Внутри ноябрьского рейтинга TOP500 суперкомпьютеров 2013 года

01.09.2026

Когда люди слышат слово «суперкомпьютер», они обычно представляют себе Deep Blue. Эта машина от IBM победила Гарри Каспарова в шахматы в 1997 году. Она стала публичным лицом высокопроизводительных вычислений. Победа была спорной. Некоторые утверждали, что компьютер был слишком надёжным или что Каспаров сыграл плохо. Правда оказалась более запутанной. IBM фактически разобрала Deep Blue вскоре после матча. Он не сохранился как рабочая система.

Позже Watson изменил правила игры. Он победил чемпионов викторины «Jeopardy!» Кена Дженнингса и Брэда Раттера. Он легко справлялся с естественным языком и фактами из викторин. Эти системы были блестящими. Но они бледнели по сравнению с тем, что было в ноябрьском списке TOP500 2013 года.

TOP500 отслеживает 500 самых мощных коммерчески доступных систем. Название звучит иронично. Эти системы не являются коммерческими в том смысле, что их можно купить с полки. Это институциональные монолиты. Они выглядят как отголосок 1950-х годов. Ранние компьютеры занимали целые комнаты. Современные занимают склады. Они используют стойки с новейшим оборудованием для генерации петафлопс вычислительной мощности.

В вашем ноутбуке четыре ядра. В суперкомпьютере их сотни тысяч. У лидера списка было более трёх миллионов ядер.

Зміст

Как измеряются суперкомпьютеры

TOP500 использует бенчмарк Linpack. Он подает компьютеру систему линейных уравнений. Он измеряет, насколько быстро машина их решает. Альтернативный метод находится в разработке. Рейтинг важен, потому что он отслеживает глобальный прогресс. Список обновляется каждые шесть месяцев. Новые системы поднимаются в рейтинге. Китайский Tianhe-2 занял первое место в ноябре 2013 года.

Вот как выглядел топ-10 в начале 2014 года.

10: SuperMUC (Германия)

9: Vulcan (США)

Рейтинги снова изменились. SuperMUC опустился с четвертого на десятое место. Это снижение болезненно. Но в центре внимания остается эффективность. Водяное охлаждение делает разницу. Воздушное охлаждение не может конкурировать. Цифры IBM резки. Отвод тепла происходит в 4000 раз быстрее. Это не опечатка. Это физика.

Почему это имеет значение? Счета за электроэнергию. Углеродный след. Стоимость поддержания «мозга» в живом состоянии. SuperMUC экономит 40 процентов энергии. Это огромный показатель для машины такого масштаба. 150 000 ядер не работают на доброй воле. Они работают на электричестве. Центр суперкомпьютерных вычислений имени Лейбница знал об этом. Они установили водяное охлаждение. Оно не дает процессорам расплавиться. Это просто. Это эффективно.

Второй по скорости в Германии. Третий в Европе. Почти вдвое выше прошлогоднего десятого места. Скорость — не всё. Важна стабильность. Важна эффективность. SuperMUC доказывает, что для вычислений не нужно сжигать планету.

Но США не сидят сложа руки. Следующая запись в списке меняет правила игры.

9: Vulcan (США)

Vulcan. Национальная лаборатория Сандия. Нью-Мексико. Это не просто быстро. Это плотно. Системы Cray. Процессоры Xeon. Сети InfiniBand. Архитектура другая. Речь идет о размещении вычислительной мощности в меньшем объеме. Меньше места. Больше вычислений.

Как он сравнивается? SuperMUC шире. Vulcan глубже. Плотность энергии выше. Это создает новые задачи для охлаждения. Не баки с горячей водой. Микроканальное охлаждение. Жидкостные холодные пластины. Оборудование должно «дышать» иначе.

Кто его использует? Национальная безопасность. Моделирование климата. Астрофизика. Задачи имеют высокую степень ответственности. Vulcan запускает симуляции, предсказывающие исходы. Исходы, влияющие на политику. Исходы, стоимость которых исчисляется миллиардами.

