ASCI Red

ASCI Red — это суперкомпьютер, разработанный компанией Intel по заказу Министерства энергетики США в рамках программы Accelerated Strategic Computing Initiative (ASCI). Он был установлен в Национальных лабораториях Сандия (Нью-Мексико, США) и стал первым суперкомпьютером в мире, преодолевшим рубеж производительности в один терафлопс (10¹² операций с плавающей запятой в секунду). ASCI Red функционировал с 1997 по 2006 год и использовался для моделирования ядерных взрывов в рамках программы по поддержанию надёжности ядерного арсенала США без проведения реальных испытаний.

История создания

Предпосылки

В 1992 году президент США Джордж Буш-старший подписал мораторий на проведение ядерных испытаний, а в 1996 году был подписан Договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний. Для обеспечения безопасности и надёжности существующего ядерного арсенала без натурных взрывов Министерство энергетики США инициировало программу ASCI. Её целью было создание вычислительных мощностей, способных проводить трёхмерное моделирование ядерных взрывов.

Разработка и установка

Контракт на создание суперкомпьютера был заключён с корпорацией Intel в 1996 году. Разработка велась с использованием массово-параллельной архитектуры на базе процессоров Intel Pentium Pro и Pentium II Xeon. Компьютер был собран и установлен в Национальных лабораториях Сандия в 1997 году. Первая фаза (ASCI Red I) была запущена в июне 1997 года и достигла производительности 1,34 терафлопса на тесте LINPACK.

Модернизация

В 1999 году компьютер был модернизирован (ASCI Red II): количество процессоров увеличили с 4 512 до 9 632, а объём оперативной памяти — с 308 ГБ до 1,2 ТБ. Пиковая производительность после модернизации составила 3,15 терафлопса. В 2001 году была проведена ещё одна модернизация (ASCI Red III): процессоры были заменены на более мощные Pentium III Xeon, а общее количество процессоров достигло 9 632. Производительность на тесте LINPACK выросла до 2,38 терафлопса, а пиковая — до 3,2 терафлопса.

Вывод из эксплуатации

ASCI Red был выведен из эксплуатации в 2006 году, уступив место более производительным системам, таким как ASCI Purple и Blue Gene/L. После демонтажа отдельные компоненты были переданы в музеи и учебные заведения.

Архитектура и устройство

Аппаратная платформа

ASCI Red был построен на основе массово-параллельной архитектуры MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data). Он состоял из 4 512 (в первой версии) или 9 632 (после модернизации) вычислительных узлов, каждый из которых содержал два процессора Intel Pentium Pro (200 МГц) или Pentium II Xeon (333 МГц) с кэш-памятью второго уровня. Узлы были объединены в стойки (cabinets) — всего 85 стоек, занимавших площадь около 1 500 квадратных метров.

Память и хранение

• Оперативная память: 308 ГБ (первая версия), 1,2 ТБ (после модернизации). Использовалась память EDO DRAM.
• Дисковая подсистема: 2 ТБ на жёстких дисках, подключённых через Fibre Channel.
• Внутренняя сеть: использовалась собственная сеть Intel Interconnect с топологией «двумерный тор» (2D torus), обеспечивавшая пропускную способность 400 МБ/с на канал.

Энергопотребление и охлаждение

Компьютер потреблял около 850 кВт электроэнергии. Для охлаждения использовалась система жидкостного охлаждения с циркуляцией воды, которая отводила тепло от процессоров через медные теплообменники. Система охлаждения была интегрирована в инфраструктуру лаборатории.

Программное обеспечение

Операционная система

ASCI Red работал под управлением операционной системы Teraflop OS (TOS), разработанной Intel на основе микроядра Cougar. TOS представляла собой специализированную ОС с минимальным набором функций, оптимизированную для массово-параллельных вычислений. Позднее была добавлена поддержка Linux для пользовательских задач.

Прикладное ПО

Основным программным обеспечением для моделирования ядерных взрывов были коды, разработанные в Национальных лабораториях Сандия и Лос-Аламоса, в частности:

• CTH — код для моделирования ударных волн и разрушений.
• ALE3D — код для трёхмерного моделирования гидродинамики и теплопереноса.
• SAGE — код для моделирования радиационной гидродинамики.

Производительность и достижения

Рекорды

• Июнь 1997 года: ASCI Red стал первым суперкомпьютером, преодолевшим барьер в 1 терафлопс на тесте LINPACK (1,34 терафлопса).
• Ноябрь 1999 года: после модернизации производительность на LINPACK достигла 2,38 терафлопса, что позволило системе занимать первое место в списке TOP500 до июня 2000 года.
• Пиковая производительность системы составляла 3,2 терафлопса.

Вклад в науку

ASCI Red использовался для:

• Моделирования ядерных взрывов и проверки надёжности ядерного оружия без натурных испытаний.
• Расчётов гидродинамики и радиационного переноса.
• Моделирования климата, аэродинамики и материаловедения.
• Исследований в области астрофизики (например, моделирования взрывов сверхновых).

Критика и ограничения

Энергопотребление и тепловыделение

Высокое энергопотребление (850 кВт) и необходимость мощного охлаждения делали систему дорогой в эксплуатации. Стоимость электроэнергии и обслуживания составляла несколько миллионов долларов в год.

Устаревание архитектуры

К моменту вывода из эксплуатации в 2006 году ASCI Red уступал по производительности новым суперкомпьютерам на базе кластерных архитектур и процессоров с более высокой тактовой частотой. Массово-параллельная архитектура на основе процессоров Pentium III стала неэффективной по сравнению с системами на базе PowerPC (Blue Gene) и x86-64 (Opteron).

Ограничения программного обеспечения

Специализированная ОС TOS была сложна в поддержке и не поддерживала стандартные библиотеки и инструменты, что затрудняло перенос кода с других платформ.

Наследие и значение

ASCI Red стал важной вехой в истории суперкомпьютеров. Он продемонстрировал возможность создания систем терафлопсного класса на основе массово-параллельной архитектуры и коммерчески доступных процессоров. Опыт, полученный при разработке и эксплуатации ASCI Red, был использован при создании последующих суперкомпьютеров, включая ASCI White, ASCI Purple и Blue Gene. Компьютер также способствовал развитию методов параллельного программирования и систем охлаждения для высокопроизводительных вычислений.

Источники

• TOP500.org — исторические данные о производительности ASCI Red.
• Национальные лаборатории Сандия — отчёты о программе ASCI.
• Intel Corporation — техническая документация по ASCI Red.
• «The ASCI Red Supercomputer» — статья в журнале IEEE Computer (1998).
• «Accelerated Strategic Computing Initiative (ASCI)» — отчёт Министерства энергетики США.