Ссылки для упрощенного доступа

logo-print

Лос-аламосские суперкомпьютеры. Тайны гигантских черепах


Темы передачи: лос-аламосские суперкомпьютеры, океанские странствия гигантских черепах, а также короткие научные новости.

Лилия Шукаева: Хорошо известный всем компьютерщикам закон Мура, действующий уже в течение многих лет, гласит, что число транзисторов на микрочипах удваивается каждые 18 месяцев, что и позволяет постоянно повышать быстродействие компьютеров. Однако на пути дальнейшего технического прогресса постепенно возникает досадное препятствие: вместе с ростом числа транзисторов экспоненциально растет и тепловыделение, буквально грозящее расплавить микрочипы. Один британский компьютерщик недавно наглядно продемонстрировал это эффект. Он открыл свой компьютер, поставил на микропроцессор самодельную сковородку из алюминиевой фольги и за 11 минут пожарил себе яичницу.

Этот шутливый эксперимент был опубликован в ведущем британском компьютерном журнале "The Register". Как предсказывают специалисты, к 2010-м году на одном чипе уже удастся разместить миллиард транзисторов, а их суммарное тепловыделение достигнет 1000 ватт. Это больше тепла, чем выделяется на единицу площади в ядерном реакторе.

Такое сравнение особенно уместно в Лос-Аламосской Национальной Лаборатории, находящейся в штате Нью-Мексико. В этой лаборатории установлены два новых мощных компьютера "Q" и "Green Destiny". Оба они достигают высокого быстродействия, используя множество стандартных процессоров. Но в то время как энергетически прожорливый "Q" был спроектирован с целью достичь максимального быстродействия, проектировщики "Green Destiny" стремились к достижению эффективности. Таким образом, эти компьютеры воплощают в себе как бы два диаметрально противоположных подхода к развитию компьютеростроения.

Обе машины были недавно продемонстрированы публике на церемонии, посвященной открытию специального Центра по моделированию физических процессов. Это трехэтажное здание было специально построено для "Q", одного из двух самых мощных компьютеров в мире. Другой аналогичный компьютер находится в Японии. Глядя на внушительную конструкцию, посетитель может принять компьютер за электростанцию с небольшими шкафами-градирнями для сбрасывания тепловых отходов вычислительного процесса.

Быстродействие "Q" составляет "30 тераоп". Это значит, что он выполняет 30 триллионов математических операций в секунду. Эту вычислительную мощь владельцы компьютера из Министерства энергетики США собираются использовать для полноразмерного объемного моделирования физических процессов ядерных взрывов.

"Международные договоры и правила запрещают теперь ядерные взрывы, - говорит сотрудник Лос-Аламосской лаборатории, руководящий вычислительными работами, Крис Кемпер. - Раньше мы могли их производить в пустынях штата Невада и потом сравнивать экспериментальные данные с теорией. Теперь же нам приходится ограничиваться компьютерным моделированием".

Конечно, при моделировании, испытании "ин силико", как выражаются специалисты, выделяется меньше энергии, чем при взрыве, однако мощность, потребляемая компьютером "Q", занимающем 2 тыс. кв. м, составляет внушительные 3 тысячи киловатт да еще 2 тысячи киловатт расходуются на работу системы охлаждения. Столько электроэнергии достаточно для поселка из 5 тысяч индивидуальных домов. Но это только начало. На очереди строительство компьютера на 100 триллионов вычислений в секунду. Ему потребуется уже 30 тысяч киловатт - мощность, достаточная для небольшого города.

Вот тут-то на выручку и должен прийти "Green Destiny". В то время, как всеобщее внимание было приковано к гиганту "Q", соперничающая группа компьютерщиков демонстрировала в соседнем загроможденном разным оборудованием складском здании свою вычислительную машину - компактный, энергетически эффективный компьютер, не требующий для охлаждения даже простого вентилятора. Его размеры - 40 на 60 см в плане при высоте около двух метров, то есть, с обычный домашний холодильник.

При быстродействии в 160 гигаоп, или "всего" 160 миллиардов операций в секунду эта машина - не соперница "Q",. Но по своим удельным параметрам она его превосходит. Хотя она в 200 раз медленнее, стоит она в 640 раз дешевле - не 215 миллионов, а всего 335 тысяч, да еще не требует 90-миллионного обеспыленного здания со строго контролируемым температурным режимом.

