Суперкомпьютеры: что это такое и зачем они нужны лично вам?

Постоянный прогресс информационных технологий уже настолько прочно вошёл в наше сознание, что мы редко задумываемся, за счёт чего наши телефоны и ноутбуки год от года становятся ещё более компактными и производительными. Компьютеры стали ключевыми инструментами функционирования современного общества, и их развитие не может не радовать. Однако что стоит за этим прогрессом? В первую очередь физика и математика. Элементарные ячейки наших компьютеров — транзисторы — становятся всё меньше и меньше благодаря современному уровню электроники, а математики придумывают всё новые и новые алгоритмы, оптимизирующие процессы обработки информации. 

Однако у миниатюризации компьютеров есть естественный предел. Если экстраполировать закон Мура, описывающий развитие современных компьютеров, то мы увидим, что примерно в 2020 году физический размер элементарных кирпичиков компьютеров (транзисторов) должен приблизиться к атомарным масштабам. Переход этого психологического рубежа означает, что наши возможности для построения новых вычислительных устройств сводятся лишь к изучению новых физических платформ для вычислений, которые могли бы прийти на смену полупроводниковой электронике. Или же к наращиванию вычислительных мощностей за счёт таких технологий, как параллельные вычисления и использование многоядерных архитектур. Иными словами, строительство так называемых суперкомпьютеров.  

Ещё более интересный вопрос: что нам делать с этими вычислительными мощностями? Ведь уже наших телефонов достаточно, чтобы превзойти мощности тех компьютеров, которые были использованы в масштабных индустриальных проектах XX века, таких как расчёт атомной бомбы или запуск искусственного спутника. Однако слово "суперкомпьютер" звучит всё чаще и чаще, особенно в контексте новых достижений науки. Оказывается, что перед человеческим познанием стоит ряд задач, решение которых требует колоссальных вычислительных ресурсов.

Суперкомпьютеры обычно представляют собой большое число соединённых между собой высокопроизводительных серверных компьютеров. А полезны они могут быть в научных задачах, которые сводятся к распараллеливаемым вычислениям, когда задачу можно разбить на несколько подзадач, решаемых одновременно. Удаётся это сделать далеко не всегда. Тем не менее этот подход может быть очень полезен при решении таких задач, как обработка данных, полученных от ускорителей частиц (скажем, Большого адронного коллайдера) или гигантских телескопов.

Есть и более эффектные задачи для суперкомпьютеров, такие как моделирование новых материалов (например, высокотемпературных сверхпроводников, которые помогли бы передавать энергию без потерь), создания новых лекарств и расшифровки ДНК. Поэтому на сегодняшний день суперкомпьютеры нужны в первую очередь учёным.

Впрочем, количество данных, которые генерирует общество в процессе жизнедеятельности, растёт настолько быстро, что, кажется, скоро суперкомпьютеры вскоре будут ещё более востребованы для частных компаний, строящихся и развивающихся с использованием таких инструментов, как BigData. Ведь очевидно: если данных очень много и обработать их нужно очень быстро, то нужны соответствующие мощности. Многие эксперты утверждают, что именно такие технологии, как BigData и машинное обучение, обеспечат развитым странам новый скачок экономического развития.

Сверхмощный вычислитель можно также построить путём использования свободных вычислительных ресурсов на компьютерах добровольцев, и такие распределённые системы применяются, например, для поиска радиосигналов внеземных цивилизаций (программа SETI) или создания базы данных белков для вычислительной биологии. Некоторые из проектов распределённых вычислений обладают не меньшей вычислительной мощностью, чем самые современные суперкомпьютеры.

Когда речь идёт о развитии информационных технологий, то нельзя не упомянуть цитату из журнала Scientific American: "Если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как промышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолёт Boeing 767 стоил бы 500 долларов и совершал облёт земного шара за 20 минут, затрачивая при этом пять галлонов (~18,9 л) топлива. Приведённые цифры весьма точно отражают снижение стоимости, рост быстродействия и повышение экономичности ЭВМ". Как же приблизиться к этому пределу?

Кроме наращивания вычислительных мощностей или поиска новой подходящей элементной базы для компьютеров (спинтроника, фотоника или плазмоника вместо электроники), приближающих нас к пределу закона Мура, существует и другой подход. Этот подход называется квантовыми вычислениями. Мир квантовых вычислений оперирует уже не привычными нами битами информации, а кубитами или квантовыми битами. Необычные свойства квантовых систем могут быть использованы для решения задач, на которые даже у суперкомпьютеров уйдёт неимоверно много времени. Квантовый компьютер ещё не создан, но уже запускает новую технологическую волну в смежных областях, прежде всего в информационной безопасности.