C2115 Praktický úvod do superpočítání -1-1. lekce
C2115
Praktický úvod do
superpočítání
1. lekce
Petr Kulhánek
kulhanek@chemi.muni.cz
Národní centrum pro výzkum biomolekul, Přírodovědecká fakulta
Masarykova univerzita, Kamenice 5, CZ-62500 Brno
Revize 3
C2115 Praktický úvod do superpočítání -2-1. lekce
Obsah
➢ Historie, využití a budoucnost výpočetní techniky
➢ Přehled výpočetních center ČR
MetaCentrum, CERIT-SC, IT4 Innovation
➢ Zahraniční výpočetní centra
centra dostupná pro zájemce z ČR, Top500
C2115 Praktický úvod do superpočítání -3-1. lekce
Historie
http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_computing_hardware
1985 Cray 2 1,9 GFLOPS
http://www.root.cz
Pavel Tišnovský, Unixové vykopávky1800 počátky děrných štítků
1946 ENIAC
1947 objev tranzistoru
1971 Intel 4004 (4 bit)
1974 Intel 8080 (8 bit)
1976 Intel 8086 (16 bit)
1985 Intel 80386 (32 bit)
2001 IA-64 (64 bit)
2003 AMD64/EM64T (64 bit)
proprietární vektorové CPU
2010 Intel Core i7 980X: @3,33 GHz
(6C/12T, Turbo@3,46 GHz): 109 GFLOPS
zdroj: wikipedia.org, intel.com
C2115 Praktický úvod do superpočítání -4-1. lekce
Využití výpočetní techniky
Výpočetní technika (počítače) zasáhla do všech odvětví lidské činnosti a stala se nedílnou
součástí našich životů. Dopomohl k tomu především bouřlivý vývoj v posledních 20 letech.
Výpočetní techniku používáme pro zábavu, k zpracovávání a konzumování informací.
Výpočetní technika (a hlavně superpočítače) se využívají k řešení numericky náročných
problémů jako jsou:
➢ simulace počasí, klimatologických a geologických změn (šíření záplav, vln tsunami,
zemětřesení)
➢ návrh nových materiálu a léčiv
➢ modelovaní ekonomického vývoje
➢ vědeckotechnické výpočty (chemie, fyzika, matematika, biologie)
➢ vojenské účely (simulace jaderných zbraní)
➢ hledání souvislostí v datech (big data)
➢ umělá inteligence, autonomní řízení …
C2115 Praktický úvod do superpočítání -5-1. lekce
Budoucnost
http://www.humanbrainproject.eu/
Simulátor lidského mozku …
Hardware:
• snižování spotřeby ….
• zvyšování výkonu ….
• masivní využití GPGPU ...
• speciální hardware: TPU, Intel Phi, ARM
• kvantové akcelerátory
Big Data ...
Autonomní řízení ...
Kvantové počítaní ….
https://www.humanbrainproject.eu/en/follow-hbp/news/animation-exploring-brain-scales-in-90-seconds/
umělá inteligence ….
D-wave
dwavesys.com
Tensor processing unit (TPU)
google.com
C2115 Praktický úvod do superpočítání -6-1. lekce
Budoucnost - kvantové počítání
Kvantová výpočetní technika je rychle se
rozvíjející technologie, která využívá zákony
kvantové mechaniky k řešení problémů příliš
složitých pro klasické počítače.
https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_computing
C2115 Praktický úvod do superpočítání -7-1. lekce
Výpočetní centra
v ČR
e-INFRA CZ (https://www.e-infra.cz/)
▪ unikátní e-infrastruktura pro výzkum a vývoj v ČR
▪ poskytuje kapacity a zdroje pro přenos, ukládání a zpracování vědeckých
a výzkumných dat
C2115 Praktický úvod do superpočítání -8-1. lekce
MetaCentrum
http://www.metacentrum.cz/
Metacentrum poskytuje nástroje pro náročné výpočty a zpracování dat různorodým
uživatelům napříč obory od jednotlivců (typicky student nebo výzkumný pracovník) až po
velké vědeckovýzkumné týmy. Zdroje MetaCentra (výpočetní a úložné kapacity, software,
speciální hardware, síť) realizující potřeby uživatelů jsou také nehomogenní, disponující
různými vlastnostmi, schopnostmi i omezeními.
Výpočetní a úložné zdroje do MetaCentra vkládá CESNET, CERIT-SC a jednotlivé vysoké
školy nebo ústavy Akademie věd ČR a jsou rozprostřené geograficky napříč celou ČR a
integrované se službami Oddělení datových úložišť CESNETu, které poskytují úložné
kapacity pro dlouhodobé uchování dat, zálohování a archivaci.
