Uvnitř listopadového žebříčku TOP500 superpočítačů 2013

01.09.2026

Když lidé slyší slovo „superpočítač“, obvykle si vybaví Deep Blue. Tento stroj IBM porazil Garryho Kasparova v šachu v roce 1997. Stala se veřejnou tváří vysoce výkonných počítačů. Vítězství bylo kontroverzní. Někteří tvrdili, že počítač byl příliš spolehlivý nebo že Kasparov hrál špatně. Pravda se ukázala být více matoucí. IBM skutečně rozebralo Deep Blue krátce po zápase. Jako funkční systém se nedochoval.

Watson později změnil pravidla hry. Porazil vítěze kvízové show „Ohrožení!“ Ken Jennings a Brad Rutter. S přirozenou řečí a fakty z kvízů si poradil s lehkostí. Tyto systémy byly skvělé. Ale ve srovnání s tím, co bylo na seznamu TOP500 z listopadu 2013, bledly.

TOP500 sleduje 500 nejvýkonnějších komerčně dostupných systémů. Název zní ironicky. Tyto systémy nejsou komerční v tom smyslu, že je lze zakoupit běžně. Jedná se o institucionální monolity. Vypadají jako návrat do 50. let minulého století. Rané počítače zabíraly celé místnosti. Moderní jsou obsazeny sklady. Ke generování petaflopů výpočetního výkonu využívají stojany nejnovějšího hardwaru.

Váš notebook má čtyři jádra. V superpočítači jsou jich statisíce. Lídr seznamu měl více než tři miliony jader.

Jak se měří superpočítače

TOP500 používá benchmark Linpack. Napájí počítač systémem lineárních rovnic. Měří, jak rychle je stroj vyřeší. Alternativní metoda je ve vývoji. Žebříček je důležitý, protože sleduje globální pokrok. Seznam je aktualizován každých šest měsíců. V žebříčku stoupají nové systémy. Čínský Tianhe-2 obsadil první místo v listopadu 2013.

Takto vypadalo 10 nejlepších na začátku roku 2014.

10: SuperMUC (Německo)

9: Vulcan (USA)

Hodnocení se opět změnilo. SuperMUC klesl ze čtvrtého na desáté místo. Tento pokles je bolestivý. Důraz ale zůstává na efektivitě. Vodní chlazení dělá rozdíl. Vzduchové chlazení nemůže konkurovat. IBM snižuje čísla. Odvod tepla probíhá 4000krát rychleji. Nejedná se o překlep. To je fyzika.

Proč na tom záleží? Účty za elektřinu. Uhlíková stopa. Náklady na udržení „mozku“ při životě. SuperMUC šetří 40 procent energie. To je pro stroj takového rozsahu obrovský ukazatel. 150 000 jader nefunguje v dobré víře. Jezdí na elektřinu. Leibnizovo centrum pro superpočítače to vědělo. Instalovali vodní chlazení. Zabraňuje roztavení procesorů. Je to jednoduché. Je to účinné.

Druhý nejrychlejší v Německu. Třetí v Evropě. Téměř dvojnásobek loňského desátého místa. Rychlost není všechno. Důležitá je stabilita. Důležitá je efektivita. SuperMUC dokazuje, že výpočetní technika nemusí spálit planetu.

Spojené státy ale nesedí nečinně. Další položkou na seznamu je změna hry.

9: Vulcan (USA)

Vulkán. Národní laboratoř Sandia. New Mexico. Není to jen rychlé. Je to těsné. Cray systémy. procesory Xeon. sítě InfiniBand. Architektura je jiná. Jde o zabalení výpočetního výkonu do menšího prostoru. Méně prostoru. Další výpočty.

Jak se to srovnává? SuperMUC je širší. Vulcan je hlubší. Hustota energie je vyšší. To vytváří nové problémy s chlazením. Ne zásobníky teplé vody. Mikrokanálové chlazení. Tekuté studené talíře. Zařízení musí „dýchat“ jinak.

