ĐỒ ÁN MÔN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH VÀ HỢP NGỮ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN  LÊ QUỐC ĐẠT - 1388209 SIÊU MÁY TÍNH ĐỒ ÁN MƠN KIẾN TRÚC MÁY TÍNH VÀ HỢP NGỮ GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN THÁI HÙNG VĂN Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2014 MỤC LỤC Mục lục Danh mục từ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình Danh mục phụ lục CHƯƠNG : GIỚI THIỆU SIÊU MÁY TÍNH 1.1 Các thuật ngữ liên quan đến siêu máy tính 1.2 Siêu máy tính gì? 1.3 Siêu máy tính dành cho ai? 1.4 Một siêu máy tính giá bao nhiêu? 1.5 Siêu máy tính mạnh thêm bao nhiêu? 1.6 "Tuổi thọ" siêu máy tính? CHƯƠNG : LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA SIÊU MÁY TÍNH 2.1 Giai đoạn trước năm 1990 2.2 Giai đoạn sau năm 1990 CHƯƠNG 3.1 : KIẾN TRÚC VÀ PHẦN CỨNG SIÊU MÁY TÍNH Kiến trúc 3.1.1 Kiểu điện toán phân tán 3.1.2 Kiểu điện toán tập trung 10 3.2 Phần cứng 11 3.3 Tản nhiệt, tiêu thụ lượng 15 CHƯƠNG : HỆ ĐIỀU HÀNH VÀ PHẦN MỀM 19 4.1 Hệ điều hành 19 4.2 Công cụ phần mềm 20 CHƯƠNG : SIÊU MÁY TÍNH KIẾU PHÂN TÁN 21 5.1 Phương pháp hội - opportunistic 21 5.2 Phương pháp cận hội - quasi-opportunistic 22 CHƯƠNG : ĐO ĐẠC HIỆU NĂNG 23 6.1 Khả dung lượng 23 6.2 Đo đạc hiệu siêu máy tính 23 6.3 Danh sách TOP500 24 CHƯƠNG 7.1 : ỨNG DỤNG VÀ NHỮNG THÔNG TIN KHÁC 26 Một số ứng dụng siêu máy tính: 26 7.1.1 Siêu máy tính Titan - nghiên cứu biến đổi khí hậu nhiên liệu thay 27 7.1.2 Siêu máy tính Roadrunner - mơ hình hóa phân hủy kho vũ khí hạt nhân Mỹ 28 7.1.3 Siêu máy tính Blue Waters - vũ khí việc ngăn chặn virus HIV 28 7.1.4 Siêu máy tính Watson – siêu máy tính đa 32 7.1.5 Siêu máy tính Stampede - mơ thời tiết, mô hành vi người, nghiên cứu đồ ADN nghiên cứu không gian 33 7.1.6 Siêu máy tính ASTRON - xử lý liệu kính thiên văn radio lớn giới 33 7.1.7 Siêu máy tính Advanced Supercomputing HQ - dự báo thời tiết NASA 34 7.1.8 Siêu máy tính Sequoia - mơ hình quản lý vũ khí hạt nhân 35 7.1.9 Siêu máy tính Condor - phân tích xử lý hình ảnh khơng lực Italia 36 7.1.10 Siêu máy tính The Dawn - mô vụ nổ hạt nhân 36 7.2 Một số hãng sản xuất cung cấp siêu máy tính 38 7.3 Các nước có siêu máy tính 38 CHƯƠNG : XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN 41 8.1 Xu hướng phát triển sức mạnh xử lý siêu máy tính 41 8.2 Kiến trúc tiết kiệm lượng tiêu thụ 41 8.2.1 Siêu máy tính tảng ARM 42 8.2.2 Siêu máy tính The Machine 43 8.2.3 Siêu máy tính quang học 45 8.2.4 Siêu máy tính lượng tử 46 8.3 Và sức mạnh siêu máy tính khơng tăng tốc độ xử lý 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 PHỤ LỤC 52 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT STT TỪ VIẾT TẮT TÊN ĐẦY ĐỦ SMT Siêu máy tính DANH MỤC BẢNG Bảng 6-1 Danh sách 10 SMT mạnh tháng 6/2014 25 Bảng 7-1 Danh sách 10 quốc gia có số lượng SMT lớn tháng 6/2014 39 DANH MỤC HÌNH Hình 1-1 Sequoia – SMT mạnh giới năm 2012 Hình 2-1 SMT Cray-1 Hình 2-2 Biểu đồ tốc độ xử lý siêu máy tính từ tháng 6/1993 đến tháng 6/2009 Hình 2-3 Biểu đồ số lượng core tốc độ xử lý siêu máy tính từ tháng 6/1910 đến tháng 6/2014 Hình 3-1 Mơ hình kiểu điện tốn phân tán Hình 3-2 Cấu trúc hệ thống SMT kiểu điện toán tập trung 10 Hình 3-3 Mơ hình SMT dạng Massively Parallel Processors (MPP) 11 Hình 3-4 Kết nối dây SMT Titan 12 Hình 3-5 Một node SMT Titan 13 Hình 3-6 Cấu trúc hãng Cray dùng Titan 14 Hình 3-7 Chi tiết phần cứng CPU Tegra v2 GPU GeForce 15 Hình 3-8 Cấu trúc SMT dùng CPU Tegra v2 GPU GeForce 15 Hình 3-9 Hệ thống tản nhiệt nước Titan 16 Hình 3-10 Mơ hình SMT làm mát nước ấm 17 Hình 4-1 Đồ thị tỉ lệ % hệ điều hành dùng cho SMT 19 Hình 5-1 Cấu trúc hệ thống điện tốn grid kết nối với nhiều máy tính qua internet 21 Hình 7-1 Ảnh mơ SMT dựng Cơ quan Khí tượng Hải dương Mỹ (NOAA) 26 Hình 7-2 Cấu trúc virus HIV 29 Hình 7-3 Cấu trúc capsid virus HIV 30 Hình 7-4 Lớp vỏ capsid hình nón virus HIV 31 Hình 7-5 Biểu đồ tỉ lệ % số lượng máy tính công ty sản xuất SMT 38 Hình 7-6 Biểu đồ tỉ lệ % số lượng SMT nước giới tháng 6/2014 (nguồn: phụ lục 3) 39 Hình 8-1 Martin Fink, giám đốc công nghệ HP hình ảnh vi xử lý The Machine 43 Hình 8-2 Martin Fink với mô đun nhớ The Machine 44 Hình 8-3 Mơ hình hiệu ứng quang học áp dụng cho SMT tương lai 46 DANH MỤC PHỤ LỤC Phụ lục 1: Lịch sử phát triển siêu máy tính 52 Phụ lục 2: Danh sách siêu máy tính mạnh mẽ giới năm 2014 64 Phụ lục 3: Danh sách nước có siêu máy tính top500 tháng 6/2014 74 Phụ lục 4: Danh sách top10 siêu máy tính đứng đầu top500 tháng 6/2014 76 Phụ lục 5: Danh sách siêu máy tính đứng đầu top500 từ tháng 6/1993 đến tháng 6/2014 78 73 Dịch tiếng Việt có nghĩa “Thiên Hà 1”, Tianhe-1A số SMT thuộc dạng petascale hoạt động giới Theo đó, Tianhe-1A có khả chạy tốc độ 2.6 petaflops (2,6 tỷ phép tính giây) Chiếc SMT vận hành hệ điều hành phát triển theo tảng Linux tận dụng sức mạnh kết hợp của Intel Xenon CPU Nvidia GPU xuyên suốt 183.368 nhân xử lý Hiện SMT Tianhe-1A đặt Trung tâm Siêu điện toán quốc gia Thiên Tân, Trung Quốc với trách nhiệm xử lý phép tính cho việc khai thác dầu khí thiết kế công nghiệp vũ trụ 74 Phụ lục 3: Danh sách nước có siêu máy tính top500 tháng 6/2014 Số Tỉ lệ Rmax Rpeak lượng (%) (GFlops) (GFlops) 232 46.4 122,452,336 175,406,632 9,617,949 China 76 15.2 52,129,821 102,670,220 5,432,584 United Kingdom 30 14,871,213 18,458,733 925,152 Japan 30 23,941,240 31,005,691 1,654,398 France 27 5.4 11,236,985 13,234,047 776,468 Germany 22 4.4 14,809,560 17,611,601 1,113,012 Canada 1.8 1,959,750 2,393,414 165,280 India 1.8 2,898,745 3,521,915 169,324 Korea, South 1.6 2,112,514 3,202,991 211,080 10 Australia 1.2 2,472,259 2,869,878 151,072 11 Switzerland 1.2 7,959,572 9,847,816 263,888 12 Netherlands 1,005,527 1,381,992 62,160 13 Russia 2,046,483 3,438,216 159,828 14 Italy 5,537,409 