close

Zaawansowany program do symulacji i obliczeń

Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania

Advanced Simulation and Computing Program lub ASC ( do 2005 r. – Accelerated Strategic Computing Initiative , lub ASCI ) to inicjatywa rządu USA mająca na celu stworzenie superkomputerów , które umożliwiłyby Stanom Zjednoczonym monitorowanie stanu ich arsenału jądrowego po ogłoszeniu w październiku 1992 r. moratorium na próby broni jądrowej , przedłużenie moratorium w lipcu 1993 r. oraz dobrowolne przestrzeganie od 1996 r. warunków Traktatu o całkowitym zakazie prób jądrowych (traktat został podpisany przez prezydenta USA, ale nie został jeszcze ratyfikowany przez Senat).

W programie wzięły udział trzy Amerykańskie Laboratoria Narodowe zaangażowane w rozwój i kontrolę arsenału nuklearnego kraju : Livermore National Laboratory , Los Alamos National Laboratory i Sandia National Laboratory (niejądrowe komponenty broni jądrowej).

Cele i zadania

Image
Porównanie wzrostu wydajności „obiecanego” przez prawo Moore'a z wydajnością superkomputerów, która miała zostać osiągnięta w ciągu 10 lat programu ASCI

Program wywodzi się z Inicjatywy Informatyki Strategicznej  (Język angielski) (Rosyjski, zainicjowanej w 1983 r. w ramach Strategicznej Inicjatywy Obronnej , której celem było stworzenie do 1993 r. systemów komputerowych sztucznej inteligencji. Program ten nie powiódł się, jego finansowanie zostało obcięte, programowi nadano nową nazwę, a cel programu stał się mniej ambitny – stworzenie superkomputerów do obsługi amerykańskiego arsenału nuklearnego .

Program pierwotnie nosił nazwę „ Accelerated Strategic Computing Initiative ” (ASCI), dosłownie „Accelerated Strategic Computing Initiative”. Został „ przyspieszony ”, ponieważ w ciągu 10 lat konieczne było stworzenie sprzętu i oprogramowania zdolnego do pełnej symulacji wybuchów jądrowych i termojądrowych, wykorzystując doświadczenie istniejących inżynierów i naukowców, którzy byli w stanie porównać stare dane z prawdziwych testów („dane starsze”). z danymi wydanymi przez modele komputerowe i potwierdzić dokładność symulacji. Wcześniej programy używane w laboratoriach były dość proste. Wyniki tych programów można było łatwo zweryfikować za pomocą testów jądrowych. Dlatego programy symulowały fizykę procesów wybuchowych w przestrzeni jedno- lub dwuwymiarowej. Uproszczenia spowodowała też ograniczona moc superkomputerów lat 80. i początku 90. Aby w pełni zasymulować eksplozję, potrzebny był trójwymiarowy model. Według ekspertów z Livermore National Laboratory, aby osiągnąć wymaganą dokładność wyników, konieczne było zbudowanie superkomputerów o mocy obliczeniowej ponad 100 Tflops (czyli 100 bilionów operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę ). Oznaczało to skok wydajności 7000 razy, ponieważ najpotężniejszy komputer dostępny w Livermore Lab w tamtym czasie miał wydajność 13,7 Gflops (13,7 miliarda operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę). Aby zrealizować cele programu ASCI w ciągu 10 lat, trzeba było kilka tysięcy razy wyprzedzić prawo Moore'a , aby stworzyć technologie obliczeniowe o dużej szybkości, które jeszcze nie istniały [1] .

Zaplanowano osiągnięcie kamienia milowego 100 Tflops w kilku etapach:

  • I etap: do końca 1996 roku - stworzenie maszyny o pojemności 1 Tflops
  • II etap: koniec 1999 r. - wszystkie laboratoria muszą posiadać maszyny o wydajności 3 Tflops
  • III etap: do końca 2000 r. - zdobądź 10 teraflopów
  • czwarty etap: w 2002 r. - zdobądź 30 teraflopów
  • piąty etap: w połowie 2003 - 60 Tflops
  • w 2005 - superkomputer o mocy obliczeniowej 100 Tflops

Na każdym etapie moc nowego superkomputera miała wzrosnąć około 2,5 razy w stosunku do poprzedniego.