Kdo to používá? Národní bezpečnost. Klimatické modelování. Astrofyzika. Úkoly mají vysokou míru odpovědnosti. Vulcan provozuje simulace, které předpovídají výsledky. Výsledky, které ovlivňují politiku. Výsledky stojí miliardy.

Není to jen o rychlosti. Jde o přesnost. Se 150 000 jádry může jediná změna bitu způsobit řetězovou reakci. SuperMUC se s tím vyrovnává prostřednictvím měřítka. Vulcan to zvládne designově. Těsná integrace. Nízká latence.

co je lepší? Záleží na úkolu. SuperMUC pro všeobecné náročné úkoly. Vulcan pro specializované aplikace s vysokou hustotou. Hranice se rozmazává. Oba využívají maximum toho, co je v datovém centru fyzicky možné.

Tento příběh vyprávějí chladicí systémy. Jeden využívá vodní okruhy. Druhý využívá přímé kapalinové chlazení čipů. Oba řeší stejný problém. Teplo je nepřítel. Energie je zdroj. Účinnost je metrika.

Dostat Vulcana do top 10 není jen změna žebříčku. Toto je prohlášení. USA se zaměřují na hustotu. Pro efektivitu. Provést více práce za nižší náklady.

Závod nekončí. Jen se zahřívá. Doslova.

Vulcan: NNSA Powerhouse otevírá dveře průmyslu

Vulcan obsadil deváté místo v žebříčku a stal se prvním zástupcem top 10, který běží na výkonné architektuře BlueGene/Q od IBM. Systém se spoléhá na procesory Power BQC – 16jádrové čipy taktované na 1,6 GHz – zajišťující výpočetní výkon. Výkon systému je 4,3 petaflops. To je významný skok: Vulcan překonává svého předchůdce o více než jeden petaflop, přičemž ke spouštění úloh používá téměř 400 000 jader.

Izolovaně to nefunguje. Kalifornská laboratoř Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) je domovem dvou z deseti nejlepších superpočítačových systémů na světě a Vulcan je jedním z nich. Stroj provozuje Národní úřad pro jadernou bezpečnost (NNSA) Ministerstva energetiky USA.

Skutečný příběh je však ten, kdo k němu má přístup.

V polovině roku 2013 učinila LLNL strategický krok: otevřela otevírací dobu Vulcan americkým společnostem. Nebyl to otevřený přístup pro všechny. Firmy mohly zařízení využívat pro společné projekty, ale musely hradit část provozních nákladů. Cíl byl jasný: stimulovat vědecký a technologický pokrok, posílit konkurenceschopnost USA a rozšířit pracovní sílu v oblasti vysoce výkonných počítačů (HPC).

Ke spolupráci byly přizvány i akademické a výzkumné instituce. Partnerství bylo zaměřeno na specifické oblasti s vysokou hodnotou.

Energie
Bezpečnost
Atmosférické vědy
Biologické vědy

“Vulcan je navržen tak, aby spolupracoval s akademickými a výzkumnými institucemi v oblastech, jako je energetika, bezpečnost, atmosférické vědy a biologické vědy.”

Tento přístup proměnil vysoce klasifikované zařízení na centrum pro partnerství veřejného a soukromého sektoru. Externím organizacím umožnil přístup ke zdrojům, které by jinak byly nedostupné, pokud k tomu byl pádný důvod a prostředky potřebné na pokrytí provozních nákladů.

8: JuQUEEN (Německo)

JuQUEEN nepřišel z ničeho nic. Je postaven na architektuře IBM BlueGene/Q, platformě určené pro rozsáhlé paralelní zpracování dat. Systém dosahuje špičkového výkonu 5 petaflops, běží na přibližně 459 000 jádrech. To je ohromující výpočetní výkon, ale není levný.

Na rozdíl od některých systémů na tomto seznamu, které nepřetržitě fungovaly několik let, má JuQUEEN svou vlastní specifickou historii. Byl postaven v roce 2012, aby nahradil JUGENE. Samotný JUGENE byl těžká váha a v listopadu 2010 se umístil na devátém místě v žebříčku TOP500 nejrychlejších systémů. Výměna vozu nejvyšší řady není jen o tom, že má na nosiči novější logo. Jde o udržení vědecké dynamiky.

