ΡΙΖΟΣΠΑΣΤΗΣ
ΡΙΖΟΣΠΑΣΤΗΣ
Κυριακή 26 Αυγούστου 2001
Σελ. /24
ΕΝΘΕΤΗ ΕΚΔΟΣΗ: "7 ΜΕΡΕΣ ΜΑΖΙ"
ΕΠΙΣΤΗΜΗ
ΥΠΕΡΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ
Πανίσχυροι αλλά πίσω από τις ανάγκες

Νέες τεχνικές μελετώνται ή εφαρμόζονται πειραματικά για την κατασκευή υπερυπολογιστών εκατοντάδες ή και χιλιάδες φορές πιο γρήγορων από τους σημερινούς, ώστε να δοθούν απαντήσεις σε εξαιρετικά πολύπλοκα προβλήματα

Η όψη του προγράμματος προστασίας οθόνης του SETI@Home
Η όψη του προγράμματος προστασίας οθόνης του SETI@Home
Οι σημερινοί πιο γρήγοροι υπερυπολογιστές λειτουργούν πολύ αργά, για να μπορέσουν να αντεπεξέλθουν στις ανάγκες της επιστήμης του αύριο. Παρά την τεράστια πρόοδο των τελευταίων δεκαετιών στις τηλεπικοινωνίες και την επεξεργασία πληροφοριών, μερικές υπολογιστικές προκλήσεις, κρίσιμες για την εξέλιξη πολλών επιστημονικών και τεχνολογικών κλάδων και τη βαθύτερη κατανόηση του κόσμου, δεν μπορούν να αντιμετωπιστούν με τα σημερινά μέσα. Για να υπάρξει ριζική πρόοδος στον τομέα της πρόβλεψης του καιρού με ακρίβεια, της ελεγχόμενης πυρηνικής σύντηξης για παραγωγή ενέργειας ή χρήση στους κινητήρες διαστημοπλοίων, των βιοϊατρικών επιστημών και πολλών άλλων τομέων, χρειάζονται μηχανήματα τουλάχιστον 1.000 φορές πιο γρήγορα από τους μεγαλύτερους σημερινούς υπερυπολογιστές.

Η λύση σ' αυτά τα εξαιρετικά πολύπλοκα προβλήματα εξαρτάται από την ικανότητά μας να προσομοιώσουμε τη συμπεριφορά τους με βάση κάποιο μοντέλο, με υψηλό βαθμό ακρίβειας και αξιοπιστίας και για εκτεταμένα χρονικά διαστήματα. Οι απαιτούμενες επιδόσεις είναι πολύ μεγαλύτερες από τα τρισεκατομμύρια αριθμητικών πράξεων κινητής υποδιαστολής ανά δευτερόλεπτο (τεραφλόπς) που πετυχαίνουν οι διαθέσιμοι υπερυπολογιστές. Για παράδειγμα, θα χρειάζονταν 100 χρόνια συνεχούς και αποκλειστικής λειτουργίας του πιο μεγάλου από τα υπάρχοντα συστήματα, για να ολοκληρώσει έναν πλήρη υπολογισμό του τρόπου που διπλώνει το μόριο μιας πρωτεΐνης. Για να ολοκληρωθεί ένας τέτοιος υπολογισμός σε λογικό χρονικό διάστημα και με λογικό κόστος θα χρειαστούν υπολογιστές που να πετυχαίνουν τετράκις εκατομμύρια πράξεων κινητής υποδιαστολής το δευτερόλεπτο (πεταφλόπς).

