close

Pokročilý simulační a výpočetní program

Přejít na navigaci Přejít na hledání

Advanced Simulation and Computing Program neboli ASC ( do roku 2005 – Accelerated Strategic Computing Initiative nebo ASCI ) je vládní iniciativa USA s cílem vytvořit superpočítače , které by umožnily Spojeným státům monitorovat stav jejich jaderného arzenálu po oznámení v říjnu 1992. moratorium na jaderné zbraně testy , prodloužení moratoria v červenci 1993 a dobrovolné dodržování podmínek Smlouvy o úplném zákazu jaderných zkoušek (smlouva byla podepsána prezidentem USA, ale dosud nebyla ratifikována Senát).

Programu se zúčastnily tři americké národní laboratoře zapojené do vývoje a kontroly jaderného arzenálu země : Livermore National Laboratory , Los Alamos National Laboratory a Sandia National Laboratory (nejaderné součásti jaderných zbraní).

Cíle a cíle

Image
Porovnání růstu výkonu „slíbeného“ Moorovým zákonem s výkonem superpočítačů, kterého mělo být dosaženo za 10 let programu ASCI

Program pochází z iniciativy Strategic Computing Initiative  (Angličtina) (ruština, zahájená v roce 1983 jako součást Strategické obranné iniciativy , jejímž cílem bylo do roku 1993 vytvořit počítačové systémy umělé inteligence. Tento program selhal, jeho financování bylo zkráceno, program dostal nové jméno a cíl programu se stal méně ambiciózním – vytvoření superpočítačů pro obsluhu amerického jaderného arzenálu .

Program se původně jmenoval „ Accelerated Strategic Computing Initiative “ (ASCI), doslova „Accelerated Strategic Computing Initiative“. Byl „ zrychlen “, protože za 10 let bylo potřeba vytvořit hardware a software schopný plně simulovat jaderné a termonukleární výbuchy s využitím zkušeností stávajících inženýrů a vědců, kteří byli schopni porovnat stará data ze skutečných testů („starší data“). s daty vydanými počítačovými modely a potvrdit přesnost simulací. Předtím byly programy používané v laboratořích poměrně jednoduché. Výsledky těchto programů byly snadno ověřeny pomocí jaderných testů. Proto programy simulovaly fyziku procesů výbuchu v jedno- nebo dvourozměrném prostoru. Zjednodušení byla způsobena také omezeným výkonem superpočítačů 80. a počátku 90. let. Pro plnou simulaci exploze byl vyžadován trojrozměrný model. Podle odborníků z Livermore National Laboratory bylo k dosažení požadované přesnosti výsledků nutné postavit superpočítače s výpočetním výkonem přes 100 Tflops (tedy 100 bilionů operací s pohyblivou řádovou čárkou za sekundu ). To znamenalo 7000násobný skok ve výkonu, protože nejvýkonnější počítač dostupný pro Livermore Lab měl v té době výkon 13,7 Gflops (13,7 miliardy operací s pohyblivou řádovou čárkou za sekundu). K naplnění cílů programu ASCI za 10 let bylo potřeba několikatisíckrát překonat Moorův zákon , vytvořit vysokorychlostní výpočetní technologie, které ještě neexistovaly [1] .

Bylo plánováno dosáhnout milníku 100 Tflops v několika fázích:

  • první etapa: do konce roku 1996 - vytvořit stroj s kapacitou 1 Tflops
  • druhá etapa: na konci roku 1999 - všechny laboratoře musí mít stroje s kapacitou 3 Tflops
  • třetí etapa: do konce roku 2000 - získejte 10 teraflopů
  • čtvrtá fáze: v roce 2002 - získejte 30 teraflopů
  • pátá etapa: v polovině roku 2003 - 60 Tflops
  • v roce 2005 - superpočítač s výpočetním výkonem 100 Tflops

V každé fázi se měl výkon nového superpočítače zvýšit zhruba 2,5krát oproti předchozímu.