Přístup do systému není přístupný veřejnosti. Výzkumníci přidružení k Jülich-Aachen Research Alliance musí předložit své projekty. Potřebují zdůvodnit, proč potřebují tato konkrétní jádra. Pokud bude návrh schválen, budou mít možnost využít čas na jednom z nejvýkonnějších superpočítačů planety. Jedná se o konkurenční proces. Server si jen tak nepronajmete. Zasloužíte si právo používat zdroje, které definují špičku vysoce výkonné výpočetní techniky.

Tento přístupový model přesahuje JuQUEEN. Vědci mohou dotazovat čas na dva další německé giganty: SuperMUC a HERMIT. HERMIT zaujímá 39. místo v žebříčku TOP500. To vše je koordinováno prostřednictvím Gaussova centra pro superpočítače (GCS). Existuje také Partnerství pro pokročilou výpočetní techniku v Evropě (PRACE). Tyto organizace řídí distribuci toho, co je v podstatě národní a kontinentální infrastruktura.

7: Stampede (USA)

Elevace a Stampede Architecture

Stampede se na vrcholu dlouho neudržel. V listopadu 2012 to dotáhl na 7. místo. Do června 2013 se zvýšil na číslo 6. Nyní klesl zpět na své předchozí umístění v nejnovějším seznamu. Hardware ale zůstává stejný. Systém běží na procesorech Intel Xeon E5 s 8 jádry a frekvencí 2,7 GHz spárovaných s koprocesory Intel Xeon Phi. Tato kombinace poskytuje přibližně 462 000 jader. Výsledek? Téměř 5,2 petaflopů čistého výpočetního výkonu.

Financování tohoto systému pocházelo z grantu od National Science Foundation (NSF). Texaské pokročilé výpočetní centrum (TACC) na Texaské univerzitě v Austinu hostí systém Dell PowerEdge. Stojí tam, tiše bzučí a čeká na úkoly.

Kdo může používat superpočítače financované NSF?

Od ledna 2013 je Stampede otevřena pro vědce a výzkumníky ze všech vědních oborů. Je součástí programu NSF Extreme Environments for Science and Engineering Discovery (XSEDE). Představte si virtuální síť, která otevřeně sdílí výpočetní výkon 16 superpočítačů a dalších zdrojů. 90 % výkonu Stampede je věnováno XSEDE. Ředitel TACC kontroluje zbývajících 10 %.

Kvalifikovaní výzkumní pracovníci z jakékoli americké instituce se mohou přihlásit prostřednictvím webové stránky XSEDE. Nepřijdou jen tak a zapojí notebook do portu. Musí se přihlásit a prokázat, že takový výpočetní výkon skutečně potřebují.

6: Piz Daint (Švýcarsko)

Crayův superpočítač Piz Daint běží od dubna 2013. Dlouho nezůstal ve stínu: po velké aktualizaci se okamžitě umístil na 6. místě světového žebříčku. To mu umožnilo nahradit JuQUEEN a Piz Daint se stal nejvýkonnějším superpočítačem v Evropě.

Systém je umístěn ve Švýcarském národním superpočítačovém centru. Kombinuje procesory Intel Xeon E5 a GPU NVIDIA. Tato hybridní konfigurace je důležitá nejen pro rychlost, ale také pro provádění více výpočtů s menší spotřebou energie. Stroj je vybaven 116 000 výpočetními jádry, což mu umožňuje dosahovat výkonu 6,3 petaflopů. Výzkumníci jej používají k modelování jevů počasí a klimatu a také k vědeckým výpočtům v mnoha dalších oblastech.

Efektivita je zde klíčová. Piz Daint patří mezi energeticky nejúčinnější superpočítače. Jeho hodnota je 3 185,9 megaflops na watt. Tato metrika je převzata z žebříčku GREEN500.

Piz Daint je jediný superpočítač, který se umístil v top 10 v obou žebříčcích TOP500 a GREEN500.

