Tradicionalna arhitektura superračunala uključuje velik broj računalnih čvorova koji u zbroju daju velik broj procesorskih jezgri. Ti clusteri procesora smješteni su u serverske rackove i povezani mrežom velikog bandwitha, služe se ogromnom količinom radne memorije i imaju diskove za učitavanje i ispisivanje rezultata. HPC računala imaju linearan tijek izračuna, gdje se na ulazu ubace parametri i podaci i pusti se računalo da izračunava da bi korisnik na kraju dobio izračun. Takve računske operacije ovise o veličini HPC sustava pa neke simulacije klime ili tla mogu trajati mjesecima i godinama na ovakvim brzim strojevima.
Posljednjih godina dogodila se promjena u konstrukciji superračunala i sada gotovo sva vodeća imaju drugačiju strukturu koja u nekom obujmu koriste i grafičke akceleratore.
Budućnost je u exaflopsima
Trenutačno najjače superračunalo nalazi se u Japanu. Fugaku se može pohvaliti s 442 TFLOPS-a, no već su u razvoju sustavi koji će donijeti ogromne pomake. Tako se u Italiji u poduhvatu CINECA, u kojemu je uključeno više sveučilišta, stvara Leonardo, superračunalo koje će imati FP16 performanse od 10 exaflopsa. Računalo će imati 35000 Intel Sapphire Rapids procesora i 14000 Nvidia A100 grafičkih kartica. Europa trenutačno dosta zaostaje za SAD-om i Kinom. Upravo je EPI projekt o kojemu ćemo pisati na sljedećim stranicama strateška poluga Europe za razvoj vlastitog procesora za nadolazeće exoscale sustave.
Do tada Fujitsuov Fugaku ima primat kao trenutačno najjači sustav. Iako Kina ima najveći broj superračunala, ukupna agregirana snaga je na strani SAD-a, iza čega slijede Kina i Japan.
Što se tiče hardverskih osnovica, i dalje su najzastupljeniji Intel Xeon procesori, a sve više mjesta uzimaju AMD Epic CPU-ovi. ARM je također razvio svoju platformu za HPC i baš njihov IP otkupio je Fujitsu kada je krenuo u razvoj Fugaku superračunala.
Za određivanje ukupne snage superračunala koristi se HPL (high-performance LINPACK) benchmark koji mjeri performanse u rješavanju sustava jednadžbi, a mjerodavan je za uvrštavanje u Top 500 superračunala.
Fugaku
Japanska IT kompanija Fujitsu u suradnji s RIKEN centrom za računalne znanosti u Kobeu složila je Fugaku superračunalo koje se sastoji od čak 158.976 računalnih čvorova. Fugaku je baziran na ARMV8.2-A 512 bitnoj arhitekturi na koju je Fujitsu dodao svoje hardverske barijere i sektorski cache. Svaki računalni čvor ima 48 jezgara. U normalnom modu rada ima radni takt od 2.0 GHz (DP: 3.072 TFLOPS, SP: 6.144 TFLOPS, HP: 12.288 TFLOPS), dok u boost modu ide do 2,2 GHz (DP: 3.3792 TFLOPS, SP: 6.7584 TFLOPS, HP: 13.5168 TFLOPS).
Svaki računalni čvor ima HBM2 32 GiB memoriju s brzinom od 1024 GB/s. Ukupna memorijska propusnost cijelog sustava je 163 PB/s, a totalna instalirana radna memorija 4,85 PiB. Mrežna povezanost računalnih čvorova ide do 28 Gbps kroz 2 traka i 10 portova.
Fugaku je svoju računalnu snagu usmjerio u probleme vezane uz COVID-19, poput predikcije dinamike proteina virusa i fragmentirane molekularne kalkulacije za COVID-19 proteine. Ideja iza gradnje Fugakua je približavanje Japana prema Society 5.0, inicijativi za pametno društvo.
FUGAKU
Snaga: 442 PFLOPS
Arhitektura. ARM V8.2-A, 512 but
Broj računalnih jezgara: 7.630.848
OS: Red Hat Enterprise Linux 8
Summit
IBM je na Oak Ridge National Laboratory u Tennesseeju instalirao sustav Summit. Superračunalo koje je pokrenuto 2018. godine ima 4356 računalnih čvorova i svaki od njih ima po dva Power9 procesora koji imaju 22 jezgre, kao i šest Nvidia Tesla V100 grafičkih kartica. Summit ima 600 GB radne memorije koju koriste procesori i grafičke kartice te dodatnih 800 GB koje koristi kao buffer ili proširenu memoriju. Sva računalna snaga čvorova povezana je u pozadini s Nvidia brzim NVLinkom. U trenutku predstavljanja i sve do lipnja 2020. godine vodio se kao najbrže superračunalo. Njegov trenutačni LINPACK rezultat ide do 148,6 petaflopsa. Uz snažne performanse koje ga čine drugim po jačini superračunalom na svijetu, Summit se nalazi i na petom mjestu energetski najučinkovitijih superračunala.