Průběh programu

V lednu 1995 bylo na poradě vedoucích výpočetních oddělení tří laboratoří rozhodnuto, že všechny počítače v programu ASCI budou využívat masivně paralelní distribuovanou paměťovou architekturu s minimem specializovaných komponent. Volba masivně paralelní architektury založené na běžně dostupných komerčních procesorech byla na tehdejší dobu velmi neobvyklá a riskantní. Navzdory tomu, že Laboratoře s touto architekturou experimentují již delší dobu – více než 10 let, za nejslibnější směr byly považovány multiprocesorové architektury založené na specializovaných vektorových procesorech se sdílenou pamětí, směr, kterým se přední výrobci superpočítačů přesunuty: NEC , Fujitsu , Hitachi , Cray .

Na stejné schůzce bylo rozhodnuto, že první počítač 1 Tflops bude nainstalován v Sandia Laboratories v Albuquerque a bude sdílen všemi laboratořemi, dokud nedorazí kopie. Volba laboratoří Sandia byla rovněž neobvyklá, protože laboratoře Sandia se zabývaly nejadernými součástmi jaderných zbraní, a proto méně trpěly uložením úplného zákazu jaderných zkoušek [2] .

V lednu 1995 vypadalo sestavení počítače 1 Tflops (v testu Linpack) jako sci-fi. Ještě fantastickější byl požadavek postavit takový počítač za méně než dva roky. Nejvýkonnějšími superpočítači v hodnocení MP-Linpack byly v té době počítač Numerical Wind Tunnel japonské národní letecké laboratoře ( anglicky ) (maximálně 170 Gflops - špičkových 235,79 Gflops) a systém Intel Paragon instalovaný v Sandia Laboratories (3744 procesorů v 1993: maximum 143 Gflops - špičkových 184 Gflops; 6768 procesorů v roce 1994: 281 Gflops), tj. méně než 1/5 požadovaného výkonu. Většina odborníků se shodla na tom, že „teraflopová bariéra“ bude překonána až do konce 20. století a program ASCI požadoval, aby se tak stalo čtyři roky před tímto datem – do konce roku 1996 [2] .

Předtím si každá laboratoř nakupovala počítače sama. Nyní bylo nutné na základě požadavků všech tří laboratoří zakoupit počítače pod programem ASCI. Nákup prvního počítače měl být proveden v roce 1995, ale oficiální rozpočet programu ASCI začal až v roce 1996 a měl být přijat až v listopadu 1995. Pro první superpočítač ASCI Red bylo rozhodnuto použít peníze z fondu pro transfer technologií, které byly přiděleny Laboratories na „konverzi“ po skončení studené války [2] .

Laboratoře byly pověřeny vypracováním zadání, pro které by smluvní společnosti předložily své návrhy. Na schůzce vedoucích výpočetních oddělení tří Laboratoří se rozhořela diskuse o tom, kterou z možností paralelní architektury je lepší použít. Specialista laboratoře Sandia se držel varianty s masivně paralelním ( MPP ) systémem s distribuovanou pamětí a zástupci laboratoří Livermore a Los Alamos považovali za nejpřijatelnější variantu shluků multiprocesorových uzlů ( SMP ) se sdílenou pamětí. Druhá možnost vypadala vhodnější také proto, že dodavatelé by s ní byli ochotnější souhlasit: technologie víceprocesorových strojů byla snadno přeměněna na tržní produkt pro hromadnou výrobu, takže potenciální dodavatel by nemusel vynakládat čas a úsilí na vývoj a zvládnutí technologie, pro kterou existuje pouze jeden kupec – vláda USA. Obě možnosti byly popsány na tabuli: varianta Sandia Lab v červeném fixu a varianta Livermore a Los Alamos Lab v modré barvě. Výběr komplikoval fakt, že v roce 1995 se ještě nevědělo, jakou cestou se vydají technologie procesorů, pamětí a síťových připojení, a proto sázka na jedno architektonické řešení vypadala velmi riskantně. Rozhodli jsme se vyzkoušet obě možnosti i přes napjatá rozpočtová omezení. Laboratorní varianta Sandia (popsána červenou fixou) byla implementována nejprve v ASCI Red („červená“) jako superpočítač první fáze a laboratorní varianta Livermore a Los Alamos (popsána modrou fixou) a o rok později - v ASCI Blue (“modrá”) jako superpočítač druhý stupeň a ve dvou kopiích: ASCI Blue Pacific (pro Livermore Laboratory) a ASCI Blue Mountain (pro Los Alamos Laboratory) [3] . Kontrakt na vybudování ASCI Blue Pacific byl udělen IBM a kontrakt na vybudování ASCI Blue Mountain  byl udělen Silicon Graphics .

