Широко известно, что японцы изобрели аниме, суши и Годзиллу, а также выпустили на рынок большое число популярных ноутбуков настольных ПК. Однако родиной суперкомпьютеров считаются Соединенные Штаты Америки: именно там собирали самые мощные вычислительные машины. Тем не менее, в Японии тоже существовали свои суперкомпьютеры, самыми известными из которых считаются машины линейки NEC SX, появившиеся на свет 40 лет назад.
Как в Японии появились суперкомпьютеры
Безусловно, NEC — не единственная японская компания, которая вышла со своей продукцией на рынок суперкомпьютеров, до нее это вполне успешно сделали корпорации Fujitsu и Hitachi. Но NEC была первой в этой стране, кому удалось пошатнуть монополию американских гигантов Cray и Control Data, в том числе и на рынке США, благодаря чему семейство суперкомпьютеров NEC SX вошло в историю.
70-е годы считаются эпохой зарождения гонки суперкомпьютеров: индустрии нужны были все более мощные машины, особенно — векторно-конвейерные суперкомпьютеры, которые использовались в основном для научных расчетов, прогнозирования погоды и военных разработок. Cray Research сделалась абсолютным лидером в сфере разработки подобных устройств, в то время как Япония, уже освоившая серийное производство обычной вычислительной техники, в суперкомпьютерной гонке не участвовала. Ситуация изменилась, когда стратегическую важность высокопроизводительных вычислений осознало японское правительство. В середине 70-х оно приняло национальный проект по созданию собственных супер-ЭВМ, и к нему незамедлительно присоединились крупнейшие японские корпорации, в том числе, NEC.
Финансовых и человеческих ресурсов у этих компаний было вполне достаточно, чтобы начинать разработки не с полного нуля. В апреле 1983 года NEC анонсировала выпуск сразу двух векторных суперкомпьютеров: SX-1 и SX-2, а построены они были два года спустя: в 1985-м. Причем фактически у NEC получилось не два, а целых три суперкомпьютера — поимо заявленных моделей компания выпустила модификацию первой машины под наименованием SX-1E. И сразу же новинка стала мировой сенсацией, поскольку суперкомпьютер SX-2 побил действовавший на тот момент рекорд по быстродействию.
SX-1 и SX-2
Главным архитектором японских суперкомпьютеров стал инженер NEC Тадаси Ватанабэ, удостоенный за свои труды в 1998 году премии Экерта–Мокли. Оценили его в клад в развитие сверхмощных компьютеров и американские коллеги, удостоив Тадаси Ватанабэ премии Сеймура Крея в области компьютерного инжиниринга в 2006 году.
NEC SX-1 обладал довольно скромными по меркам супекомпьютеров 80-х годов характеристиками: производительность 0,570 гигафлопс (0,650 в пиковом режиме), объем памяти — 256 мегабайт. Для менее требовательных клиентов, которым не нужен был суперкомпьютер с подобными характеристиками, NEC выпустила «упрощенную» версию SX-1E: с производительностью 0,325 гигафлопс и 128 мегабайтами памяти на борту. Обе модели использовали векторную архитектуру, что позволяло эффективно обрабатывать большие массивы данных и выполнять сложные научные расчеты.
А вот SX-2 стал настоящей сенсацией. Это был первый в мире суперкомпьютер, способный преодолеть барьер в 1 гигафлопс — гигантская по тем временам вычислительная мощность. На тестах машина показала производительность в 1.3 гигафлопс. SX-2 был оборудован 256 мегабайтами ОЗУ, что по меркам 1980-х годов было значительным показателем. Пропускная способность памяти достигала 11 гигабайт в секунду, обеспечивая быструю передачу данных между компонентами системы.