Ovisno o namjenama i aplikacijama, superračunala mogu imati bolje ili lošije rezultate. Tako je Summit bio prvo računalo koje je dosegnulo exaflop brzinu dok se radila analiza genoma. Tada je Summit stigao do 1,88 exaflopsa. Do sada se ovo superračunalo koristilo za kompleksne izračune u područjima energije, umjetne inteligencije, za zdravstvena istraživanja i simulacije ekstremnog vremena i potresa.
Summit
Snaga: 148,6 PFLOPS
Arhitektura: Power9+Nvidia Tesla V100
Broj računalnih jezgri: 202.752
OS: Red Hat Enterprise Linux
Sierrra
Još jedno američko superračunalo vrlo slično strukturi Summita. Sierra je instalirana u Lawrence Livemore nacionalnom laboratoriju i koristi se za simulacije nuklearnog oružja. Ideja ovog računala je osigurati sigurnost, pouzdanost i učinkovitost nuklearnog arsenala SAD-a. Kao i Summit, Sierra ima IBM Power9 procesore i Nvidia Tesla V100 grafičke kartice. Računalni čvorovi smješteni su u IBM S922LC OpenPOWER servere koji smještaju dvije grafičke kartice po jednom procesoru. Uz čak 190.080 računalnih jezgara (svaki procesor ima 22 jezgre na taktu od 3,4 GHz), tu je ukupno 17280 Nvidia grafika i 1.382.400 GB radne memorije, odnosno 256 GB za procesor i 64 za GPU po svakom od 4474 računalna čvora. Maksimalne performanse ovog sustava su 125 petaflopsa, a potrošnja superračunala iznosi 11 megawatta.
Sierra
Snaga: 125 PFLOPS
Arhitektura: Power9+Nvidia Tesla V100
Broj računalnih jezgri: 190.080
OS: Red Hat Enterprise Linux
Sunway TaihuLight
Dvije godine ovo moćno kinesko superračunalo imalo je primat kao najjači sustav na svijetu. Smješteno je u Nacionalnom centru za superračunala u Wuxiju u Kini i može prema LINPACK benchmarku postići 93 petaflopsa. U trenutku predstavljanja 2016. godine bilo je to najjače računalo na svijetu. Uz to, nalazi se na visokom 16. mjestu najučinkovitijih superračunala na listi Green500. Računalo je napravljeno na Sunway arhitekturi koju je razvio Nacionalni istraživački centar za paralelno računanje, inženjerstvo i tehnologiju.
SW26010 je procesor s 260 jezgara, a radi se o 64 bitnim RiSC procesorima. Svaki Sunway procesor ima 256 aktivnih procesorskih jezgri i četiri dodatne za management sustava. Ukupno sustav ima 10.649.600 računalnih jezgri. Za razliku od tradicionalnih high perfromance arhitektura koje koriste cache memoriju, ove procesorske jezgre imaju 64 KB scratchpad memorije za podatke i 16 KB za instrukcije, a komuniciraju preko mreže na čipu. Kineski istraživači koriste Sunway za pronalazak nafte, razne znanstvene primjene, prognoze vremena i farmaceutiku.
Sunway TaihuLight
Snaga 93 PFLOPS
Arhitektura: SW26010
Broj računalnih jezgri: 10.649.600
OS: Sunway RaiseOS 2.0.5. (baziran na Linuxu)
Selene
Nvidia je među ključnim proizvođačima ubrzivača koji se instaliraju u HPC sustave i njihove grafičke su čvrsto ukorijenjene u Top 10 svjetskih računala. Posebno je zanimljivo da je u njihovom sjedištu smješteno peto po snazi svjetsko superračunalo koje dostiže 63,4 petaflopsa koje ima neobičan odabir procesora. Jedan od glavnih Nvidijinih konkurenata na polju grafičkih kartica, AMD, proizveo je moćne AMD Epyc 7742 procesore koji rade na 2,25 GHz. Sustav se sastoji od računalnih čvorova u kojima se kombiniraju AMD procesori i Nvidia A100 grafičke kartice. Sustav ukupno ima 555.520 jezgara i 1.120.000 GB radne memorije.
Arhitektura: AMD Epyc + Nvidia A100 (Ampere)
Snaga: 63,4 PTFLOPS
Broj računalnih jezgri: 555.520
OS: Ubuntu
Tianhe-2A
Jedno od starijih superračunala na listi je Tianhe-2A koje je sagrađeno 2013. godine i tada je bilo najbrže svjetsko računalo, a na tom mjestu je ostalo godinama. Tianhe-2A nalazi se u Nacionalnom centru za superračunala u Guangzhou u Kini. Originalni sustav koristio je Intel Ivy Bridge Xeon Phi čipove i imao je ukupno 3.120.000 jezgri. Nakon nametanja američkih sankcija Kini, upgrade na 2A verziju zamijenio je Xeon Phi procesore s Matrix 2000 i sada taj nadograđeni sustav ima 4.981.760 jezgri. Svaki od 16.000 računalnih čvorova ima 88 GB radne memorije. LINPACK benchmark pokazao je 61,5 petaflopsa, no neki istraživači su napomenuli kako sučelja i aplikacije značajno zaostaju za američkim i japanskim sustavima, čime se ne iskorištava uvijek maksimalno snaga.
