Wprowadzenie
Superkomputery odgrywają kluczową rolę w dzisiejszej technologii obliczeniowej, umożliwiając naukowcom i inżynierom realizację złożonych symulacji oraz analiz dużych zbiorów danych. Jednym z najbardziej znaczących projektów w tej dziedzinie jest architektura Blue Gene, rozwijana przez IBM we współpracy z Lawrence Livermore National Laboratory oraz Departamentem Energii USA. Blue Gene nie tylko zrewolucjonizował sposób, w jaki prowadzone są obliczenia, ale także zdobył uznanie, otrzymując w 2009 roku National Medal of Technology. W artykule tym przyjrzymy się trzem generacjom architektury Blue Gene: BlueGene/L, BlueGene/P oraz BlueGene/Q.
Blue Gene/L
Projekt Blue Gene/L rozpoczął się w grudniu 1999 roku, kiedy to IBM ogłosił inwestycję w wysokości 100 milionów dolarów na pięcioletni projekt budowy superkomputera, który miał być wykorzystywany głównie do symulacji procesów zwijania białek. Celem było nie tylko opracowanie zaawansowanych symulacji, ale również stworzenie tańszej i bardziej efektywnej technologii obliczeń równoległych. W listopadzie 2001 roku IBM nawiązał współpracę z Lawrence Livermore National Laboratory, co przyspieszyło rozwój projektu.
W wyniku intensywnych prac nad prototypem, we wrześniu 2004 roku IBM ogłosił, że nowy superkomputer składający się z 8 tysięcy procesorów osiągnął wydajność 36,01 TFLOPS w teście LINPACK. To wystarczyło, aby wyprzedzić dotychczasowego rekordzistę, Earth Simulatora. Po rozbudowie do 16 tysięcy procesorów i osiągnięciu wydajności 70,72 TFLOPS, Blue Gene/L stał się najszybszym superkomputerem na świecie w listopadzie 2004 roku. System ten utrzymywał swoją pozycję lidera przez kolejne lata, osiągając niesamowite wyniki wydajnościowe: 135,5 TFLOPS w czerwcu 2005 roku, 280,6 TFLOPS w listopadzie 2005 roku oraz 478,2 TFLOPS w listopadzie 2007 roku.
Blue Gene/P
26 czerwca 2007 roku IBM zaprezentował drugą generację superkomputera Blue Gene – Blue Gene/P. Nowa architektura miała na celu osiągnięcie mocy obliczeniowej rzędu 1 PFLOPS. W przeciwieństwie do poprzednika, Blue Gene/P oparty był na procesorach IBM PowerPC 450 o taktowaniu 850 MHz. Każdy układ scalony zawierał cztery procesory, a pojedynczy rack mógł pomieścić aż 4096 procesorów.
Aby uzyskać pełną moc obliczeniową wynoszącą 1 PFLOPS, potrzebne było aż 72 racki, co oznaczało wykorzystanie 294 912 procesorów. Wydajność energetyczna systemu wynosiła maksymalnie 378 MFLOPS/W. Należy podkreślić różnice między systemami Blue Gene/L i Blue Gene/P – nowa architektura korzystała z czterordzeniowych procesorów oraz większej pamięci operacyjnej. Dodatkowo zastosowanie trybu SMP (symmetrical multiprocessing) ułatwiało programowanie systemu podobnie jak tradycyjnych klastrów komputerowych.
Pierwszy superkomputer oparty na architekturze Blue Gene/P, nazwany JUGENE, został uruchomiony 12 listopada 2007 roku w Centrum Badawczym w Jülich. Posiadał on moc obliczeniową rzędu 180 TFLOPS i do lutego 2009 roku był najszybszym superkomputerem w Europie oraz szóstym na świecie. W kolejnych latach IBM zainstalował wiele systemów opartych na tej architekturze, a niektóre z nich osiągały imponujące wyniki: na przykład system zainstalowany w Argonne National Laboratory osiągnął moc obliczeniową wynoszącą 450 TFLOPS.
Blue Gene/Q
Architektura Blue Gene/Q stanowi kolejny krok w rozwoju serii Blue Gene i powstała jako kontynuacja projektu Blue Gene/P. System ten wykorzystuje procesory o aż osiemnastu rdzeniach – sześćnaście rdzeni przeznaczonych jest do wykonywania obliczeń, jeden rdzeń obsługuje system operacyjny, a jeden działa jako rdzeń rezerwowy. Procesory są taktowane zegarem o częstotliwości 1,6 GHz i osiągają wydajność na poziomie 204 GFLOPS przy zużyciu energii wynoszącym jedynie 55 watów.
Prototyp systemu opartego na architekturze Blue Gene/Q został zaprezentowany w listopadzie 2010 roku i uzyskał wydajność energetyczną wynoszącą 1684 MFLOPS/W. Został on uznany za najbardziej energooszczędny system komputerowy na świecie według listy Green500. W czerwcu 2012 roku superkomputer Sequoia oparty na tej architekturze zdobył pierwsze miejsce na liście TOP500 jako najszybszy komputer świata.
Sequoia składała się z ponad 98 tysięcy procesorów i miała moc obliczeniową wynoszącą aż 16324 TFLOPS. Warto również zauważyć, że do czerwca 2012 roku cztery z dziesięciu najszybszych superkomputerów były oparte na architekturze Blue Gene/Q. Oprócz Sequoi osiągnięto także imponujące wyniki z innymi systemami: Mira (8162 TFLOPS), Fermi (1725 TFLOPS) i JUQUEEN (1380 TFLOPS).
Zakończenie
Architektura Blue Gene stanowi istotny krok naprzód w dziedzinie superkomputerów oraz obliczeń równoległych. Dzięki innowacyjnym rozwiązaniom technologicznym oraz współpracy z instytucjami badawczymi projekt ten pozwolił na znaczące osiągnięcia w zakresie wydajności obliczeniowej. Od momentu uruchomienia pierwszego modelu Blue Gene/L po nowoczesne systemy takie jak Blue Gene/Q minęło wiele lat intensywnego rozwoju technologii komputerowych. Pozwoliło to naukowcom i inżynierom na przeprowadzanie coraz bardziej skomplikowanych symulacji oraz analiz danych w różnych dziedzin
Artykuł sporządzony na podstawie: Wikipedia (PL).