Процессор NEC SX-2 функционировал с тактовым циклом в 6 наносекунд, что соответствовало частоте около 167 МГц. Для достижения таких высоких скоростей использовались передовые на тот момент LSI-технологии: логические элементы с задержкой 250 пикосекунд и плотностью 1000 вентилей на кристалл, а также элементы памяти с временем доступа 3,5 наносекунды. Эта машина использовала 4 набора высокопроизводительных векторных конвейеров (с максимальным количеством арифметических блоков до 16), способных выполнять множественные параллельные операции. Конвейер векторных операций был адаптирован для высокоскоростной обработки инструкций SIMD (Single Instruction, Multiple Data) для выполнения итеративных операций, описанных с помощью цикла DO в одной инструкции. Процессор NEC SX-2 был довольно «горячим», поэтому в нем использовалась сложная система жидкостного охлаждения.
Все три суперкомпьютера работали под управлением операционной системы SX-OS — специальной версии операционки для мейнфреймов Advanced Comprehensive Operating System (ACOS), созданной в корпорации NEC специально для японского рынка. SX-OS базировалась на ядре ACOS-4, которая, в свою очередь, основана на General Comprehensive Operating System (GCOS) — системе для мейнфреймов, совместно разработанной компаниями General Electric, Honeywell и Bull. Она была анонсирована в мае 1974 года и начала поставляться в октябре 1975 года. Эта операционная система не могла похвастаться широким ассортиментом прикладных программ — разработчики считали, что пользователи суперкомпьютеров напишут их сами, исходя из собственных нужд.
Суперкомпьютеры NEC первого поколения, особенно, сверхбыстрый NEC SX-2, получили признание далеко за пределами Японии. Они активно использовалась в различных областях, начиная от ядерного синтеза и молекулярных исследований до проектирования самолетов, автомобилей и прогнозирования погоды. А уже в апреле 1990 года появилась следующая сверхмощная ЭВМ от этого японского производителя: NEC SX-3.
SX-3 — SX-9
Все суперкомпьютеры NEC, начиная с SX-3 (за исключением «упрощенной» SX-6i) были многопроцессорными — третья модель оборудована четырьмя процессорами и 2 Гбайтами оперативной памяти, благодаря чему демонстрировала пиковую производительность до 22 гигафлопс. Усовершенствованная версия этой ЭВМ, SX-3/44 считалась самым быстрым компьютером в мире в период с 1992 по 1993 год. SX-3 использовал интегральные схемы LSI с 20 000 вентилями на кристалл с задержкой 70 пикосекунд, 100 сверхбольших интегральных схем LSI были размещены в одном многокристальном модуле для достижения показателя 2 миллионов вентилей на модуль. При этом все 4 процессора совместно использовали одну и ту же основную память. Как и его предшественники, SX-3 имел водяное охлаждение.
Любопытно, что с выпуском SX-3 и для всех последующих поколений своих суперкомпьютеров NEC отказалась от собственной операционной системы SX-OS в пользу UNIX, поскольку японские специалисты справедливо посчитали: пользователям будет намного проще собирать приложения для этих машин с использованием GCC. Поэтому для NEC SX разработали специальную версию ОС под названием SUPER-UX на базе System V от AT&T.
Представленный в 1998 году суперкомпьютер NEC SX-5 стал значительным шагом вперед в области высокопроизводительных вычислений. Модули этой вычислительной системы объединяли от двух до восьми векторных процессоров (максимум 16), каждый из которых обладал пиковой производительностью 8 гигафлопс. Объем памяти на модуль достигал 64 гигабайт (максимально 128), а производительность обмена с памятью составляла впечатляющие 1 терабайт в секунду.
В 2001 году NEC выпустила модель SX-6, которая стала первой в серии, где векторные процессоры были выполнены на одном кристалле, объединив таким образом векторный и скалярный блоки. Это решение позволило повысить эффективность и снизить энергопотребление системы. Системный узел SX-6 включал до восьми процессоров и поддерживал общую память объемом до 64 гигабайт. Пиковая производительность одного процессора оставалась на уровне 8 гигафлопс, как и у предшественника, но благодаря улучшенной архитектуре и возможности объединения до 128 узлов в общий вычислительный комплекс, общая производительность суперкомпьютера значительно возросла. Примечательно, что в период с 2001 года эксклюзивным дистрибутором суперкомпьютеров NEC на территории США стала корпорация Cray, главный конкурент японцев на этом рынке.