Речь не только о скорости. Речь о точности. При 150 000 ядрах одно изменение бита может вызвать цепную реакцию. SuperMUC справляется с этим за счет масштаба. Vulcan справляется за счет проектирования. Тесная интеграция. Низкая задержка.

Что лучше? Зависит от задачи. SuperMUC для общих тяжелых задач. Vulcan для специализированных задач с высокой плотностью. Граница размывается. Оба они выжимают максимум из того, что физически возможно в центре обработки данных.

Системы охлаждения рассказывают эту историю. Одна использует водяные контуры. Другая использует прямое жидкостное охлаждение чипов. Обе решают одну и ту же проблему. Тепло — враг. Энергия — ресурс. Эффективность — метрика.

Попадание Vulcan в десятку лучших — это не просто изменение рейтинга. Это заявление. США делают ставку на плотность. На эффективность. На выполнение большего объема работ при меньших затратах.

Гонка не окончена. Она только разогревается. Буквально.

Vulcan: Мощный центр NNSA открывает двери для индустрии

Vulcan занял девятое место в рейтинге, став первым представителем топ-10, работающим на мощной архитектуре BlueGene/Q от IBM. Система опирается на процессоры Power BQC — 16-ядерные чипы с тактовой частотой 1,6 ГГц — для обеспечения вычислительной мощности. Производительность системы составляет 4,3 петафлопса. Это значительный скачок: Vulcan превосходит своего предшественника более чем на один петафлопс, используя почти 400 000 ядер для выполнения задач.

Он не работает в изоляции. В Калифорнии, в Национальной лаборатории Лоуренса в Ливерморе (LLNL), расположены две из десяти лучших суперкомпьютерных систем мира, и Vulcan — одна из них. Машина находится в ведении Национального управления по ядерной безопасности (NNSA) Министерства энергетики США.

Однако настоящая история заключается в том, кто имеет к ней доступ.

В середине 2013 года LLNL предприняла стратегический шаг: она открыла время работы Vulcan для американских компаний. Это не был открытый доступ для всех. Компании могли использовать оборудование для совместных проектов, но должны были покрывать часть операционных расходов. Цель была ясна: стимулировать научный и технологический прогресс, укреплять конкурентоспособность США и расширять кадры в области высокопроизводительных вычислений (HPC).

К сотрудничеству также были приглашены академические и исследовательские учреждения. Партнерство было ориентировано на конкретные, высокозначимые области.

Энергетика
Безопасность
Атмосферные науки
Бионауки

«Vulcan предназначен для сотрудничества с академическими и исследовательскими учреждениями в таких областях, как энергетика, безопасность, атмосферные науки и бионауки.»

Такой подход превратил объект с высоким уровнем секретности в центр государственно-частного партнерства. Он позволил внешним организациям получить доступ к ресурсам, которые в противном случае были бы недоступны, при условии наличия веских оснований для этого и средств, необходимых для покрытия эксплуатационных расходов.

8: JuQUEEN (Германия)

JuQUEEN не появился из ниоткуда. Он построен на архитектуре IBM BlueGene/Q — платформе, предназначенной для масштабной параллельной обработки данных. Система достигает пиковой производительности в 5 петафлопс, работая примерно на 459 000 ядер. Это ошеломляющая вычислительная мощность, но она обходится недешево.

В отличие от некоторых систем в этом списке, которые стабильно работали на протяжении нескольких лет, JuQUEEN имеет свою конкретную историю. Он был построен в 2012 году, чтобы заменить JUGENE. Сам JUGENE был тяжеловесом, занимая девятое место в списке TOP500 самых быстрых систем на ноябрь 2010 года. Замена машины высшего класса — это не просто наличие более нового логотипа на стойке. Речь идет о поддержании научного импульса.

