezy» или более новому, однако версии некоторых пакетов скорее ближе к 5.0 «Lenny». Единожды установленная система не подлежит регулярному обновлению из официального репозитория фирмы МЦСТ и сразу содержит в себе все имеющиеся пакеты. Удивительно, но в отечественной операционной системе вновь создаваемые профили пользователей по умолчанию настроены на английский язык интерфейса. Основная особенность линейки отечественных процессоров «Эльбрус» — заложенный в архитектуру принцип явного параллелизма операций, он даёт возможность выполнять на каждом ядре до 25 операций за один машинный такт, что обеспечивает высокую производительность при умеренной тактовой частоте; Технология динамической двоичной трансляции, позволяющая обеспечивать эффективное исполнение приложений и операционных систем, распространяемых в двоичных кодах x86; Поддержка режима защищённых вычислений с особым аппаратным контролем целостности структуры памяти, которая позволяет обеспечить высокий уровень информационной безопасности использующих его программных систем. Помимо высокой производительности и энергоэффективности процессоров, это даёт возможность применять их в замещении импортных вычислительных систем там, где этого требуют соображения информационной безопасности и технологической независимости. Производитель заявляет, что при 1,3 ГГц Эльбрус-8С имеет производительность около 250 гигафлопсов на операциях с одинарной точностью (FP32). Производится в Тайване, на фабрике TSMC. Базовой операционной системой для платформы Эльбрус является ОС Эльбрус, построенная на базе ядра Linux. Система программирования платформы поддерживает языки С, С++, Java, Фортран-77, Фортран-90. Онлайн доска: Суперкомпьютеры Суперкомпьютер «Ломоносов» Суперкомпьютер «Ломоносов» — уникальный универсальный инструмент, помогающий ученым практически всех специальностей получать результаты мирового уровня. Возможностями суперкомпьютерного комплекса Московского университета, основу которого составляет суперкомпьютер «Ломоносов», сегодня пользуются более 500 научных групп, представляющих все основные подразделения МГУ, многие институты РАН и другие научные учреждения России. Суперкомпьютер «Ломоносов», установленный в Московском университете в 2009 году, относится к уникальным системам высшего диапазона производительности. В настоящее время он содержит 6654 вычислительных узла, более 94000 процессорных ядер, обладает пиковой производительностью 1,37 Пфлоп/с. Реальная производительность системы на тесте Linpack равна 674 Тфлоп/с, что позволило ему занять в июне 2011 года 13–ое место в списке Top500 самых мощных компьютеров мира. Впервые столь мощную вычислительную систему удалось разместить на площади всего 252 квадратных метра: по вычислительной плотности «Ломоносов» сегодня не имеет себе равных в мире, потребляя не более 2,8 МВт электроэнергии. Однако помимо высокой плотности и оптимального энергопотребления вычислитель такого масштаба должен обеспечивать высокую скорость решения реальных прикладных задач. Для этого в суперкомпьютере используется 6 видов вычислительных узлов и процессоры с различной архитектурой, а также специальные сети, что позволяет получать высокую производительность максимально широкого спектра приложений. На сегодняшний день ядром суперкомпьютерного комплекса МГУ являются: cуперкомпьютер «Ломоносов» с пиковой производительностью 1,3 Пфлоп/с, суперкомпьютер «Чебышев» с пиковой производительностью 60 Тфлоп/с и суперкомпьютер IBM Blue–Gene/P с пиковой производительностью 27 Тфлоп/с. Суперкомпьютерный комплекс активно развивается, а в его состав включаются вычислительные системы, построенные на новых принципах. Среди них — использование графических процессоров. Сначала это нашло отражение в экспериментальной установке от Hewlett–Packard «ГрафИТ!», объединившей 48 графических процессоров в рамках одной стойки, а затем было реализовано в полном масштабе в виде специального раздела суперкомпьютера «Ломоносов», содержащего 1554 графических процессора от NVidia. Среди направлений фундаментальных исследований, требующих использования суперкомпьютерных вычислительных мощностей, — магнитная гидродинамика, гидро– и аэродинамика, квантовая химия, сейсмика, компьютерное моделирование лекарств, геология и науки о материалах, фундаментальные основы нанотехнологий, инженерные науки, криптография и многое другое. С помощью суперкомпьютера «Ломоносов», который принимает на себя основную вычислительную нагрузку в рамках суперкомпьютерного комплекса МГУ, уже получены уникальные результаты в разных областях науки, например, в исследовании механизмов генерации шума в турбулентной среде или же в создании новых компьютерных методов проектирования лекарственных препаратов. Характеристика "Ломоносов" Программное обеспечение Средства архивации данных: bacula 3 (Т-Платформы), StorNext (Quantum), NetBackup (Symantec) Передача файлов: SCP, SFTP Управление заданиями и ресурсами: SLURM 2.0 Среды исполнения: OpenMPI 1.4, MVAPICH 1.1, IntelMPI 4 Языки программирования: C/C++, Fortran 77/90/95 Наборы компиляторов: Intel 12, GNU 4.4, Pathscale, PGI Средства отладки и анализа производительности: Intel® ITAC 12, grpof 4, Intel® vTune 4, Intel® Thread Checker, Acumem ThreadSpotter, IDB, Allinea DDT Системы контроля версий: SVN, GIT Языки сценариев: Perl, Python Использованные ресурсы: Лента времени Виртуальный компьютерный музей Сайт с литературой по БЭСМ-6 Информация о суперкомпьютерах Современные суперкомпьютеры: состояние и перспективы Суперкомпьютер «Ломоносов» Microsoft Office Online