Po instalaci systémů ASCI Blue a upgradu ASCI Red do listopadu 1999 obsadily superpočítače tří laboratoří první tři řádky seznamu TOP500 [4] : ​​ASCI Red s výkonem 2,3 Tflops, ASCI Blue Pacific - 2,1 Tflops a ASCI Modrá hora - 1, 6 Tflops. Za pouhé čtyři roky program ASCI zvýšil výkon superpočítačů 90krát [5] .

Software

Volba masivně paralelní architektury pro budoucí stroje také znamenala, že stávající počítačové simulační programy musely být přepsány a optimalizovány, aby bylo možné tuto architekturu plně využít.

Při vytváření nového softwaru Laboratories opustily starou metodu „hrdinského kódu“, kdy každý program vytvářel a „udržoval“ jeden nebo několik inženýrů. Například program DYNA3D , který byl použit v Livermore Laboratory k simulaci dopadu výbuchové rázové vlny na okolní předměty, provozoval jeden zaměstnanec laboratoře John O. Holquist 12 let. V laboratořích vznikly týmy programátorů o 20-30 lidech, kteří v průběhu několika let vytvářeli softwarové balíčky pro budoucí počítače v úzké spolupráci s fyziky, kteří kontrolovali kvalitu výsledků simulace [6] .

Výsledky programu

První plnohodnotná 3-rozměrná simulace detonace prvního stupně termonukleární bomby („jaderná pojistka“) byla provedena v prosinci 1999 v Livermore Laboratory na superpočítači ASCI Blue Pacific . Simulace trvala 492 hodin na 1000 procesorech, spotřebovala 640 000 MB paměti a vygenerovala 6 terabajtů dat v podobě 50 000 grafických souborů [7] . 3-rozměrná simulace druhé fáze exploze („spalování fúzního paliva“) byla provedena v dubnu 2000 v laboratoři Los Alamos. V září 2002 byla v Livermore Laboratory provedena úplná kombinovaná simulace obou fází termonukleární exploze [8] .

Program dosáhl svých cílů v roce 2005 uvedením superpočítače ASC Purple do provozu . Poté program dostal nový současný název „Advanced Simulation and Computing Program“ (ASC).

Superpočítače

Počítače byly instalovány ve třech národních laboratořích , které se zabývaly problematikou jaderných zbraní: Livermore National Laboratory , Los Alamos National Laboratory , Sandia National Laboratories [9] . Některé ze superpočítačů vytvořených v rámci tohoto programu byly zařazeny do seznamu TOP500 : ASCI Red , ASCI White , Blue Gene/L , Sequoia .

