Superarvuti on väga suur jõudlusvõimega arvuti, millel on palju protsessoreid ja suur mälu. Selline masin suudab lahendada arvutusülesandeid palju kiiremini kui samal ajal valmistatud tavalised arvutid. Superarvutid on tavaliselt tuhandeid kordi kiiremad kui sama perioodi tavalised personaalarvutid ning on optimeeritud paralleelseks arvutustööks ja suureks andmeedastuseks. Neid kasutatakse ülesannetes, mis nõuavad väga palju aritmeetilisi operatsioone või suurt andmemahtu — näiteks ilmaprognoosid, koodide murdmine, geneetiline analüüs ja teaduslikud simulatsioonid.
Kuidas superarvutid töötavad
Superarvuti põhikomponendid on suured hulk töötlemismooduleid (CPU-d ja sageli ka GPU-d või muud kiirendajad), palju mälu, kiire sisevõrk, andmetalletus ja energia- ning jahutussüsteemid. Arvutused jaotatakse paljudele töötlemissõlmedele, mis töötavad paralleelselt — nii suureneb läbiarvutuskiirus märkimisväärselt. Tarkvarapoolselt kasutatakse spetsiaalseid programmeerimisraamistikke (näiteks MPI ja OpenMP), mis aitavad ülesandeid sõlmede vahel jaotada.
Peamised kasutusalad
- Ilmateadus ja ilmaprognooside modelleerimine — suured ruumilised ja ajaliselt peened mudelid.
- Krüptograafia ja koodide murdmine — jõudlus eksponentiaalselt lühendab raskete võtmete murdmise aega.
- Bioloogia ja meditsiin — geneetiline analüüs, molekulaarne dünaamika ja ravimite disain.
- Kosmoloogia ja füüsika — universumi simulatsioonid, tuumareaktsioonide modelleerimine.
- Tehisintellekti ja suurte masinõppe mudelite treenimine — süvaõppe mudelite õppimise kiirendamine.
- Nafta- ja gaasitööstuse seismilised modelleerimised, finants- ja riskianalüüs, suured andmetöötlusülesanded.
Disain ja tehnilised väljakutsed
Superarvutite ehitamisel tuleb arvestada mitme olulise probleemiga:
- Jahutus ja energiatarve: suured masinad vajavad tohutut võimsust ja efektiivseid jahutussüsteeme (vedeljahutus, suured ventilaatorid jm).
- Skaleeritavus: programmeerimise ja algoritmide kohandamine nii, et nad kasutaksid hästi ära tuhandeid protsessoreid.
- Tõrketaluvus: sageli peavad süsteemid jätkama tööd ka üksikute komponentide rikke korral — kasutatakse tarkvara- ja riistvarapõhist silumise ja taastamise lahendust.
- Ühenduvus: sõlmedevaheline kiire side (hästi optimeeritud interconnect) on kriitiline, et vähendada latentsust ja andmeedastusvõime pudelikaelu.
- Kulud: ehitus, töö- ja hoolduskulud ning energiatarve on väga suured.
Mõõtmine ja võrdlemine
Superarvutite jõudlust mõõdetakse tavaliselt FLOPS-iga (floating point operations per second) — näiteks teraflops, petaflops või eksaflops. Rahvusvaheliselt tuntud nimekiri TOP500 järjestab maailma kiiremaid superarvuteid, kasutades selleks sageli LINPACKi testi, mis mõõdab lineaarsete võrdsüsteemide lahendamise jõudlust.
Tulevikutrendid
Tööstus liigub suunas, kus kombineeritakse traditsioonilisi protsessoreid ja spetsiaalseid kiirendajaid (GPU-d, FPGA-d) ning optimeeritakse tarkvara suuremateks masinaklassideks (näiteks hübriidsed ja heterogeensed süsteemid). Samuti on töös eksaskala (exaFLOPS) tasemel superarvutid ja uuritakse kvantarvutuse mõju tulevastele hübriidsetele süsteemidele.
Elektrotehnikud ja süsteemiinsenerid ehitavad superarvuteid, mis ühendavad tihti tuhandeid või kümneid tuhandeid mikroprotsessoreid ning palju kiirendajaid ja kiiret mälulahendust, et täita teadus- ja tööstusmaailma kasvavaid arvutusnõudmisi.