Доступ к системе не является открытым для публики. Исследователи, аффилированные с Jülich-Aachen Research Alliance, должны представлять свои проекты. Им необходимо обосновать, почему им нужны именно эти ядра. Если предложение будет одобрено, они получат возможность использовать время на одном из самых мощных суперкомпьютеров планеты. Это конкурентный процесс. Вы не просто арендуете сервер. Вы заслуживаете право использовать ресурсы, определяющие передний край высокопроизводительных вычислений.

Эта модель доступа распространяется за пределы JuQUEEN. Ученые могут запрашивать время на двух других немецких гигантах: SuperMUC и HERMIT. HERMIT занимает 39-е место в списке TOP500. Всё это координируется через Гауссовский центр суперкомпьютеров (Gauss Centre for Supercomputing, GCS). Также существует Партнерство по передовым вычислениям в Европе (PRACE). Эти организации управляют распределением того, что по сути является национальной и континентальной инфраструктурой.

7: Stampede (США)

Возвышение и архитектура Stampede

Stampede недолго удерживался на вершине. В ноябре 2012 года он пробился на 7-е место. К июню 2013 года он поднялся до 6-й позиции. Теперь же он снова опустился до своего предыдущего рейтинга в последнем списке. Но аппаратное обеспечение осталось прежним. Система работает на процессорах Intel Xeon E5 с 8 ядрами и частотой 2,7 ГГц в паре с сопроцессорами Intel Xeon Phi. Эта комбинация обеспечивает примерно 462 000 ядер. Результат? Почти 5,2 петафлопса чистой вычислительной мощности.

Средства на создание этой системы были получены в виде гранта от Национального научного фонда (NSF). Центр передовых вычислений Техаса (TACC) при Университете Техаса в Остине размещает систему Dell PowerEdge. Она там стоит, тихо гудя и ожидая задач.

Кто может использовать суперкомпьютеры, финансируемые NSF?

С января 2013 года Stampede открыт для ученых и исследователей из всех областей науки. Он является частью программы NSF «Экстремальная среда для научных и инженерных открытий» (XSEDE). Представьте себе виртуальную сеть, которая открыто делит вычислительную мощность 16 суперкомпьютеров и других ресурсов. 90% мощности Stampede выделяется для XSEDE. Директор TACC контролирует оставшиеся 10%.

Квалифицированные исследователи из любых американских учреждений могут подавать заявки через веб-сайт XSEDE. Они не просто приходят и подключают ноутбук к порту. Они должны подать заявку и доказать, что им действительно нужна такая вычислительная мощность.

6: Piz Daint (Швейцария)

Суперкомпьютер Cray под названием Piz Daint работает с апреля 2013 года. Он недолго оставался в тени: после крупного обновления он сразу занял 6-е место в мировом рейтинге. Это позволило ему вытеснить JuQUEEN, и Piz Daint стал самым мощным суперкомпьютером в Европе.

Система размещена в Национальном центре суперкомпьютерных вычислений Швейцарии. Она объединяет процессоры Intel Xeon E5 и графические процессоры NVIDIA. Эта гибридная конфигурация важна не только для скорости, но и для выполнения большего объёма вычислений при меньшем энергопотреблении. Машина оснащена 116 000 вычислительных ядер, что позволяет ей достигать производительности 6,3 петафлопс. Исследователи используют её для моделирования погодных и климатических явлений, а также для научных вычислений во многих других областях.

Здесь важна эффективность. Piz Daint входит в число самых энергоэффективных суперкомпьютеров. Его показатель составляет 3 185,9 мегафлопс на ватт. Эта метрика взята из рейтинга GREEN500.

Piz Daint — единственный суперкомпьютер, вошедший в топ-10 как списка TOP500, так и списка GREEN500.

Большинство систем жертвуют энергоэффективностью ради мощности. Эта система — нет. Рейтинг GREEN500 ранжирует все суперкомпьютеры из списка TOP500 по степени их энергоэффективности. Гибридная архитектура Piz Daint обеспечивает низкое энергопотребление. Графические процессоры более энергоэффективны, чем традиционные процессоры. Именно этот выбор архитектуры делает разницу.

