Суперкомпьютер Pleiades

Pleiades — это суперкомпьютер, созданный компанией Silicon Graphics International (SGI) для Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) США. Расположенный в Центре передовых вычислений NASA (NCCS) в Исследовательском центре Эймса (Калифорния, США), он являлся одним из самых мощных суперкомпьютеров в мире в период с 2008 по 2019 год. Система была предназначена для выполнения сложных научных и инженерных расчётов, связанных с космическими программами, климатическим моделированием, аэродинамикой и астрофизикой.

История

Разработка Pleiades началась в 2008 году в рамках программы NASA по модернизации вычислительных мощностей для поддержки миссий, таких как проект «Созвездие» (Constellation) по возвращению человека на Луну. Первоначально система была построена на базе процессоров Intel Xeon серии 5400 (Harpertown) и имела пиковую производительность около 487 терафлопс (TFLOPS). Ввод в эксплуатацию состоялся в декабре 2008 года.

На протяжении следующих десяти лет Pleiades многократно модернизировался. Каждое обновление включало замену вычислительных узлов на более современные процессоры Intel Xeon (серий 5500, 5600, E5, E7 и Xeon Phi), а также увеличение объёма оперативной памяти и пропускной способности сети InfiniBand. В результате пиковая производительность системы выросла более чем в 20 раз — до 9,95 петафлопс (PFLOPS) к 2019 году.

В 2020 году Pleiades был выведен из эксплуатации. Его функции были переданы более новым системам, включая суперкомпьютер Aitken, также расположенный в Исследовательском центре Эймса, и другие вычислительные кластеры NASA.

Архитектура и технические характеристики

Вычислительные узлы

Pleiades представлял собой гетерогенную систему, состоящую из нескольких поколений вычислительных узлов, объединённых в единый кластер. Основные типы узлов включали:

• SGI ICE X — узлы на базе процессоров Intel Xeon E5-2680v3 (Haswell) с 12 ядрами и 64 ГБ оперативной памяти.
• SGI ICE XA — узлы на базе процессоров Intel Xeon E5-2680v4 (Broadwell) с 14 ядрами и 128 ГБ оперативной памяти.
• SGI UV 3000 — узлы с общей памятью (SMP) на базе процессоров Intel Xeon E7-8870v4 (Broadwell) с 20 ядрами и до 6 ТБ оперативной памяти, предназначенные для задач с интенсивным обменом данными.

Общее количество процессорных ядер в системе на пике составляло более 241 000. Объём оперативной памяти превышал 900 терабайт.

Система хранения данных

Для хранения данных использовалась параллельная файловая система Lustre. Общая ёмкость дискового массива составляла около 100 петабайт. Пропускная способность ввода-вывода достигала 200 гигабайт в секунду, что позволяло эффективно обрабатывать большие объёмы данных, генерируемые в ходе моделирования.

Сеть

Коммуникация между узлами осуществлялась по сети InfiniBand с топологией «толстое дерево» (fat tree). Использовались протоколы FDR (Fourteen Data Rate) и EDR (Enhanced Data Rate) с пропускной способностью до 56 Гбит/с и 100 Гбит/с на линию соответственно. Это обеспечивало низкую задержку и высокую скорость обмена данными, критически важную для параллельных вычислений.

Энергопотребление и охлаждение

Пиковое энергопотребление Pleiades составляло около 4,5 мегаватт. Для охлаждения использовалась система жидкостного охлаждения с замкнутым контуром, что позволяло поддерживать стабильную температуру в вычислительном зале. Система располагалась в специально спроектированном здании с резервными источниками питания.

Применение

Pleiades использовался для широкого спектра научных и инженерных задач NASA, включая:

• Климатическое моделирование: расчёты глобальных климатических изменений, прогнозирование погоды, моделирование океанических течений и атмосферных процессов. Например, система использовалась для уточнения моделей изменения климата в рамках проекта NASA Earth Exchange.
• Аэродинамика и космическая техника: моделирование обтекания воздушных и космических аппаратов, оптимизация формы крыльев и фюзеляжей, расчёты тепловых нагрузок на теплозащитные экраны. В частности, на Pleiades проводились симуляции для программы Space Launch System (SLS) и марсианских миссий.
• Астрофизика: моделирование эволюции звёзд, галактик и чёрных дыр, расчёты гравитационных взаимодействий в многокомпонентных системах. Система использовалась для обработки данных с космических телескопов, таких как Hubble и James Webb.
• Биология и материаловедение: молекулярное моделирование, расчёты свойств новых материалов, симуляции биологических процессов на молекулярном уровне.
• Криптография и безопасность: тестирование алгоритмов шифрования и моделирование атак на криптографические системы.

Значение и влияние

Pleiades стал одним из самых производительных суперкомпьютеров в мире, регулярно входя в первую десятку рейтинга TOP500 (в 2009 году занимал 3-е место). Он позволил NASA выполнять расчёты, которые ранее были невозможны из-за ограничений вычислительных мощностей. Система способствовала ускорению разработки космических аппаратов, улучшению точности климатических прогнозов и расширению фундаментальных научных знаний.

Вывод Pleiades из эксплуатации в 2020 году ознаменовал завершение эпохи, когда суперкомпьютеры на базе архитектуры x86 доминировали в высокопроизводительных вычислениях. Его преемники, такие как Aitken, используют более энергоэффективные процессоры и новые архитектуры, включая графические ускорители (GPU) и специализированные чипы.

Интересные факты

• Название «Pleiades» (Плеяды) происходит от рассеянного звёздного скопления в созвездии Тельца, что символизирует связь с космическими исследованиями.
• Система была построена компанией SGI, которая в 2016 году была приобретена Hewlett Packard Enterprise (HPE).
• В 2015 году на Pleiades была выполнена самая большая на тот момент симуляция столкновения галактик, включавшая 60 миллиардов частиц.
• Для охлаждения системы использовалось более 1000 километров медных трубок с хладагентом.

Источники

• NASA Advanced Supercomputing Division. «Pleiades Supercomputer». NASA.
• TOP500.org. «Pleiades — SGI ICE X, Xeon E5-2680v3 12C 2.5GHz, InfiniBand FDR». TOP500 List.
• Silicon Graphics International. «Pleiades: NASA’s Supercomputer for Space Exploration». SGI White Papers.
• Hewlett Packard Enterprise. «NASA’s Pleiades Supercomputer». HPE Case Studies.
• Intel Corporation. «NASA’s Pleiades Supercomputer Powered by Intel Xeon Processors». Intel Case Studies.