Většina systémů obětuje energetickou účinnost kvůli energii. Tento systém není. Hodnocení GREEN500 řadí všechny TOP500 superpočítače podle jejich energetické účinnosti. Hybridní architektura Piz Daint zajišťuje nízkou spotřebu energie. GPU jsou energeticky účinnější než tradiční CPU. Právě tato volba architektury dělá rozdíl.

5: Mira (USA)

Proč superpočítač Mira od IBM dominoval roku 2013

Mira nebyl jen dalším záznamem v žebříčku TOP500. Plné kapacity dosáhl v roce 2013 a okamžitě se prosadil jako výkonný výpočetní systém dosahující špičkového výkonu ohromujících 8,6 petaflopů. Abychom pochopili rozsah tohoto ukazatele: Mira překonala švýcarský Piz Daint o více než 2 petaflopy a byla před systémem Stampede o téměř 3,5 petaflopů. Rozdíl byl značný. To byl jasný signál.

Mira je založena na platformě IBM BlueGene/Q. Systém má 786 000 procesorových jader a je umístěn v rozsáhlé infrastruktuře Argonne National Laboratory v Illinois. Centrum slouží jako výzkumné centrum pro Ministerstvo energetiky USA (DOE). Mira nevznikla z ničeho nic: nahradila Intrepid, starší systém IBM, který se v roce 2008 umístil na čtvrtém místě ve stejném žebříčku. Tato aktualizace byla významná a znamenala jasný posun ve výpočetních schopnostech pro vědu financovanou DOE.

Jak výzkumníci přistupují k Mira

Získání času na Mira není jen otázkou zaplacení poplatku. Systém funguje podle přísného modelu alokace zdrojů navrženého pro vysoce účinný vědecký výzkum. Hlavním přístupovým kanálem je program INCITE (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment). Výzkumníci musí požádat prostřednictvím Úřadu pro vědu DOE, aby získali přístup.

Alokace zdrojů vypadá takto:
– 60 % výpočetního výkonu Miry je přiděleno vítězům programu INCITE.
– 30 % je podporováno soutěží Advanced Science Computing Research Leadership Computing Challenge.
– Zbývajících 10 % je vyhrazeno pro urgentní výpočty, které vyžadují okamžité vyřešení a nečekají na standardní cyklus kontroly aplikace.

Tato struktura zajišťuje, že systém slouží jak plánovaným rozsáhlým projektům, tak náhlým kritickým potřebám. Vyvažuje dlouhodobé vědecké cíle s bezprostředními operačními cíli.

Japonský Challenger: Superpočítač K

Superpočítač K, který se přesunul z USA do Japonska, představuje jiný přístup k vysoce výkonným počítačům. Systém se nachází v RIKEN Institute for Advanced Scientific Research a byl vyvinut společností Fujitsu a využívá procesory SPARC64 VIIIfx. Stejně jako Mira vstoupila na scénu s vážnými úmysly a zpochybnila zavedený řád dominance v oblasti superpočítačů. Jeho architektura byla zaměřena na efektivitu a hustotu výkonu s cílem poskytnout masivní propustnost bez zbytečně vysoké spotřeby energie.

Vzestup a relativní pokles superpočítače K

Superpočítač K od Fujitsu se na začátku roku 2011 umístil na prvním místě v žebříčku nejvýkonnějších strojů světa. Dnes je na čtvrté pozici. Tento pád neznamená, že je slabý. Zůstává pohodlně před IBM Mira a může se pochlubit hrubým výkonem 10,5 petaflopů. Zůstává jediným japonským zástupcem ve světové desítce.

Tento počítač se nachází v RIKEN Institute of Advanced Computing Science v Japonsku. Mezi jeho každodenní úkoly patří prevence globálních katastrof, meteorologie a lékařský výzkum. To vše dělá bez použití architektury IBM. Místo toho je poháněno vlastními osmijádrovými procesory Fujitsu SPARC64 VIIIfx. Hlavní práci dělá obrovské množství jader – 705 000. Zpracovávají výpočty tempem, které se stále zdá neuvěřitelné.

Ale buďme upřímní: tři auta na prvních třech místech jsou v úplně jiné lize. Jsou řádově výkonnější.