Αργοί και ακριβοί

Ενα τμήμα των υπερυπολογιστών της Πρωτοβουλίας Στρατηγικών Υπολογιστών με Επιταχυντές (ASCI) στο υψηλής ασφάλειας μηχανογραφικό κέντρο του Εθνικού Εργαστηρίου Λόρενς Λίβερμορ των ΗΠΑ
Ενα τμήμα των υπερυπολογιστών της Πρωτοβουλίας Στρατηγικών Υπολογιστών με Επιταχυντές (ASCI) στο υψηλής ασφάλειας μηχανογραφικό κέντρο του Εθνικού Εργαστηρίου Λόρενς Λίβερμορ των ΗΠΑ
Οι σημερινοί υπερυπολογιστές όχι μόνο είναι πολύ αργοί, αλλά και στοιχίζουν πολύ. Τα συστήματα της Πρωτοβουλίας Στρατηγικών Υπολογιστών με Επιταχυντές (ASCI) του υπουργείου Αμυνας των ΗΠΑ, ισχύος 3 τεραφλόπς, που ασχολούνται με την προσομοίωση της κατάστασης του πυρηνικού οπλοστασίου της υπερδύναμης εν καιρώ απαγόρευσης των πυρηνικών δοκιμών, στοιχίζουν 120 εκατομμύρια δολάρια ετησίως το καθένα. Που σημαίνει ότι στην καλύτερη περίπτωση έχουν κόστος 40 δολαρίων ανά μεγαφλόπ (εκατομμύριο αριθμητικές πράξεις), δηλαδή 10 φορές περισσότερο από το αντίστοιχο κόστος ενός σύγχρονου προσωπικού υπολογιστή. Και εκτός από το κόστος κατασκευής έχουν μεγάλο κόστος λειτουργίας και συντήρησης. Μόνο για ηλεκτρικό ρεύμα απαιτούν 1 εκατομμύριο δολάρια το χρόνο. Από κοντά πάνε τα έξοδα στέγασης αυτών των τεράτων και οι υψηλοί μισθοί για τους εξαιρετικά εξειδικευμένους διαχειριστές και προγραμματιστές τους.

Πέρα από τα προβλήματα αυτά, οι σημερινοί υπερυπολογιστές σπάνια κάνουν καλή χρήση των πόρων που διαθέτουν. Είναι συνηθισμένο φαινόμενο να αποδίδουν μόνο το 25% της υπολογιστικής τους ισχύος, ενώ σε ορισμένα υπολογιστικά προβλήματα αποδίδουν μόνο το 1%.

Βελτιώσεις σε όλα τα επίπεδα

Μια λύση για ριζικά πιο γρήγορους υπερυπολογιστές φαίνεται να είναι τα Υβριδικής Τεχνολογίας Πολυνηματικά Συστήματα (HTMT) που υπόσχονται εκατονταπλασιασμό της υπολογιστικής ισχύος. Με παραπέρα βελτιώσεις ίσως καταφέρουν και αύξηση κατά 1.000 φορές. Μάλλον δεν πρέπει να προξενεί έκπληξη ότι στους οργανισμούς που υποστηρίζουν την ανάπτυξη των HTMT βρίσκονται εκτός από τη ΝΑΣΑ και το Εθνικό Ιδρυμα Επιστήμης των ΗΠΑ, το Εθνικό Συμβούλιο Ασφάλειας των ΗΠΑ (NSA) και η Υπηρεσία Προχωρημένων Ερευνητικών Αμυντικών Εργων (DARPA). Στόχος των δύο τελευταίων είναι η απόκτηση στρατηγικού πλεονεκτήματος, μέσω της ικανότητας αποκρυπτογράφησης ακόμα και των πιο καλά κωδικοποιημένων μηνυμάτων. Δεν είναι απίθανο τέτοια συστήματα να χρησιμοποιηθούν και για την τεχνολογική αναβάθμιση του ΕΣΕΛΟΝ, ώστε να ρίξει ακόμα καλύτερα την απόχη του πάνω στη δημόσια και ιδιωτική ζωή των ανθρώπων όλου του κόσμου.

Για να πετύχουν το φιλόδοξο στόχο τους οι σχεδιαστές των HTMT σκοπεύουν να ενσωματώσουν σε ένα ευέλικτο και βελτιστοποιημένο σύστημα ό,τι καλύτερο υπάρχει ή πρόκειται σύντομα να υπάρξει στον τομέα των υποσυστημάτων που χρειάζεται ένας υπερυπολογιστής. Κεντρικό στοιχείο είναι οι υπεραγώγιμοι επεξεργαστές μια τελείως διαφορετική τεχνολογία από εκείνη των ημιαγωγών CMOS, που χρησιμοποιήθηκαν κατά κόρον την τελευταία δεκαετία. Υπεραγωγιμότητα είναι η ιδιότητα ορισμένων υλικών να άγουν τον ηλεκτρισμό χωρίς καμιά αντίσταση. Θεωρητικά ένα υπεραγώγιμο κύκλωμα μπορεί να διατηρήσει για πάντα ένα ηλεκτρικό ρεύμα που το διατρέχει. Πιο σημαντικό για την εφαρμογή σε επεξεργαστές είναι το γεγονός ότι οι υπεραγώγιμες συσκευές εμφανίζουν κβαντομηχανική συμπεριφορά σε μακροσκοπικό επίπεδο. Η αξιοποίηση αυτών των χαρακτηριστικών για τη δημιουργία ενός ταχύτατου διακόπτη που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν συστατικό στοιχείο υπεραγώγιμων επεξεργαστών έχει επιτευχθεί ήδη από το 1960 (κόμβος Τζόζεφσον). Μόνο χάρη στους υπεραγώγιμους επεξεργαστές, οι υπερυπολογιστές HTMT αναμένεται να είναι 100 με 200 φορές πιο γρήγοροι.