"Green Destiny". не привередлив. Компьютер деловито пыхтит в окружении картонных коробок и ящиков с запчастями. И если "Q" и его охлаждающая система потребляют 5 тысяч киловатт, то "Green Destiny". удовлетворяется одной тысячной этой мощности, всего 5 киловаттами. И даже если его быстродействие довести до тех же 30 тераоп, сделав его похожим на зал, уставленный холодильными шкафами, что теоретически вполне возможно, то и то все эти шкафы будут потреблять не более одной тысячи киловатт.

"Все более громоздкие, хотя и быстродействующие машины больше не могут нас удовлетворить, их время прошло, -говорит руководитель проекта "Green Destiny". доктор Ву-Чунг Фенг. - Доктрина "быстродействие любой ценой" себя изжила.

Дело не только в экономичности. Чем больше электроэнергии потребляет компьютер, тем сильнее он греется. Поднимите температуру на 10 градусов, говорит доктор Фенг, и надежность упадет вдвое. "Q" может работать на своем пределе всего несколько часов, после чего он требует частичной переборки. Такой же компьютер, как "Green Destiny", может работать месяцами, не требуя какого-либо ухода.

"Перед нами сейчас две альтернативы, -говорит доктор Фенг. - Хотя это технически и возможно, следовать закону Мура вряд ли имеет смысл, учитывая проблемы надежности, габаритов и энергетической эффективности. Мы не утверждаем, что "Green Destiny". является полноценной заменой таких машин, как "Q" , но мы должны попробовать и другое направление".

Перегрев компьютеров - это, конечно, не новая проблема. Компьютерщикам уже давно приходится искать компромиссов между быстродействием и эффективностью. "Сейчас все мы пытаемся научиться правильно работать на самых больших машинах, - говорит доктор Майк Левайн, научный руководитель Питтсбургского вычислительного центра и профессор физики университета Карнеги-Меллона. - Разработка такого проекта, как "Green Destiny", - подходящий способ привлечь внимание специалистов. Но это лишь первый шаг к решению сложной проблемы".

"Green Destiny" относится к классу компьютеров типа "Beowulf". Названные по имени героя древнего английского эпоса, эти машины собираются из обычных персональных компьютеров, соединяемых в одну сеть и взаимодействующих через "Eternet". Это распространенная технология, используемая сейчас при работе и дома, и в офисе. В результате рядовые потребители с исследовательскими бюджетами в десятки и сотни тысяч долларов получают доступ к вычислительным мощностям, стоящим сотни миллионов, как "Q" .

Группа доктора Фенга, в которую также входят доктора Майкл Уоррен и Эрик Уэгл, начала работу аналогичным образом. Но в то время, как "Beowulf". собираются из обычных процессоров, для "Green Destiny". были использованы специальные маломощные чипы, предназначенные для переносных компьютеров.

Вычислительная мощность чипов обычно определяется сложными электронными цепями, состоящими из миллионов невидимых крошечных транзисторов. Конструктивно упрощенные чипы, типа Transmet, обходятся почти безо всех этих энергопотребляющих транзисторов, выполняя их важные функции с помощью программ - инструкций, закодированных в памяти чипов. Каждый чип вместе с другими компонентами монтируется на маленьких шасси, которые собираются в высокие стопки - башенки. В результате получается компьютер, сфокусированный, так сказать, на эффективности, а не на грубой, прямолинейной вычислительной мощности.

У этого метода имеются свои ограничения. Ведь мощность компьютера зависит не только от скорости работы процессоров, но и от быстроты их взаимодействия. Соединенные высокоскоростным оптическим кабелем, подсекции, или "узлы" "Q" обмениваются данными со скоростью 6,3 гигабит в секунду. В то же время скорость связи между узлами "Green Destiny" ограничена этернетскими 100 мегабитами.

Тесная коммуникационная связь между узлами "Q" играет решающую роль в интенсивной расчетной работе, необходимой при моделировании ядерных взрывов. Недавний эксперимент такого рода, проделанный на специальном супекомпьютере для Стратегических Программ в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии, занял четыре месяца непрерывного счетного времени. Самому совершенному современному персональному компьютеру для этого потребовалось бы работать 24 часа в сутки в течение более 750 лет.