MetaCentrum koordinuje pořizování nákladného programového a aplikačního vybavení,
zajišťuje centrální nákup a správu licencí vybraného licencovaného SW.
C2115 Praktický úvod do superpočítání -9-1. lekce
MetaCentrum VO
Sdružuje výpočetní zdroje poskytované MetaCentrem, projektem CERIT-SC a dalšími
partnery.
http://metavo.metacentrum.cz/
▪ Účet může získat student libovolné vysoké školy ČR.
▪ Přístup není vázán na konkrétní projekt a je udělen na 1 rok.
▪ Prodloužení přístupu je podmíněno odevzdáním výroční zprávy.
• OS Debian
• Stav 2023
• cca 2800 CPU jader
• cca 400 GPU akcelerátorů
• kapacita datových úložišť ~15 PB, ~20 PB archivačních úložných prostorů
C2115 Praktický úvod do superpočítání -10-1. lekce
MetaCentrum VO
Sdružuje výpočetní zdroje poskytované MetaCentrem, projektem CERIT-SC a dalšími
partnery.
http://metavo.metacentrum.cz/
▪ Účet může získat student libovolné vysoké školy ČR.
▪ Přístup není vázán na konkrétní projekt a je udělen na 1 rok.
▪ Prodloužení přístupu je podmíněno odevzdáním výroční zprávy.
• OS Debian
• Stav 2023
• cca 2800 CPU jader
• cca 400 GPU akcelerátorů
• kapacita datových úložišť ~15 PB, ~20 PB archivačních úložných prostorů
C2115 Praktický úvod do superpočítání -11-1. lekce
IT4 Innovation
http://www.it4i.cz/
IT4Innovations nabízí své výpočetní systémy pro řešení úloh ve výzkumu a vývoji
především pro akademická pracoviště a další výzkumné instituce v České republice. Část
kapacity je pak dedikována pro rozvoj spolupráce mezi akademickou sférou a
průmyslovými partnery, či pro samostatné využití průmyslovými podniky.
O výpočetní čas si instituce mohou zažádat v rámci veřejných grantových soutěží, které
jsou vypisovány 3x ročně (únor, červen, říjen) pro zaměstnance výzkumných, vědeckých a
vzdělávacích organizací.
IT4Innovations pomáhá českým zájemcům také při získání výpočetního času v evropských
superpočítačových centrech sdružených iniciativou PRACE.
C2115 Praktický úvod do superpočítání -12-1. lekce
Výpočetní centra
v zahraničí
C2115 Praktický úvod do superpočítání -13-1. lekce
PRACE
http://www.prace-ri.eu/
Project Types:
➢ Multi-year Access is available to major European projects or infrastructures that can
benefit from PRACE resources and for which Project Access is not appropriate.
➢ Project Access is intended for individual researchers and research groups including
multi-national research groups and has a one year duration. Calls for Proposals for
Project Access are issued twice yearly (February and September).
➢ Preparatory Access is intended for resource use required to prepare proposals for
Project Access. Applications for Preparatory Access are accepted at any time.
PRACE: Partnership for Advanced Computing in Europe
C2115 Praktický úvod do superpočítání -14-1. lekce
PRACE - členové
Austria: JKU - Johannes Kepler University of Linz
Belgium: DGO6-SPW - Direction générale opérationnelle de l’Économie, de l’Emploi et de la Recherche – Service Public de Wallonie
Bulgaria: NCSA - Executive agency "Electronic communication networks and information systems"
Cyprus: CaSToRC – Computation-based Science and Technology Research Center, The Cyprus Institute
Czech Republic: VŠB - Technical University of Ostrava
Denmark: DeIC - Danish e-Infrastructure Cooperation
Finland: CSC - IT Center for Science Ltd.
France: GENCI - Grand Equipement National de Calcul Intensif
Germany: GCS - GAUSS Centre for Supercomputing e.V
Greece: GRNET - Greek Research and Technology Network S.A.