3: Sequoia (USA)

Sequoia klesla z prvního místa v červnu 2012. Do listopadu klesla na druhou pozici. Nyní je na třetím místě. Nezůstává pozadu – je zkrátka předběhnutá. Stroj stále vzbuzuje respekt s 1,6 milionu výpočetních jader a neuvěřitelných 17,2 petaflopů surového výpočetního výkonu.

Zamyslete se nad tím, co toto číslo vlastně znamená.

V roce 2008 se na titulky dostal počítač Roadrunner od IBM. Byl to první stroj, který prolomil hranici 1 petaflops. Tedy tisíc bilionů operací za sekundu. IBM tvrdilo, že v té době fungovalo stejně dobře jako 100 000 notebooků. Sequoia není jen upgrade. Je 17krát rychlejší než tato reference z roku 2008.

Hardware uvnitř není podle dnešních spotřebitelských standardů špičkový. Sequoia spoléhá na architekturu IBM BlueGene/Q. Každý čip má 16 jader běžících na 1,6 GHz. Tato rychlost hodin se nyní zdá pomalá. Ale měřítko všechno mění. S 96 stojany těchto čipů pracujících ve shodě se kombinovaný výkon stává děsivě efektivním.

Kdo potřebuje takovou sílu?

Možná se divíte, proč by někdo potřeboval 17,2 petaflopů. Odpověď se skrývá za zavřenými dveřmi Livermore National Laboratory.

Je součástí Národního úřadu pro jadernou bezpečnost Ministerstva energetiky USA. Sequoia spolu se svým „bratrem“ Vulcanem vykonává tajnou práci. Nejdůležitější úkol? Simulace jaderných výbuchů.

Nepotřebují skutečné detonace. Potřebují fyziku. Fyzika v reálném čase.

Sequoia je o 63 procent rychlejší než počítač na čtvrtém místě v žebříčku z listopadu 2013. Tento rozdíl není jen záležitostí ega. To je nutnost. Když simulujete implozi hlavice bez jediného zkušebního výbuchu, záleží na milisekundách. Mikrosekundy taky. Rozdíl mezi úspěšnou a neúspěšnou simulací může stát miliony dolarů nebo životů.

Tím se dostáváme k dalšímu uchazeči v závodě o dominanci v surovém výpočetním výkonu.

2: Titan (USA)

Titan Hybrid Power v Oak Ridge

Sedí uvnitř Oak Ridge National Laboratory v Tennessee a tiše bzučí při své těžké práci. Titan je víc než jen jméno. Naprosto to ospravedlňuje. Tento vůz je na druhém místě v žebříčku Top500, tuto pozici si stabilně drží od června 2013. Zvenčí neudělá příliš velký dojem. Jen skříně. Ale uvnitř se skrývá nějaké vážné vybavení.

Postavil ho Cray. Nebo spíše integrovala. Srdcem systému jsou procesory AMD Opteron 6274. Díváte se na šestnáct jader na čip běžící na 2,2 GHz. Ale tyto procesory jsou pouze podpůrný personál. Skutečnými hvězdami jsou GPU NVIDIA připojené ke každému uzlu. Dohromady poskytují 17,6 petaflopů výkonu. To je obrovské číslo. K dosažení tohoto výsledku využívá systém přibližně 561 000 jader.

Proč je to důležité? Protože Titan je hybridní systém. Nejde jen o procesory. Nejde jen o GPU. Je to obojí. Tato architektonická volba změnila vše pro Oak Ridge Operations Computing Facility (OLCF). Nepotřebovali nové budovy. Nepotřebovali nové rozvodné sítě. Podařilo se jim umístit Titána do stejného fyzického prostoru, kde se předtím nacházel Jaguar.

Jaguar byl jejich starý vůz. Titan je devětkrát rychlejší. Spotřeba energie však vzrostla jen asi o 60 procent. To je efektivita. Získáte devětkrát vyšší výpočetní výkon s pouze mírným zvýšením spotřeby energie. Pokud by postavili systém pouze na procesorech této velikosti, byl by účet za elektřinu astronomický. GPU umožnily udržet odvod tepla a spotřebu energie na přijatelné úrovni.

