Суперкомпьютеры изначально использовались в приложениях, связанных с национальной безопасностью. Теперь их часто применяют для научных и инженерных целей в самых разных отраслях. Хоть они по-прежнему требуют больших объемов данных и вычислений, но уже не считаются чем-то новым и необычным. На самом деле такие компьютеры практичны, экономичны и быстры.
Рынок продолжает расти, технология используется все шире. Но ее бы не было без высокой производительности. Все эти вычисления стали возможны благодаря FLOPS.
Как расшифровывается FLOPS и что означает
FLOPS расшифровывается как floating-point operations per second — число операций с плавающей запятой в секунду. Числа с плавающей запятой — это метод представления действительных чисел с дробными частями, позволяющий поддерживать высокую степень точности вычислений. Арифметические действия с этими числами, такие как сложение, вычитание, умножение и деление, — это и есть операции с плавающей запятой. FLOPS расширяют возможности исследователей — например, в части детального моделирования, анализа больших массивов данных.
Флопс — это еще и единица измерения производительности компьютера. Она особенно полезна в научных вычислениях. В таких случаях это более точный показатель, чем IOPS, или количество операций ввода-вывода в секунду, который тоже используется для оценки производительности оборудования.
Операции FLOPS могут быть записаны с различной степенью точности: например, они бывают 64-битные (формат двойной точности, сокращенно FP64), 32-битные (FP32) и 16-битные (FP16).
Почему показатель FLOPS важен для оценки производительности
По сравнению с целочисленными операциями, операции с плавающей запятой способны обрабатывать гораздо более широкий спектр значений. Этот вид обработки основан на способе, где числа представлены в виде дроби и экспоненты. В вычислительной технике это представление позволяет найти компромисс между выбранным диапазоном и точностью.
Числа с плавающей запятой важны в вычислениях, и их использование уместно для представления более приблизительных действительных чисел, которые могут быть легко обработаны компьютерами. Они хранятся в формате, который может соответствовать стандарту IEEE 754. Он обеспечивает точный метод работы с этими числами в стандартном формате, который может быть реализован в различных вычислительных системах. Это также гарантирует точность расчетов благодаря строгому набору принципов и рекомендаций в области исследований, проектирования и финансового менеджмента.
В суперкомпьютерах FLOPS — важный показатель вычислительной мощности. Он предлагает метод сравнения базовых вычислительных возможностей Clip современных систем. Это относится и к домашним персональным компьютерам, и к суперкомпьютерами мирового уровня. Например, в контексте списка Top 500, в котором рассматриваются крупнейшие суперкомпьютеры во всем мире, FLOPS служит наиболее важным показателем для оценки и сравнения возможностей этих машин.
Классификация FLOPS: от гигафлопсов до эксафлопсов
Есть разные виды FLOPS. Порядки величин выражаются с помощью стандартных префиксов показателей.
Гигафлопc
Это первый уровень FLOPS. Один гигафлопс равен одному миллиарду операций с плавающей запятой в секунду. Для сравнения, компьютерная система мощностью 1 GFLOPS может за одну секунду выполнить то, на что у человека ушло бы почти 32 года, если бы он делал по одному вычислению в секунду. В 1993 году Fujitsu’s Numerical Wind Tunnel стал первым суперкомпьютером с мощностью более 100 GFLOPS. Сейчас с таким количеством операций справляются и потребительские процессоры.
Терафлопс
1 терафлопс равен 1 триллиону операций с плавающей запятой в секунду. У человека, выполняющего одно вычисление в секунду, на это бы ушло почти 32 000 лет. В 1997 году вычислительная машина ASCI Red, использующая тысячи микропроцессоров Intel, стала первой в истории со скоростью TFLOPS. Достижение этой скорости обработки данных было лишь вопросом времени.
Петафлопс
1 петафлопс равен 1 квадриллиону операций с плавающей запятой в секунду. Компьютерная система мощностью 1 PFLOPS может за одну секунду выполнить то, на что человеку, выполняющему одно вычисление в секунду, потребовалось бы почти 32 000 000 лет. Вычислительная мощность Summit, одного из самых мощных на сегодняшний день суперкомпьютеров в мире, равна 200 PFLOPS. Он используется для исследований в таких областях, как физика, энергетика, климат и здравоохранение.
Эксафлопс
Максимальный на данный момент уровень быстродействия. 1 эксафлопс равен 1 квинтиллиону операций с плавающей запятой в секунду. Работающему со скоростью одно вычисление в секунду человеку потребовалось бы примерно 32 миллиарда лет, чтобы сделать то, что машина может выполнить за секунду. Суперкомпьютер с рабочей производительностью свыше 1 EFLOP, а именно 1,206 EFLOPS, — Frontier, оптимизированный для высокопроизводительных вычислений (HPC) и искусственного интеллекта (AI). В 2024 вторым в рейтинге суперкомпьютером с производительностью более 1 EFLOPS — 1,012 — стал Aurora из Аргоннской национальной лаборатории в США.
Как рассчитывается производительность в FLOPS
Количество флопсов можно определить на основе скорости выполнения операций с плавающей запятой в системе в секунду. Это делается с помощью тестовых программ. Они решают задачи с определенным числом операций и определяют время, за которое эти задачи были выполнены. Пример — LINPACK. Это библиотека с набором подпрограмм для анализа и решения систем линейных уравнений. Есть и другие тесты, оптимизированные для определенных типов вычислений.
Какие факторы влияют на вычислительную мощность
На быстродействие системы влияют несколько факторов:
- архитектура процессора. Количество ядер или общая архитектура центрального или графического процессора определяют, насколько хорошо он выполняет вычисления с плавающей запятой. В современных версиях процессоров есть специальные блоки FPU, которые используются для более эффективного выполнения этих операций;
- актовая частота. Это количество команд, которые процессор может выполнить в течение одной секунды. Выражается в гигагерцах (ГГц);
- параллелизм. Это синхронная производительность, которая указывает на способность системы выполнять несколько операций одновременно;
- пропускная способность памяти. Способность устройства обрабатывать информацию с учетом скорости считывания или записи данных в память в секунду;
- эффективность алгоритма. Архитектура алгоритмов, используемых в вычислительных процессах, может иметь решающее значение для быстродействия. Для выполнения вычислений по оптимизированному алгоритму нужно меньше операций.
Применение FLOPS в современных вычислительных системах
Суперкомпьютеры состоят из межсоединений, систем ввода-вывода, памяти и процессорных ядер. Быстродействие самых мощных из них измеряется в пета- и эксафлопсах. В этих системах одновременно используются тысячи центральных и графических процессоров с высокой производительностью. В этом отличие суперкомпьютеров от традиционных. Процессоры или их группы в сочетании с блоком памяти образуют вычислительные узлы. Таких узлов у суперкомпьютера могут быть десятки тысяч, и они могут работать над решением одной задачи благодаря настроенным взаимосвязям — межсоединениям. Узлы также используют межсоединения для взаимодействия с системами ввода-вывода, такими как хранилище данных и сетевое взаимодействие.
Сейчас самый быстрый суперкомпьютер в мире — Frontier из национальной лаборатории Ок-Риджа в Теннесси. Это единственный компьютер, производительность которого составляет 1,2 эксафлопса в секунду. Всего в системе насчитывается более 9 400 процессоров и 37 000 графических процессоров GPU.