SX-7 образца 2002 года стал логическим продолжением развития серии. Основные улучшения касались количества процессоров в узле и повышения общей производительности системы. Однако наиболее значительным достижением этого периода стал суперкомпьютер Earth Simulator, построенный на базе узлов SX-6. Он был признан самым мощным суперкомпьютером в мире (согласно тестам быстродействия LINPACK с 2002 по 2004 год, демонстрируя производительность 35,86 терафлопс.
Следующим представителем семейства стал выпущенный в 2004 году SX-8. Каждый процессор в этом суперкомпьютере достигал пиковой производительности 16 гигафлопс, а максимальная конфигурация поддерживала до 512 узлов, что обеспечивало общую производительность системы на уровне 65 терафлопс. В 2007 году NEC представила модель SX-9, которая стала кульминацией эволюции серии. Каждый из 16 процессоров в узле обладал пиковой производительностью 102,4 гигафлопс, а общая производительность системы могла достигать 839 терафлопс в максимальной конфигурации с 512 узлами. Объем оперативной памяти на узел увеличился до 1 терабайта, а пропускная способность памяти достигла 4 терабайт в секунду, что обеспечивало невероятную скорость обработки данных.
Современные суперкомпьютеры NEC
Отсчет нового этапа в развитии японских суперкомпьютеров NEC начался в 2013 году, когда корпорация представила машину под названием SX-ACE. Эта система стала первой в серии, использующей многокристальный процессор с четырьмя ядрами, работающими на частоте 1 ГГц. Каждое ядро обеспечивало производительность до 64 гигафлопс, а общая пиковая производительность достигала 256 гигафлопс. Пропускная способность памяти достигала 64 гигабайта в секунду на ядро, что значительно повысило эффективность обработки данных.
Спустя четыре года, в 2017 году, NEC представила платформу SX-Aurora TSUBASA, ключевым элементом которой стал векторный движок (Vector Engine, VE), интегрированный в стандартные серверы на базе x86/Linux через интерфейс PCIe. Такое сочетание позволило использовать преимущества векторных вычислений в привычной пользователям среде. Обновленная версия этой платформы, анонсированная 2021 году, получила наименование SX-Aurora TSUBASA Type 20. Эта модель оснащена процессором с 10 ядрами, работающими на частоте 1,6 ГГц, и обеспечивает пиковую производительность до 3,07 терафлопс в двойной точности. Пропускная способность памяти выросла до 1,53 терабайта в секунду. Машина также работает под управлением операционной системы VEOS на базе ядра Linux, при этом компоненты VEOS лицензированы в соответствии с GNU General Public License.
Японцы из NEC смогли составить достойную конкуренцию американцам в мире суперкомпьютеров — и у них это неплохо получилось. Японские машины использовались в метеорологии, аэрокосмической отрасли, сложных научных расчетах — везде, где требовалась серьезная вычислительная мощь. Суперкомпьютеры серии SX долгое время продавались в Европе, США и Канаде наравне с суперкомпьютерами Cray, а в некоторых исследовательских центрах вполне успешно трудятся и по сей день.
Статья поддерживается командой Serverspace.
Serverspace — провайдер облачных сервисов, предоставляющий в аренду виртуальные серверы с ОС Linux и Windows в 8 дата-центрах: Россия, Беларусь, Казахстан, Нидерланды, Турция, США, Канада и Бразилия. Для построения ИТ-инфраструктуры провайдер также предлагает: создание сетей, шлюзов, бэкапы, сервисы CDN, DNS, объектное хранилище S3.
IT-инфраструктура | Удвоение первого платежа по коду HABR