Αλλες τεχνολογίες θα εφαρμοστούν για την αύξηση της απόδοσης. Για παράδειγμα, ξανασχεδιάζοντας την αρχιτεκτονική λειτουργίας του υπολογιστή, θα αφαιρεθεί από τους υπεραγώγιμους επεξεργαστές η ευθύνη διαχείρισης της μνήμης και θα χρεωθεί σε μικροεπεξεργαστές μέσα στην ίδια τη μνήμη. Αλλα ριζοσπαστικά μέτρα θα παρθούν για την αύξηση της χρηστικότητας των HTMT, δηλαδή την απλοποίηση των διαδικασιών αποτελεσματικού προγραμματισμού τους. Η ολογραφική μνήμη και η χρήση οπτικών ινών για επικοινωνίες υψηλής ταχύτητας μέσα στον υπερυπολογιστή θα συνεισφέρουν τόσο στην αύξηση της ταχύτητας λειτουργίας όσο και στη μείωση των λειτουργικών εξόδων.

Η δύναμη των πολλών

Βέβαια, εκτός από τη λύση των HTMT ή άλλων τύπων υπερυπολογιστών υπάρχει και ένας άλλος τρόπος συσσώρευσης μεγάλης υπολογιστικής ισχύος, τουλάχιστον για ορισμένες δεκτικές κατηγορίες προβλημάτων: τα κατανεμημένα υπολογιστικά συστήματα. Η αρχή λειτουργίας των συστημάτων αυτών είναι ότι εκείνο που δεν μπορεί να κάνει ένας μικρός υπολογιστής μόνος του μπορούν να το κάνουν πολλοί μικροί υπολογιστές που επεξεργάζονται παράλληλα ένα μικρό κομμάτι του προβλήματος. Οι πολλοί μικροί υπολογιστές είναι ήδη διαθέσιμοι είτε σαν προσωπικοί υπολογιστές των υπαλλήλων μεγάλων οργανισμών και υπηρεσιών, είτε ακόμα και σαν προσωπικοί υπολογιστές χρηστών του Ιντερνετ που δέχονται να διαθέσουν για την επίλυση ενός προβλήματος, ένα μέρος της ισχύος των υπολογιστών τους που πάει χαμένο.

Τέτοια περίπτωση είναι η προσπάθεια SETI@Home (http://setiathome.ssl.berkeley.edu) που υποστηρίζεται από το Ινστιτούτο Ερευνας για Εξωγήινη Νοημοσύνη (SETI). Ο χρήστης εγκαθιστά στον υπολογιστή του ένα πρόγραμμα προστασίας οθόνης, που ενεργοποιείται όταν δε χρησιμοποιεί για κάποιο χρονικό διάστημα τον υπολογιστή του και επεξεργάζεται ένα μικρό μέρος από τα στοιχεία που συλλέγονται από το ραδιοτηλεσκόπιο του Αρεσίμπο, με στόχο να βρει πιθανά σήματα εξωγήινων πολιτισμών. Οταν ολοκληρώσει την επεξεργασία μετά από μερικές μέρες, το πρόγραμμα συνδέεται στο Ιντερνετ με την πρώτη ευκαιρία και στέλνει την απάντηση στο SETI@Home παίρνοντας νέα ανάθεση.

Μέσα σε κάτι παραπάνω από δύο χρόνια λειτουργίας, στο SETI@Home συμμετείχαν 3 εκατομμύρια άνθρωποι από 224 χώρες, προσφέροντας χρόνο επεξεργασίας 677.000 ετών, που ισοδυναμεί με τη λειτουργία ενός υπερυπολογιστή για το ίδιο χρονικό διάστημα στα 15 τεραφλόπς! Πρόκειται για τη μεγαλύτερη υπολογιστική προσπάθεια που έχει γίνει ποτέ.


Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»




Διαβάστε στο «Ρ»
Ο καιρός
Weather data from openweathermap.org