5: Mira (США)

Почему суперкомпьютер Mira IBM доминировал в 2013 году

Mira был не просто очередной записью в списке TOP500. Он вышел на полную мощность в 2013 году и сразу утвердился в качестве мощной вычислительной системы, достигая пиковой производительности в ошеломляющие 8,6 петафлопс. Чтобы понять масштаб этого показателя: Mira превосходил швейцарский Piz Daint более чем на 2 петафлопса и опережал систему Stampede почти на 3,5 петафлопса. Разрыв был существенным. Это был ясный сигнал.

В основе Mira лежит платформа IBM BlueGene/Q. Система насчитывает 786 000 процессорных ядер и размещена в масштабной инфраструктуре Национальной лаборатории Аргонн (Argonne National Laboratory) в штате Иллинойс. Этот центр служит научно-исследовательским хабом для Министерства энергетики США (DOE). Mira не появился из ниоткуда: он заменил Intrepid, более старую систему IBM, которая в 2008 году занимала четвертое место в том же рейтинге. Это обновление было значительным и ознаменовало четкий сдвиг в вычислительных возможностях для науки, финансируемой DOE.

Как исследователи получают доступ к Mira

Получение времени работы на Mira — это не просто вопрос оплаты сбора. Система работает в рамках строгой модели распределения ресурсов, предназначенной для высокоэффективных научных исследований. Основным каналом доступа является программа INCITE (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment — Инновационное и новаторское вычислительное влияние на теорию и эксперимент). Исследователи должны подавать заявки через Управление науки Министерства энергетики США (DOE Office of Science), чтобы получить доступ.

Расделение ресурсов выглядит следующим образом:
— 60% вычислительной мощности Mira выделено победителям программы INCITE.
— 30% поддерживается программой Advanced Science Computing Research Leadership Computing Challenge.
— Оставшиеся 10% зарезервированы для срочных вычислений, требующих немедленного решения и не ожидающих стандартного цикла рассмотрения заявок.

Такая структура гарантирует, что система обслуживает как запланированные крупномасштабные проекты, так и внезапные критические потребности. Она балансирует долгосрочные научные цели с немедленными операционными задачами.

Японский претендент: суперкомпьютер K

Перемещаясь из США в Японию, суперкомпьютер K представляет иной подход к высокопроизводительным вычислениям. Расположенный в Институте передовых научных исследований RIKEN, эта система была разработана компанией Fujitsu и использует процессоры SPARC64 VIIIfx. Как и Mira, он вышел на сцену с серьезными намерениями, бросая вызов устоявшемуся порядку доминирования в суперкомпьютерной сфере. Его архитектура была ориентирована на эффективность и плотность энергопотребления, стремясь обеспечить огромную пропускную способность без неоправданно высокого расхода энергии.

Возвышение и относительное снижение статуса суперкомпьютера K

Суперкомпьютер K от Fujitsu занимал первое место в рейтинге самых мощных машин мира в начале 2011 года. Сегодня он находится на четвёртой позиции. Это падение не означает, что он слаб. Он по-прежнему уверенно опережает IBM Mira, демонстрируя сырую производительность на уровне 10,5 петафлопс. Он остаётся единственным японским представителем в мировой десятке лидеров.

Этот компьютер расположен в Институте передовых вычислительных наук RIKEN в Японии. Его повседневные задачи включают предотвращение глобальных катастроф, метеорологию и медицинские исследования. Всё это он выполняет без использования архитектуры IBM. Вместо этого он работает на основе собственных восьмиъядерных процессоров Fujitsu SPARC64 VIIIfx. Огромное количество ядер — 705 000 — выполняет основную работу. Они обрабатывают вычисления с темпом, который по-прежнему кажется невероятным.

Но давайте будем честны: три машины, занимающие первые три места, находятся в совершенно другой лиге. Они на порядки мощнее.