Rok název Místo instalace Charakteristika systému
1997 ASCI červená Sandia National Laboratories Masivně paralelní počítačový systém založený na procesorech Intel Pentium Pro. Vůbec první superpočítač, který dosáhl výkonu přes 1 bilion propadů (1 Tflops ). Po aktualizaci v roce 1999 bylo dosaženo výkonu 3,2 Tflops . Vyřazeno z provozu 29. června 2006 [10] .
1998 ASCI Modrá hora Národní laboratoř Los Alamos systém od Silicon Graphics / Cray Research založený na clusteru víceprocesorových serverů SGI Origin 2000 ( anglicky ) s procesory MIPS R10000 . Dosažený výkon 3,1 TFlops . Vyřazeno z provozu 8. listopadu 2004.
1999 ASCI Blue Pacific Národní laboratoř Livermore počítačový cluster na víceprocesorových serverech IBM RS/6000 SP . Bylo dosaženo výkonu 3,8 Tflops .
2000 ASCI bílá Národní laboratoř Livermore počítačový cluster na víceprocesorových serverech IBM RS/6000 SP . Bylo dosaženo výkonu 12 Tflops . Vyřazeno z provozu 27. července 2006.
2001 CPlant Sandia National Laboratories interní vývoj, linuxový cluster založený na procesorech DEC Alpha EV6. Bylo dosaženo výkonu 1,3 Tflops .
2002 ASCI Q Národní laboratoř Los Alamos počítačový cluster AlphaServer SC45 na serverech DEC/Compaq/HP AlphaServer ES45 [11] . Bylo dosaženo výkonu 20 Tflops .
2003 ASCI Linux Cluster Národní laboratoř Livermore
2003 Blesk Národní laboratoř Los Alamos
2005 A.S.C. Červená bouře Sandia National Laboratories masivně paralelní stroj od Cray Inc. založené na procesorech AMD Opteron a architektuře Cray XT3 ( anglicky ) . Náhrada za zastaralou ASCI Red , která v laboratoři fungovala téměř 10 let . Vyřazen z provozu v květnu 2012 [12] .
2005 A.S.C Purple Národní laboratoř Livermore masivně paralelní systém založený na procesorech IBM POWER5 . Dosaženo 100 teraflopů výkonnostního cíle ASCI. Vyřazeno z provozu 9. listopadu 2010
2005 Modrý gen/L Národní laboratoř Livermore masivně paralelní systém založený na architektuře IBM Blue Gene/L s procesory PowerPC 440 . Dosáhl 360 teraflopů výkonu, což daleko překračuje cíle programu ASCI
2012 sekvoje Národní laboratoř Livermore masivně paralelní systém založený na architektuře IBM Blue Gene/Q s procesory PowerPC A2

Viz také

  • Strategická počítačová iniciativa _

Literatura

Poznámky

  1. ↑ Delivering Insight, 2009 , str. 42.
  2. ↑ 1 2 3 Poskytování náhledu, 2009 , str. 74.
  3. ↑ Delivering Insight, 2009 , str. 82-85.
  4. ↑ TOP 10 stránek za listopad 1999 . Datum přístupu: 5. října 2013. Archivováno z originálu 25. září 2013.
  5. ↑ Delivering Insight, 2009 , str. 86.
  6. ↑ Delivering Insight, 2009 , str. 42-44.
  7. ↑ Lawrence Livermore National Laboratory červenec/srpen 2002 (odkaz není k dispozici) . Získáno 31. května 2013. Archivováno z originálu dne 4. října 2013. 
  8. ↑ Delivering Insight, 2009 , str. 187.
  9. ↑ Delivering Insight, 2009 , str. 23.
  10. ↑ Sandia's ASCI Red, první teraflopový superpočítač na světě, je vyřazen z provozu . Získáno 1. září 2013. Archivováno z originálu 29. září 2013.
  11. ↑ Systém ASCI Q v Los Alamos od Johna Morrisona, LANL . Získáno 31. srpna 2013. Archivováno z originálu dne 29. září 2013.
  12. ↑ Superpočítač Sandia Red Storm opouští světovou scénu . Získáno 21. srpna 2013. Archivováno z originálu dne 23. března 2014.

Odkazy

Zdroj — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Advanced_Simulation_and_Computing_Program&oldid=122032042