7,055,617 268,400 15 Brazil 0.8 1,031,365 1,594,904 76,080 16 Saudi Arabia 0.8 1,981,894 2,744,515 169,232 17 Norway 0.6 735,400 873,164 54,400 18 Sweden 0.6 812,531 991,193 73,248 19 Belgium 0.4 319,821 393,256 19,944 20 Israel 0.4 347,685 860,954 41,392 21 Finland 0.4 378,000 436,301 20,976 STT Quốc gia United States Cores 75 22 Poland 0.4 455,909 583,605 41,852 23 Spain 0.4 1,199,031 1,357,824 65,280 24 Denmark 0.2 162,098 183,676 15,672 25 Taiwan 0.2 177,100 231,859 26,244 26 Malaysia 0.2 201,941 401,600 20,080 27 Hong Kong 0.2 234,248 476,928 25,920 28 Ireland 0.2 140,446 147,456 7,680 29 Austria 0.2 152,900 182,829 20,776 76 Phụ lục 4: Danh sách top10 siêu máy tính đứng đầu top500 tháng 6/2014 Cơng suất (kW) 17,808 27,112.50 8,209 20,132.70 7,890 11,280.40 12,660 LNL, Hoa Kỳ 54,902.40 DOE/NNSA/L Rpeak (TFlop/s) Hoa Kỳ 10,510.00 gia Oak Ridge, 17,173.20 nghiệm quốc 17,590.00 33,862.70 Phòng thí Rmax (TFlop/s) DOE / SC / 705,024 Trung Quốc 1,572,864 Quốc phịng, 560,640 gia Cơng nghệ 3,120,000 Đại học Quốc Tên hệ thống Số nhân Thứ hạng Địa điểm Tianhe-2 (MilkyWay-2) - TH-IVB-FEP Cluster, Intel Xeon E5-2692 12C 2.200 GHz, TH Express-2, Intel Xeon Phi 31S1P, Nhà sản xuất: NUDT Titan - Cray XK7, Opteron 6274 16C 2.200 GHz, Cray Gemini interconnect, NVIDIA K20x, Nhà sản xuất: Cray Inc Sequoia - BlueGene/Q, Power BQC 16C 1.60 GHz, Custom, Nhà sản xuất: IBM Viện Khoa học Tính tốn nâng K computer, SPARC64 VIIIfx 2.0 GHz, cao RIKEN Tofu interconnect, (AICS), Nhật Nhà sản xuất: Fujitsu Bản 77 DOE/SC/Argo 8,586.60 10,066.30 3,945 5,168.10 8,520.10 4,510 5,008.90 5,872.00 2,301 393,216 4,293.30 5,033.20 1,972 147,456 2,897.00 3,185.10 3,423 186,368 2,566.00 4,701.00 4,040 Nhà sản xuất: IBM 458,752 Hoa Kỳ 1.60 GHz, Custom, 462,462 Laboratory, Mira - BlueGene/Q, Power BQC 16C 786,432 nne National Texas Advanced Stampede - PowerEdge C8220, Xeon Computing E5-2680 8C 2.700 GHz, Infiniband Center/Univ FDR, Intel Xeon Phi SE10P, of Texas, Hoa Nhà sản xuất: Dell Kỳ Forschungszen JUQUEEN - BlueGene/Q, Power BQC trum Juelich 16C 1.600 GHz, Custom Interconnect, (FZJ), Đức Nhà sản xuất: IBM DOE/NNSA/L LNL, Hoa Kỳ Leibniz Rechenzentru m, Đức Vulcan - BlueGene/Q, Power BQC 16C 1.600 GHz, Custom Interconnect, Nhà sản xuất: IBM SuperMUC - iDataPlex DX360M4, Xeon E5-2680 8C 2.70 GHz, Infiniband FDR, Nhà sản xuất: IBM National 10 Supercomputi Tianhe-1A - NUDT YH MPP, Xeon ng Center in X5670 6C 2.93 GHz, NVIDIA 2050, Tianjin, Trung Nhà sản xuất: NUDT Quốc 78 Phụ lục 5: Danh sách siêu máy tính đứng đầu top500 từ tháng 6/1993 đến tháng 6/2014 17,808 17,808 54,902.40 17,808 Power (kW) 54,902.40 Intel Xeon Phi 31S1P 54,902.40 China Rpeak (TFlop/s) 2.200GHz, TH Express-2, 33,862.70 in Guangzhou 33,862.70 Xeon E5-2692 12C 33,862.70 Computer Center Rmax (TFlop/s) TH-IVB-FEP Cluster, Intel 3,120,000 01/06/2014 National Super 3,120,000 Tianhe-2 (MilkyWay-2) - 3,120,000 System Cores List Site NUDT Tianhe-2 (MilkyWay-2) - 01/11/2013 National Super TH-IVB-FEP Cluster, Intel Computer Center Xeon E5-2692 12C in Guangzhou 2.200GHz, TH Express-2, China Intel Xeon Phi 31S1P NUDT National 01/06/2013 University of Defense Technology China Tianhe-2 (MilkyWay-2) TH-IVB-FEP Cluster, Intel Xeon E5-2692 12C 2.200GHz, TH Express-2, Intel Xeon Phi 31S1P NUDT 79 12,659.90 9,898.60 4,040 01/11/2010 7,890 Japan 8,209 Science (AICS) 4,701.00 Computational 8,773.60 01/06/2011 Institute for 11,280.40 RIKEN Advanced 20,132.70 Japan 27,112.50 Science (AICS) 2,566.00 Computational 8,162.00 01/11/2011 Institute for 10,510.00 RIKEN Advanced 16,324.80 United States 17,590.00 L 186,368 01/06/2012 DOE/NNSA/LLN 548,352 United States 705,024 Laboratory 6274 16C 2.200GHz, Cray 1,572,864 01/11/2012 Ridge National Titan - Cray XK7 , Opteron 560,640 DOE/SC/Oak Gemini interconnect, NVIDIA K20x Cray Inc Sequoia - BlueGene/Q, Power BQC 16C 1.60 GHz, Custom IBM K computer, SPARC64 VIIIfx 2.0GHz, Tofu interconnect Fujitsu K computer, SPARC64 VIIIfx 2.0GHz, Tofu interconnect Fujitsu National Tianhe-1A - NUDT TH Supercomputing MPP, X5670 2.93Ghz 6C, Center in Tianjin NVIDIA GPU, FT-1000 8C China NUDT 80 2,331.00 6,950 2,331.00 6,950 1,456.70 2,483 1,456.70 2,483 1,375.80 2,345 United States 1,026.00 01/06/2009 /LANL 1,105.00 Cray Inc Jaguar - Cray XT5-HE Opteron 6-core 2.6 GHz Cray Inc Roadrunner - BladeCenter DOE/NNSA 1,105.00 United States 1,759.00 Laboratory 1,759.00 01/11/2009 Ridge National 122,400 DOE/SC/Oak 129,600 United States Opteron 6-core 2.6 GHz 129,600 Laboratory Jaguar - Cray XT5-HE 224,162 01/06/2010 Ridge National 224,162 DOE/SC/Oak QS22/LS21 Cluster, PowerXCell 8i 3.2 Ghz / Opteron DC 1.8 GHz, Voltaire Infiniband IBM Roadrunner - BladeCenter 01/11/2008 DOE/NNSA /LANL United States QS22/LS21 Cluster, PowerXCell 8i 3.2 Ghz / Opteron DC 1.8 GHz, Voltaire Infiniband IBM Roadrunner - BladeCenter 01/06/2008 DOE/NNSA/LAN L United States QS22/LS21 Cluster, PowerXCell 8i 3.2 Ghz / Opteron DC 1.8 GHz, Voltaire Infiniband IBM 81 596.4 2,329 367 1,433 367 1,433 367 1,433 367 1,433 BlueGene/L - eServer Blue Gene Solution IBM BlueGene/L - eServer Blue Gene Solution IBM DOE/NNSA 01/11/2005 280.6 01/06/2006 United States 280.6 Gene Solution IBM DOE/NNSA /LLNL 280.6 01/11/2006 United States 280.6 BlueGene/L - eServer Blue DOE/NNSA/LLN L 478.2 01/06/2007 United States 131,072 IBM DOE/NNSA /LLNL 131,072 Gene Solution 131,072 United States BlueGene/L - eServer Blue 131,072 01/11/2007 /LLNL 212,992 DOE/NNSA /LLNL BlueGene/L - eServer Blue United States Gene Solution IBM 82 183.5 70.7 91.8 35.9 41 3,200 35.9 41 3,200 35.9 41 3,200 716 136.8 IBM BlueGene/L beta-System - 01/11/2004 5,120 Gene Solution 5,120 United States 5,120 BlueGene/L - eServer Blue 32,768 01/06/2005 L 65,536 DOE/NNSA/LLN IBM/DOE