Postęp programu

W styczniu 1995 roku na spotkaniu szefów działów obliczeniowych trzech Laboratoriów zdecydowano, że wszystkie komputery w programie ASCI będą wykorzystywały architekturę pamięci rozproszonej masowo równoległej z minimalną ilością wyspecjalizowanych komponentów. Wybór architektury masowo równoległej opartej na powszechnie dostępnych procesorach komercyjnych był jak na tamte czasy bardzo nietypowy i ryzykowny. Pomimo tego, że Laboratoria eksperymentują z tą architekturą od dłuższego czasu – ponad 10 lat za najbardziej obiecujący kierunek uznano architektury wieloprocesorowe oparte na specjalizowanych procesorach wektorowych z pamięcią dzieloną, kierunek, w którym wiodący producenci superkomputerów przeniesione: NEC , Fujitsu , Hitachi , Cray .

Na tym samym spotkaniu zdecydowano, że pierwszy komputer 1 Tflops zostanie zainstalowany w Sandia Laboratories w Albuquerque i będzie współdzielony przez wszystkie Laboratoria do czasu otrzymania kopii. Wybór Sandia Laboratories był również niezwykły, ponieważ Sandia Laboratories zajmowały się niejądrowymi komponentami broni jądrowej i tym samym mniej ucierpiały z powodu nałożenia całkowitego zakazu prób jądrowych [2] .

W styczniu 1995 roku zbudowanie komputera 1 Tflops (na teście Linpacka) wyglądało jak science fiction. Jeszcze bardziej fantastyczny był wymóg zbudowania takiego komputera w niecałe dwa lata. Najpotężniejszymi superkomputerami w rankingu MP-Linpack w tym czasie były komputer Numerical Wind Tunnel z Japan National Aerospace Laboratory ( w języku angielskim ) (maksymalnie 170 Gflops - szczyt 235,79 Gflops) oraz system Intel Paragon zainstalowany w Sandia Laboratories (3744 procesory w 1993 : maksymalnie 143 Gflops - szczytowo 184 Gflops, 6768 procesorów w 1994: 281 Gflops), czyli mniej niż 1/5 wymaganej mocy. Większość ekspertów zgodziła się, że „bariera teraflopa” zostanie pokonana dopiero do końca XX wieku, a program ASCI wymagał, aby zostało to zrobione cztery lata przed tą datą – do końca 1996 roku [2] .

Wcześniej każde Laboratorium samodzielnie dokonywało zakupów komputerów. Teraz komputery w ramach programu ASCI musiały zostać zakupione w oparciu o wymagania wszystkich trzech laboratoriów. Zakupu pierwszego komputera należało dokonać w 1995 roku, ale oficjalny budżet programu ASCI rozpoczął się dopiero w 1996 roku i miał zostać przyjęty dopiero w listopadzie 1995 roku. W przypadku pierwszego superkomputera ASCI Red zdecydowano się wykorzystać pieniądze z Funduszu Transferu Technologii, które po zakończeniu zimnej wojny zostały przeznaczone dla Laboratoriów na „konwersję” [2] .

Laboratoria otrzymały polecenie opracowania specyfikacji istotnych warunków zamówienia, dla których firmy zamawiające będą przedstawiać swoje propozycje. Na spotkaniu szefów działów obliczeniowych trzech laboratoriów wybuchła dyskusja na temat tego, która z opcji architektury równoległej jest lepsza. Specjaliści z laboratorium Sandia przyjęli wariant z systemem masowo równoległym ( MPP ) z pamięcią rozproszoną, a przedstawiciele laboratoriów Livermore i Los Alamos uznali za najbardziej akceptowalny wariant klastrów węzłów wieloprocesorowych ( SMP ) z pamięcią współdzieloną. Druga opcja wydawała się bardziej korzystna również dlatego, że kontrahenci byliby bardziej skłonni się na nią zgodzić: technologia maszyn wieloprocesorowych była łatwo przekształcana w produkt rynkowy do masowej produkcji, dzięki czemu potencjalny wykonawca nie musiałby poświęcać czasu i wysiłku na rozwój i opanowanie technologia, na którą jest tylko jeden nabywca – rząd USA. Obie opcje zostały opisane na tablicy: wariant Sandia Lab w czerwonym flamastrze, a wariant Livermore i Los Alamos Lab w kolorze niebieskim. Wybór komplikował fakt, że jeszcze w 1995 roku nie było jeszcze wiadomo, w którą stronę pójdą technologie procesorów, pamięci i połączeń sieciowych, dlatego postawienie na jedno rozwiązanie architektoniczne wyglądało bardzo ryzykownie. Postanowiliśmy wypróbować obie opcje, pomimo napiętych ograniczeń budżetowych. Wariant laboratoryjny Sandia (opisany czerwonym flamastrem) został najpierw zaimplementowany w ASCI Red („czerwony”) jako superkomputer pierwszego etapu , a wariant laboratoryjny Livermore i Los Alamos (opisany niebieskim flamastrem) rok później – w ASCI Blue („niebieskim”) jako superkomputer drugiego stopnia oraz w dwóch egzemplarzach: ASCI Blue Pacific (dla Livermore Laboratory) i ASCI Blue Mountain (dla Los Alamos Laboratory) [3] . Kontrakt na budowę ASCI Blue Pacific został przyznany firmie IBM, a kontrakt na budowę ASCI Blue Mountain  został przyznany firmie Silicon Graphics .