3: Sequoia (США)

Sequoia покинула первое место в июне 2012 года. К ноябрю она опустилась на вторую позицию. Сейчас она занимает третье место. Она не отстаёт — её просто обгоняют. Машина по-прежнему вызывает уважение благодаря 1,6 миллиона вычислительных ядер и потрясающей 17,2 петафлопс сырой вычислительной мощности.

Подумайте о том, что на самом деле означает это число.

Ещё в 2008 году компьютер Roadrunner от IBM вышел на первые страницы заголовков. Это была первая машина, преодолевшая барьер в 1 петафлопс. То есть тысяча триллионов операций в секунду. IBM утверждала, что она работала так же, как 100 000 ноутбуков того времени. Sequoia — это не просто обновление. Она в 17 раз быстрее этого эталона 2008 года.

Аппаратное обеспечение внутри не является передовым по сегодняшним потребительским стандартам. Sequoia полагается на архитектуру BlueGene/Q от IBM. Каждый чип имеет 16 ядер, работающих на частоте 1,6 ГГц. Эта тактовая частота сейчас кажется медленной. Но масштаб меняет всё. С 96 стойками этих чипов, работающих согласованно, совокупная производительность становится пугающе эффективной.

Кому нужна такая мощность?

Вы можете задаться вопросом, зачем кому-то нужны 17,2 петафлопс. Ответ скрыт за закрытыми дверями Национальной лаборатории Ливермора.

Это часть Администрации национальной безопасности ядерного оружия при Министерстве энергетики США. Sequoia вместе со своим «братом» Vulcan выполняет засекреченные работы. Самая важная задача? Моделирование ядерных взрывов.

Им не нужны реальные детонации. Им нужна физика. Физика в реальном времени.

Sequoia на 63 процента быстрее компьютера, занявшего четвёртое место в ноябрьском рейтинге 2013 года. Эта разница — не просто вопрос эго. Это необходимость. Когда вы моделируете имплозию боеголовки без единого испытательного взрыва, миллисекунды имеют значение. Микросекунды тоже. Разница между успешным моделированием и неудачным может стоить миллионов долларов или жизней.

Это подводит нас к следующему претенденту в гонке за доминированием в области сырых вычислительных мощностей.

2: Titan (США)

Гибридная мощь Titan в Оук-Ридж

Он находится в помещении Национальной лаборатории Оук-Ридж в штате Теннесси, тихо гудя, выполняя тяжёлую работу. Titan — это не просто имя. Он полностью оправдывает его. Эта машина занимает второе место в рейтинге Top500, стабильно удерживая эту позицию с июня 2013 года. Снаружи он не производит особого впечатления. Просто шкафы. Но внутри скрыто серьёзное оборудование.

Его построила компания Cray. Или, точнее, она интегрировала его. В основе системы лежат процессоры AMD Opteron 6274. Вы смотрите на шестнадцать ядер на чип, работающих на частоте 2,2 ГГц. Но эти процессоры — лишь вспомогательный персонал. Настоящими звездами являются графические процессоры NVIDIA, подключённые к каждому узлу. Вместе они обеспечивают производительность 17,6 петафлопс. Это огромное число. Для достижения этого результата система использует примерно 561 000 ядер.

Почему это важно? Потому что Titan — это гибридная система. Это не только процессоры. Это не только графические процессоры. Это и то, и другое. Этот выбор архитектуры изменил всё для Управляющей вычислительнойfacility (OLCF) в Оук-Ридж. Им не потребовались новые здания. Им не нужны были новые энергосети. Они смогли разместить Titan в том же физическом пространстве, где ранее находился Jaguar.

Jaguar был их старой машиной. Titan в девять раз быстрее. При этом потребление энергии выросло лишь примерно на 60 процентов. Это и есть эффективность. Вы получаете в девять раз больше вычислительной мощности при незначительном увеличении энергопотребления. Если бы они построили систему исключительно на процессорах такого размера, счёт за электроэнергию был бы астрономическим. Графические процессоры позволили поддерживать тепловыделение и потребление энергии на приемлемом уровне.