Programování pro zrychlené zařízení

Je tu jedno upozornění. Nemůžete jen spustit starý kód a očekávat zázraky. GPU vyžadují jiný přístup. Je nutné napsat software, který rozumí interakci s paralelními procesory. Toto není řešení plug and play.

Aby OLCF čelil této výzvě, nejednal sám. Navázali partnerství s Cray a NVIDIA. Cíl byl jasný: učinit tyto stroje vhodnými pro vědce. Výsledkem je Center for Accelerated Computing Application Readiness (CAAR). Tato skupina se věnuje vývoji osvědčených postupů. Píše manuály. Vytváří rámce, aby výzkumníci nemuseli zjišťovat všechny nízkoúrovňové detaily od začátku.

Jak tuto sílu vlastně využít? Nekupujete si tím jen čas. Je to zdroj, který slouží veřejnému dobru. Výzkumníci se hlásí prostřednictvím programu INCITE Ministerstva energetiky USA. Pokud váš projekt projde výběrem, získáte přístup. Jedná se o konkurenční a přísný proces. Ale pro ty, kteří mají to štěstí, je to nejlepší výpočetní výkon na Zemi.

Titan dokázal, že hybridní architektura není specializovaným experimentem. Tohle je budoucnost. Ukázal, že je možné škálovat výpočetní výkon, aniž by došlo k přetížení elektřiny.

1: Tianhe-2 (Čína)

Tianhe-2 se objevil v roce 2012, dva roky před plánovaným termínem. Nejenže se zapsal do hodnocení – okamžitě obsadil první místo.

Výkon systému je 33,9 petaflops. To je téměř dvojnásobek výkonu Titanu nebo Sequoie. Je také více než desetkrát rychlejší než Tianhe-1A, který byl v červnu 2013 na desátém místě.

Nejedná se pouze o softwarové vylepšení. Hardware je masivní.

Systém běží na procesorech Intel Xeon E5, vlastních procesorech a koprocesorech Intel Xeon Phi. Celkem je asi 3,12 milionu jader.

Kdo staví nejlepší čínský superpočítač?

Systém vyvinula Národní univerzita obrany (NUDT). Nachází se v National Supercomputing Technology Center v Guangzhou. Cílem je vzdělávání a vědecký výzkum.

V současné době je jediným čínským zástupcem v top 10. Ale díky samotnému výkonu zpracování jediného stroje zůstává pověst silná.

“Tianhe-2 jim dává reputaci díky naprostému výpočetnímu výkonu v jediném stroji.”

Proč je Ubuntu Kylin důležitý pro čínskou technologii

Tianhe-2 běží na speciální verzi Linuxu od Ubuntu s názvem Kylin. Nebyl vytvořen ve vakuu.

Je výsledkem partnerství mezi NUDT, China Software and Integrated Circuit Promotion Center (CSIP) a Canonical, tvůrci Ubuntu.

To ukazuje na širší trend. Všech 10 nejlepších superpočítačů a většina z 500 nejlepších používá nějakou variantu Linuxu. Windows zde nelze srovnávat. Zatím.

Kylin se však neomezuje pouze na serverové místnosti. Jedná se o bezplatný a open source operační systém speciálně přizpůsobený pro čínské uživatele. Lze jej stáhnout z webu Ubuntu. Funguje i na osobních počítačích.

To znamená, že stejný operační systém, který pohání jeden z nejrychlejších strojů na světě, je k dispozici na vaší ploše. Pokud žijete v Číně nebo jen chcete používat Linux optimalizovaný pro čínský vstup, je to možnost.

Jak si stojí v porovnání s jinými superpočítači?

Charakteristiky Tianhe-2 jsou specifické. 33,9 petaflopů. 3,12 milionu jader. Intel Xeon E5 a Phi.

Porovnejte to s Titanem nebo Sequoia. Mezera je skvělá. Téměř dvojnásobný.

Za zmínku také stojí, proč zde dominuje Linux. Open source. Flexibilita. Řízení. Jádro si můžete přizpůsobit. Můžete přímo ovládat hardware. Proto na tom pracuje každý systém od top lídrů.