Po zainstalowaniu systemów ASCI Blue i uaktualnieniu ASCI Red do listopada 1999 r. superkomputery trzech laboratoriów zajęły pierwsze trzy pozycje na liście TOP500 [4] : ASCI Red z wydajnością 2,3 Tflops, ASCI Blue Pacific - 2,1 Tflops i ASCI Blue Mountain - 1, 6 Tflops. W ciągu zaledwie czterech lat program ASCI zwiększył moc superkomputerów 90-krotnie [5] .

Oprogramowanie

Wybór architektury masowo równoległej dla przyszłych maszyn oznaczał również, że istniejące programy do symulacji komputerowych musiały zostać przepisane i zoptymalizowane, aby w pełni wykorzystać tę architekturę.

Aby stworzyć nowe oprogramowanie, Laboratoria zrezygnowały ze starej metody "kodu bohatera", kiedy każdy program był tworzony i "utrzymywany" przez jednego lub kilku inżynierów. Na przykład program DYNA3D , który był używany w Livermore Laboratory do symulacji uderzenia fali uderzeniowej wybuchu w otaczające obiekty, był prowadzony przez jednego pracownika laboratorium, Johna O. Holquista, przez 12 lat. W Laboratoriach powstały zespoły programistów liczące 20-30 osób, które przez kilka lat w ścisłej współpracy z fizykami sprawdzającymi jakość wyników symulacji tworzyły pakiety oprogramowania dla przyszłych komputerów [6] .

Wyniki programu

Pierwsza pełnoprawna trójwymiarowa symulacja detonacji pierwszego stopnia bomby termojądrowej („zapalnik jądrowy”) została przeprowadzona w grudniu 1999 roku w Livermore Laboratory na superkomputerze ASCI Blue Pacific . Symulacja trwała 492 godziny na 1000 procesorach, wykorzystywała 640 000 MB pamięci i wygenerowała 6 terabajtów danych w postaci 50 000 plików graficznych [7] . Trójwymiarowa symulacja drugiego etapu wybuchu („spalanie paliwa fuzyjnego”) została przeprowadzona w kwietniu 2000 roku w laboratorium Los Alamos. We wrześniu 2002 roku w Livermore Laboratory przeprowadzono pełną kombinowaną symulację obu etapów wybuchu termojądrowego [8] .

Program osiągnął swoje cele w 2005 roku wraz z uruchomieniem superkomputera ASC Purple . Następnie program otrzymał nową obecną nazwę „Advanced Simulation and Computing Program” (ASC).

Superkomputery

Komputery zainstalowano w trzech krajowych laboratoriach zajmujących się zagadnieniami broni jądrowej: Livermore National Laboratory , Los Alamos National Laboratory , Sandia National Laboratories [9] . Niektóre superkomputery stworzone w ramach tego programu znalazły się na liście TOP500 : ASCI Red , ASCI White , Blue Gene/L , Sequoia .