Программирование для ускоренного оборудования

Есть один нюанс. Нельзя просто запустить старый код и ожидать чуда. Графические процессоры требуют другого подхода. Необходимо писать программное обеспечение, которое понимает, как взаимодействовать с параллельными процессорами. Это не решение «подключи и работай».

Чтобы решить эту задачу, OLCF не действовал в одиночку. Они вступили в партнёрство с компаниями Cray и NVIDIA. Цель была ясна: сделать эти машины удобными для учёных. Результатом стала работа Центра по обеспечению готовности приложений к ускоренным вычислениям (CAAR). Эта группа занимается разработкой лучших практик. Она пишет руководства. Она создаёт фреймворки, чтобы исследователям не приходилось с нуля разбираться во всех низкоуровневых деталях.

Как на самом деле использовать эту мощь? Вы не просто покупаете на ней время. Это ресурс, служащий общественному благу. Исследователи подают заявки через программу INCITE Министерства энергетики США. Если ваш проект проходит отбор, вы получаете доступ. Это конкурентный и строгий процесс. Но для тех, кому повезёт, это лучшая вычислительная мощность на Земле.

Titan доказал, что гибридная архитектура — это не нишевый эксперимент. Это будущее. Он показал, что можно масштабировать вычислительные мощности, не разоряясь на электроэнергии.

1: Тяньхэ-2 (Китай)

Tianhe-2 появился в 2012 году, опередив запланированный график на два года. Он не просто вошел в рейтинги — он сразу занял первое место.

Производительность системы составляет 33,9 петафлопса. Это почти вдвое превышает показатели Titan или Sequoia. Она также более чем в десять раз быстрее, чем Tianhe-1A, которая в июне 2013 года занимала десятое место.

Это не просто программное улучшение. Аппаратная часть массивна.

Система работает на базе процессоров Intel Xeon E5, пользовательских процессоров и сопроцессоров Intel Xeon Phi. Всего насчитывается около 3,12 миллиона ядер.

Кто создает лучший суперкомпьютер Китая?

Систему разработала Национальный университет обороны (NUDT). Она расположена в Национальном центре суперкомпьютерных технологий в Гуанчжоу. Цель — образование и научные исследования.

В настоящее время это единственный китайский представитель в топ-10. Но благодаря чистой вычислительной мощности одной машины репутация остается прочной.

«Tianhe-2 обеспечивает им репутацию благодаря чистой вычислительной мощности одной машины.»

Почему Ubuntu Kylin важна для китайских технологий

Tianhe-2 работает на специальной версии Linux от Ubuntu под названием Kylin. Она создавалась не в вакууме.

Она появилась в результате партнерства между NUDT, Центром содействия развитию программного обеспечения и интегральных схем Китая (CSIP) и Canonical, создателями Ubuntu.

Это подчеркивает более широкий тренд. Все суперкомпьютеры из топ-10 и большинство из топ-500 работают на какой-либо вариации Linux. Windows здесь не идет ни в какое сравнение. Пока что.

Однако Kylin не ограничивается серверными помещениями. Это бесплатная операционная система с открытым исходным кодом, специально адаптированная для китайских пользователей. Ее можно скачать с сайта Ubuntu. Она также работает на персональных компьютерах.

Это означает, что та же ОС, которая питает одну из самых быстрых машин в мире, доступна и на вашем рабочем столе. Если вы живете в Китае или просто хотите использовать Linux с оптимизацией для китайского ввода, это вариант.

Как она сравнивается с другими суперкомпьютерами?

Характеристики Tianhe-2 конкретны. 33,9 петафлопса. 3,12 миллиона ядер. Intel Xeon E5 и Phi.

Сравните это с Titan или Sequoia. Разрыв велик. Почти вдвое.

Также стоит отметить, почему Linux доминирует здесь. Открытый исходный код. Гибкость. Контроль. Вы можете настраивать ядро. Вы можете напрямую управлять аппаратным обеспечением. Именно поэтому каждая система из топ-лидеров работает на ней.