Hungary: NIIFI - National Information Infrastructure Development Institute
Ireland: ICHEC - Irish Centre for High-End Computing
Israel: IUCC - Inter-University Computation Center
Italy: CINECA - Consorzio Interuniversitario
Norway: SIGMA – UNINETT Sigma AS – The Norwegian Metacenter for Computational Science
The Netherlands: SURFSARA: SARA Computing and Networking Services
Poland: PSNC – Instytut Chemii Bioorganicznej Pan – Institute of Bioorganic Chemistry – Poznan Supercomputing and Networking
Center
Portugal: Universidade de Coimbra
Serbia: IPB - Institute of Physics Belgrade
Slovenia: ULFME - University of Ljubljana, Faculty of Mechanical Engineering
Spain: BSC – Barcelona Supercomputing Center – Centro Nacional de Supercomputación
Sweden: Vetenskapsrådet – Swedish Research Council
Switzerland: ETH – Eidgenössische Technische Hochschule Zürich – Swiss Federal Institute of Technology, Zürich
Turkey: UYBHM – Ulusal Yuksek Basarimli Hesaplama Merkezi, Istanbul Technical University – National Center for High Performance
Computing
UK: EPSRC – The Engineering and Physical Sciences Research Council
C2115 Praktický úvod do superpočítání -15-1. lekce
TOP500
TOP500 benchmark
Our simple TOP500 approach does not define “supercomputer” as such, but we use a
benchmark to rank systems and to decide on whether or not they qualify for the TOP500
list. The benchmark we decided on was Linpack, which means that systems are ranked only
by their ability to solve a set of linear equations, A x = b, using a dense random matrix A.
http://www.top500.org/
TOP500 je projekt, který udržuje seznam 500 nejrychlejších počítačů na světe.
Listopad 2012
C2115 Praktický úvod do superpočítání -16-1. lekce
TOP500 – Typ použití / Výrobce
Průmysl
Výzkum
Akademické využití
IBM
HPE
CRAY
Jiní
C2115 Praktický úvod do superpočítání -17-1. lekce
TOP500 – CPU jádra
cca 2007
2020
C2115 Praktický úvod do superpočítání -18-1. lekce
TOP500 – Akcelerátory/Koprocesory
cca 2007
PHI
2020
C2115 Praktický úvod do superpočítání -19-1. lekce
TOP500 – Akcelerátory/Koprocesory
cca 2007
PHI
2020
C2115 Praktický úvod do superpočítání -20-1. lekce
TOP500 – OS
LINUX
UNIX
2020
MetaCentrum (Debian)
CERIT-SC (CentOS)
IT4I (CentOS)
WOLF (Ubuntu)
C2115 Praktický úvod do superpočítání -21-1. lekce
Zajímavosti
http://www.youtube.com/watch?v=UJPsIu9OaTc
K – computer, 3. místo, 2012
TITAN, 1. místo, 2012
https://www.youtube.com/watch?v=AdylAE1lgg0
https://www.youtube.com/watch?v=t0HDwE3mGP0
Sunway TaihuLight, 1. místo, 2017
Fugaku, 1. místo, 2021
https://www.youtube.com/watch?v=v1z4oENZJtY
C2115 Praktický úvod do superpočítání -22-1. lekce
Cvičení 1
1. Co udává jednotka FLOPS?
2. Jak se jmenuje nejrychlejší superpočítač uvedený v žebříčku TOP500? Jaký je jeho
výkon a energetická spotřeba? Jaký typ CPU používá?
3. Na jakou pozici se posunul superpočítač FUGAKU, který byl na první pozici v žebříčku
TOP500 v roce 2021?
4. V roce 2015 činila průměrná spotřeba energie v ČR na byt 3 279 kWh (ENERGO 2015).
Kolik bytů by pokrylo svoji roční spotřebu energie, kterou spotřebovává nejvýkonnější
počítač světa dle žebříčku TOP500?
5. Odhadněte na co se elektrická energie v superpočítači přemění a v jakém
procentuálním zastoupení.
6. Jak se jmenují superpočítače v IT4I?
7. Z čeho se skládají (uveďte klíčové technologie)?
8. Na jaké příčce žebříčku TOP500 se nacházejí?
C2115 Praktický úvod do superpočítání -23-1. lekce
TOP500-
1995-2012
starší, ale přehlednější grafy …
C2115 Praktický úvod do superpočítání -24-1. lekce
TOP500 – Topologie
symmetric multiprocessing
(CPU mají společnou paměť)
massively parallel processing
(CPU mají vlastní paměť)
(uzel má více CPU než je uzlů celkem)
(uzel má méně CPU než je uzlů celkem)
C2115 Praktický úvod do superpočítání -25-1. lekce
TOP500 – CPU architektura
C2115 Praktický úvod do superpočítání -26-1. lekce
TOP500 – Typ použití
C2115 Praktický úvod do superpočítání -27-1. lekce
TOP500 – Akcelerátory/Koprocesory