United States BlueGene/L DD2 betaSystem (0.7 GHz PowerPC 440) IBM Japan Agency for 01/06/2004 Marine -Earth Science and Technology Earth-Simulator NEC Japan Japan Agency for 01/11/2003 Marine -Earth Science and Technology Earth-Simulator NEC Japan Japan Agency for 01/06/2003 Marine -Earth Science and Technology Japan Earth-Simulator NEC 83 35.9 41 3,200 35.9 41 3,200 7.2 12.3 8,192 7.2 12.3 Technology 8,192 Science and 5,120 01/11/2002 Marine -Earth 5,120 Japan Agency for Earth-Simulator NEC Japan Japan Agency for 01/06/2002 Marine -Earth Science and Technology Earth-Simulator NEC Japan Lawrence Livermore 01/11/2001 National Laboratory United States ASCI White, SP Power3 375 MHz IBM Lawrence Livermore 01/06/2001 National Laboratory United States ASCI White, SP Power3 375 MHz IBM 84 12.3 3.2 3.2 2.1 3.2 1.3 1.8 1.3 1.8 ASCI Red United States Intel Laboratories ASCI Red United States Intel Laboratories ASCI Red United States Intel Laboratories ASCI Red United States Intel Sandia National 01/06/1998 2.4 Laboratories Sandia National 01/11/1998 2.4 IBM Sandia National 01/06/1999 4.9 MHz Sandia National 01/11/1999 9,152 ASCI White, SP Power3 375 Sandia National 01/06/2000 9,152 United States 9,472 Laboratory 9,632 01/11/2000 National 9,632 Livermore 8,192 Lawrence Laboratories ASCI Red United States Intel 85 Hitachi/Tsukuba 0.2 University of 0.3 CP-PACS/2048 0.6 01/11/1996 Sciences, 1.5 Computational 1.8 Center for 0.2 Intel 0.2 United States 0.4 ASCI Red 1.1 01/06/1997 Laboratories 1.3 Sandia National 140 Intel 1,024 United States 2,048 ASCI Red 7,264 01/11/1997 Laboratories 9,152 Sandia National Tsukuba Japan University of 01/06/1996 Tokyo Japan SR2201/1024 Hitachi National Aerospace 01/11/1995 Laboratory of Numerical Wind Tunnel Japan Fujitsu Japan 86 140 0.2 0.2 140 0.2 0.2 3,680 0.1 0.2 140 0.1 0.2 National Aerospace 01/06/1995 Laboratory of Numerical Wind Tunnel Japan Fujitsu Japan National Aerospace 01/11/1994 Laboratory of Numerical Wind Tunnel Japan Fujitsu Japan Sandia National 01/06/1994 Laboratories XP/S140 United States Intel National Aerospace 01/11/1993 Laboratory of Numerical Wind Tunnel Japan Fujitsu Japan 87 Laboratory Thinking Machines United States Corporation 0.1 CM-5/1024 0.1 01/06/1993 National 1,024 Los Alamos ... trường, không gian lẫn y khoa 7.1.6 Siêu máy tính ASTRON - xử lý liệu kính thiên văn radio lớn giới ASTRON, Học viện Thiên văn học Radio Hà Lan hợp tác trị giá 43 triệu USD kéo dài năm với hãng máy... thước to hơn, sức mạnh vượt trội nhiều lần so với máy tính cá nhân Cũng mà SMT khơng dùng để soạn văn bản, chơi game hay ứng dụng bình thường mà dùng vào việc nghiên cứu khoa học, xử lí tính tốn... tính có tính tốc độ xử lý siêu lớn Bên SMT hệ thống máy tính mạnh làm việc song song (Thái Hùng Văn, 2014) SMT có tốc độ xử lý hàng ngàn teraflop (một teraflop tương đương với hiệu suất ngàn tỷ