Titan - najszybszy superkomputer na świecie zawdzięczamy grom komputerowym

Odwiedzaliście ostatnio stronę top500.org? Witryna ta prowadzi ranking najszybszych superkomputerów na świecie i pobudza wyobraźnię każdego fascynata demonicznych wydajności. Właśnie nastąpiła zmiana warty na pierwszym miejscu - zajęła je maszyna, która wiele zawdzięcza grom komputerowym. Oto Titan z Oak Ridge - najszybszy superkomputer na świecie.

Titan odebrał pierwszą pozycję długo panującemu dziecku IBM, komputerowi "Sequoia" z kalifornijskiego Lawrence Livermore National Laboratory.

Nowy król znalazł swój dom jakieś 2500 km na wschód, w stanie Tennessee. Oba superkomputery wpisują się w słuszną linię polityki przełamywania dominacji Azjatów na tym polu, co udało się Amerykanom drugi raz z rzędu.

Nowy król szybkości różni się od pozostałych konstrukcji na liście. Większość z nich składa się "jedynie" z tysięcy desktopowych procesorów zaprzęgniętych w potężne klastry obliczeniowe. Titan zawdzięcza swoją szybkość (około 20 petaflopów) technologiom stworzonym między innymi na potrzeby gier. Chodzi tu w szczególności o procesory graficzne Nvidia Tesla, które zostały zaprojektowane specjalnie do wysokowydajnych zestawów komputerowych, a ich nazwa wzięła się od nazwiska słynnego serbskiego wynalazcy/elektryka, Nikoli Tesli.

Układy te charakteryzują się niskim poborem mocy i prawie czterokrotnie wyższą wydajnością niż modele poprzedniej generacji. Karty zamontowane w Titanie pozbawione są wyjść wideo i służą jedynie jako dodatkowe procesory obliczeniowe. Czy 20 petaflopów to dużo? Dla porównania, komputer PC z procesorem Intel Core 2 Quad QX9770 osiągnie szybkość 51 megaflopów, czyli 0,000000051 petaflopa.

System bazujący na architekturze Cray XK7 składa się z 37 376 procesorów wielordzeniowych. Połowa z nich to klasyczne procesory CPU AMD Opteron 6274 16C 2.200GHz (299 008 rdzeni). Druga połowa to jednostki GPU Tesla K20 (261 632 rdzenie). Serwis top500.org myli w opisie rdzenie z procesorami, dlatego nie sugerujcie się ich kosmiczną liczbą.

Dokładnej ilości teraflopów nie poznamy aż do końca rozbudowy systemu. Wartość podana podczas benchmarku Linpack wynosiła 17,59 petaflopów na sekundę (17 kwadrylionów operacji na sekundę), ale możemy spokojnie założyć, że ta wartość jest już nieaktualna. Titan wciąż otrzymuje nowe bloki procesorowe, stąd między innymi liczba 20+ teraflopów, jaka widnieje na oficjalnej stronie projektu. Pozostając przy poprzednim porównaniu, zwykły pecet wykona około 500 000 operacji na sekundę.

Zadaniem Titana będzie obliczanie wszystkiego. W tym ogólnym stwierdzeniu kryje się wyjątkowa uniwersalność zastosowań tego superkomputera. Titan ma radzić sobie z każdym rodzajem oprogramowania, od arkuszy kalkulacyjnych, programów do renderingu, aż po skomplikowane symulacje pogodowe. Titan to system otwarty, co oznacza, że można ustawić się w kolejkę do obliczeń i wykorzystać go na własne potrzeby, gdy zostaniemy wezwani do gabinetu.

Poza szybkością Titan chwali się jeszcze jedną, dość istotną wartością. Dzięki unikalnej architekturze (chodzi tu przede wszystkim o nowoczesną procesory graficzne z rodziny Kepler) superkomputer pobiera stosunkowo mało energii - tylko 8,2 MW. Bezpośredni rywale Titana pochłaniają od 10 do kilkunastu MW, co czyni lidera bardzo "zielonym" komputerem. Sumit Gupta, szef zespołu opiekującego się superkomputerem, tak opisuje kwestię wydajności Titana:

[...] Ma to także sens ekonomiczny. Układy scalone, które Nvidia sprzedaje na potrzeby budowy superkomputerów, są niemalże identyczne z tymi oferowanymi graczom. Historia superkomputerów jest usiana martwymi rozwiązaniami opracowywanymi wyłącznie dla supermaszyn. Przy tak dużej niszowości jest to po prostu nieopłacalne.

A czym teraz zajmuje się Titan? Oto kilka "prac domowych" dla nowego lidera w świecie superkomputerów.

• WL-LSMS - badania statystyczne i badanie zmian wiązań materiałowych w skali nano.
• S3D - matematyczne symulacje procesu spalania paliw z zastosowaniem chemii złożonej.
• NRDF - dyfuzja promieniowania. Obliczenia istotne z punktu widzenia astrofizyki, fuzji laserowej, procesów spalania, procesów atmosferycznych oraz obrazowania medycznego.
• LAMMPS - opis oddziaływań molekularnych zachodzących podczas fuzji błon, czyli procesu przenikania molekuł z/do żywego organizmu.
• CAM-SE - obliczenia dotyczące globalnych zmian klimatycznych. Realistyczne przedstawienie mechanizmów powstawania zdarzeń pogodowych z zastosowaniem mechaniki płynów.
• Denovo - obliczenia dyfuzji promieniowania na potrzeby między innymi energetyki atomowej.

Na sam koniec drobna ciekawostka. Warto zwrócić uwagę na niezwykły system zasilania awaryjnego. Po chwilowym spadku napięcia specjalne generatory wyposażone w koła zamachowe (wykonane z włókna węglowego) dostarczają energię. Koła te obracają się z prędkością 50 tys. obr./min i zapewnią zasilanie na około 16 sekund. Po upływie 2 sekund uruchamiają się silniki Diesla, by już po 7 sekundach dostarczać energię Titanowi, aż do wyczerpania się paliwa.