Rok Nazwa Miejsce instalacji Charakterystyka systemu
1997 Czerwony ASCI Sandia National Laboratories Masowo równoległy system komputerowy oparty na procesorach Intel Pentium Pro. Pierwszy superkomputer, który osiągnął ponad 1 bilion flopów (1 Tflops ) wydajności. Po aktualizacji w 1999 r. osiągnięto wydajność 3,2 Tflops . Wycofany z eksploatacji 29 czerwca 2006 r . [10] .
1998 Błękitna Góra ASCI Narodowe Laboratorium Los Alamos system firmy Silicon Graphics / Cray Research oparty na klastrze wieloprocesorowych serwerów SGI Origin 2000 ( angielski ) z procesorami MIPS R10000 . Osiągnięto wydajność 3,1 TFlops . Wycofany z eksploatacji 8 listopada 2004 r.
1999 ASCI Niebieski Pacyfik Laboratorium Narodowe w Livermore klaster komputerowy na serwerach wieloprocesorowych IBM RS/6000 SP . Osiągnięto wydajność 3,8 Tflops .
2000 ASCI biały Laboratorium Narodowe w Livermore klaster komputerowy na serwerach wieloprocesorowych IBM RS/6000 SP . Osiągnięto wydajność 12 Tflops . Wycofany z eksploatacji 27 lipca 2006 r.
2001 Cplant Sandia National Laboratories rozwój wewnętrzny, klaster Linux oparty na procesorach DEC Alpha EV6. Osiągnięto wydajność 1,3 Tflops .
2002 ASCI Q Narodowe Laboratorium Los Alamos klaster komputerowy AlphaServer SC45 na serwerach DEC/Compaq/HP AlphaServer ES45 [11] . Osiągnięto wydajność 20 Tflops .
2003 Klaster ASCI Linux Laboratorium Narodowe w Livermore
2003 Błyskawica Narodowe Laboratorium Los Alamos
2005 ASC Czerwona Burza Sandia National Laboratories masowo równoległa maszyna firmy Cray Inc. oparty na procesorach AMD Opteron i architekturze Cray XT3 ( angielski ) . Zamiennik przestarzałego ASCI Red , który pracował w laboratorium od prawie 10 lat . Zlikwidowany w maju 2012 r. [12] .
2005 A.S.C Fioletowy Laboratorium Narodowe w Livermore system masowo równoległy oparty na procesorach IBM POWER5 . Osiągnięto 100 teraflopów celu wydajności ASCI. Wycofany z eksploatacji 9 listopada 2010 r.
2005 Niebieski gen/L Laboratorium Narodowe w Livermore system masowo równoległy oparty na architekturze IBM Blue Gene/L z procesorami PowerPC 440 . Osiągnięto 360 teraflopów wydajności, znacznie przekraczając cele programu ASCI
2012 sekwoja Laboratorium Narodowe w Livermore system masowo równoległy oparty na architekturze IBM Blue Gene/Q z procesorami PowerPC A2

Zobacz także

  • Inicjatywa w zakresie obliczeń strategicznych _

Literatura

Notatki

  1. ↑ Dostarczanie wiedzy, 2009 , s. 42.
  2. ↑ 1 2 3 Dostarczanie wiedzy, 2009 , s. 74.
  3. ↑ Dostarczanie wiedzy, 2009 , s. 82-85.
  4. ↑ TOP 10 witryn na listopad 1999 . Data dostępu: 05.10.2013. Zarchiwizowane z oryginału 25.09.2013.
  5. ↑ Dostarczanie wiedzy, 2009 , s. 86.
  6. ↑ Dostarczanie wiedzy, 2009 , s. 42-44.
  7. ↑ Lawrence Livermore National Laboratory lipiec/sierpień 2002 (link niedostępny) . Źródło 31 maja 2013. Zarchiwizowane z oryginału w dniu 4 października 2013. 
  8. ↑ Dostarczanie wiedzy, 2009 , s. 187.
  9. ↑ Dostarczanie wiedzy, 2009 , s. 23.
  10. ↑ ASCI Red firmy Sandia, pierwszy na świecie superkomputer teraflopowy, zostaje wycofany z eksploatacji . Pobrano 1 września 2013 r. Zarchiwizowane z oryginału 29 września 2013 r.
  11. ↑ System ASCI Q w Los Alamos autorstwa Johna Morrisona, LANL . Pobrano 31 sierpnia 2013. Zarchiwizowane z oryginału w dniu 29 września 2013.
  12. ↑ Superkomputer Sandia Red Storm opuszcza światową scenę . Pobrano 21 sierpnia 2013. Zarchiwizowane z oryginału w dniu 23 marca 2014.

Linki

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