Arhitektura: Intel Xeon E5-2692v2+Matrix-2000
Snaga: 61,4 PFLOPS
Broj računalnih jezgri: 3.120..000
OS: Kylin Linux
JUWELS Booster Module
I dalje najjače europsko superračunalo nalazi se u Forschungszentrum Jülich u Njemačkoj. Računalo je izgradio Atos, a sastoji se od kombinacije AMD Epic procesora i Nvidia A100 grafičkih kartica. Sustav se nalazi na osmom mjestu na zadnjem mjerenju najbržih superračunala. Sustav je uspio u peaku dostići visokih 71 petaflopsa, a njegov Linpack benchmark pokazao je 44,120 TFLOPS-a . Sustav ima 449.280 jezgri i 628.992 GB radne memorije.
Arhitektura: AMD Epyc + Nvidia A100 (Ampere)
Snaga: 44,120 PFLOPS
Broj računalnih jezgri: 449.280
OS: CentOS
HPC5
Dell PowerEdgye sustav HPC5 instaliran je u talijansku tvrtku Eni S.p.A koja se nalazi unutar velikog data centra. Radi se o jednom od najvećih, a ujedno i najodrživijih superračunala na svijetu. Koristi se najviše za istraživanja novih izvora energije. Snaga HPC5 sustava je 35,5 petaflopsa, a arhitektura mu se bazira na Intel Xeon Gold procesorima i Nvidia Tesla V100 grafičkim karticama. Sustav ima ukupno 669.760 jezgri u 349.440 GB radne memorije, a čvorove povezuje Mellanox HDR Infiniband.
Arhitektura: Intel Xeon Gold + Nvidia A100 (Ampere)
Snaga: 35,5 PFLOPS
Broj računalnih jezgri: 669.760
OS: CentOS Linux 7
Frontera
Frontera je još jedan sustav koji koristi Dellovu opremu pa je u Centru za napredno računarstvo na Sveučilištu Texas u Austinu instaliran u Dell C6420 servere. Računalo koristi Intel Platinum Xeon 8280 procesore i ima ukupno 448.448 jezgri. Frontera ima rezultat od 23,5 teraflopsa što ga smješta na deveto mjesto poretka u Top 500 najjačih superračunala.
Arhitektura: Intel Xeon Platinum + Nvidia Tesla V100
Snaga: 23,5 PFLOPS
Broj računalnih jezgri: 448.448
OS: CentOS Linux 7
Dammam-7
Novopridošlica u svijet top 10 superračunala u svijetu je Dammam-7 koji je smješten u Saudi Aramco u Saudijskoj Arabiji. Dammam-7 je smješten u HPE Cray CS-Storm sustav, a koristi Intel Gold Xeon procesore u kombinaciji s Nvidia Tesla V100 grafičkim karticama. Saudijsko računalo dostiže 22,4 petaflopsa na LINPACK benchmarku što ga smješta na deseto mjesto u svijetu. Sustav se sastoji od Xeon Gold 6248 20C procesora, ima ukupno 672.520 računalnih jezgri i 506.368 GB radne memorije.
Arhitektura: Intel Xeon Gold + Nvidia Tesla V100
Snaga: 35,5 PFLOPS
Broj računalnih jezgri: 669.760
OS: RHEL 7.7
Što su TFLOPSI
Jedna od mjera za izračunavanje snage računala su FLOPS-i. Radi se o akronimu za računske operacije koje uključuju iracionalne brojeve i decimalne zareze. To su mnogo složeniji izračuni u odnosu na realne brojeve pa se zbog teškoća kod izračunavanja ova mjera koristi za izračunavanje snage sustava. Jedan TFLOPS se odnosi na izračun trilijuna floating-point operacija u sekundi. Kod prošlogodišnjeg lansiranja gaming konzola nove generacije njihova se snaga također uspoređivala u TFLOPS-ima. PS5 ima 10,3, a Xbox Series X 12,1 teraflopsa. To znači da nova plejka može izvršiti 10 trilijuna floating point operacija u sekundi. Kod gaminga, to je značajno zbog izračunavanja velikog broja poligona.
Izračunavanje floating point operacija puno uspješnije rade grafičke kartice koje imaju brojne jezgre, što u konačnici ne znači da su one bolje od jakih high-end računalnih procesora, jer su i svrhe drugačije. HPC se tradicionalno oslanjaju na procesore, dok HTC sustavi koriste i snagu GPU-a. Grafičke kartice se sve više koriste zbog prilagođenih machine learning algoritama koji mogu iskoristiti velike kapacitete GPU-ova. Standardne aplikacije za izračune pomoću superračunala i dalje koriste velik broj računalnih jezgri, ali mnoga područja znanosti polako prilagođavaju svoje aplikacije slično kao kod strojnog učenja.
1 TFLOPS= 1000 GFLOPSA
1 PFLOPS= 1000 TFLOPS
1 EXAFLOP= 1000 PFLOPS