Доктор Фенг прикинул возможность повысить класс "Q" до возможности использования Eternet с гигабитной пропускной способностью, которая вскоре, видимо, станет стандартной. Но при современной технологии это приведет к повышению энергопотребления и тем самым сведет на нет основное преимущество этой машины.

Однако, в любом случае теперешнее направление в создании суперкомпьютеров натолкнется на непреодолимое препятствие перегрева. И тогда, как надеется доктор Фенг, что-то подобное "Beowulf". придет им на смену и станет основой для суперкомпьютера образца 2010-го года. .

Между тем, "компьютерная гонка вооружений" отнюдь не ослабевает. Этой весной в Ливерморской лаборатории началось строительство нового Центра моделирования, рассчитанные на машины "тера-класса". В нем будут установлены две вычислительные машины на 100 тераоп каждая.

Александр Сиротин: Мозг у нее величиной с человеческий палец, но ее биография уходит в мезозойскую эру. Таковы гигантские морские черепахи, обладающие мощным инстинктом, благодаря которому, они, вероятно, и сохранились до наших дней. Но для ученых-биологов эти черепахи во многом остаются загадкой.

Словно морской десант, выбрасываются они на песчаные пляжи Флориды и островов Карибского моря. Зеленые, кожистые, оливковые - все эти морские черепахи спешат на берег, где могут отложить яйца. Этот цикл их жизни повторяется сотни тысяч, а то и миллионы лет. Эти черепахи, наверное, были современницами динозавров и так же, как динозавры, они остаются загадкой для человека.

В течение нескольких недель маленькие черепашки вылупливаются из яиц и тянутся к воде, пытаясь увернуться от летающих, ползающих, бегающих и плавающих хищников. Там, в пенистой зоне прибоя, начинается их путь во взрослую жизнь. "Они на много лет исчезают в океане, и только превратившись в гигантов весом в десятки и сотни кг, возвращаются на сушу для кладки яиц", - говорит профессор университета Центральной Флориды, биолог Ллевелин Эрхарт, который изучает морских черепах уже 30 лет. "А потом , - продолжает он, - опять в океан, и куда они там исчезают, нам до сих пор не совсем понятно".

Впрочем, в последнее время спутниковая связь пришла на помощь ученым в их попытке найти ответ на этот вопрос. Спутники помогают профессору Эрхарту следить за взрослыми черепашьими самками, мигрирующими после кладки яиц на тысячи километров.

Еще одна важная задача, поставленная учеными-биологами - изучить особенности жизни черепах и найти объяснение тому, каким образом они смогли сохранить свой вид почти в неизменном виде в течение многих тысячелетий вопреки всем негативным последствиям человеческой деятельности.

За последние три года профессор Эрхарт и его коллега Скотт Эккерт, биолог из научно-исследовательского Института океанологии в Сан-Диего, Калифорния, сконцентрировали свое внимание на кожистых черепахах, крупнейших в мире, достигающих веса в полтонны и более. А их очень длинные передние ласты в размахе могут превысить два с половиной метра. Мягковатый кожистый панцирь с костяными наростами прикрывает маслянистую кожу этих черепах, на ощупь напоминающую поверхность баклажана.

Сейчас ученые больше всего опасаются попадания кожистых черепах в гибельные сети ловцов креветок. Попав в сети, они почти всегда погибают. Так происходит, в частности, у берегов штатов Флорида и Джорджия.

Биологи уже собрали немало данных о кожистых черепахах, и некоторые данные удивляют ученых. Например, почему эти черепахи предпочитают кормиться поближе к берегу, как раз там, где водятся креветки, вместо того, чтобы плавать в дальних водах Атлантики, как это делает большинство их сородичей? Огромные панцири множества кожистых черепах были найдены прошлой зимой у берегов Джорджии и северной части Флориды. По мнению профессора Эрхарта, объяснить гибель такого большого количества черепах нападениями хищников или другими естественными причинами довольно трудно.

Взрослые кожистые черепахи распространены по всем океанам земного шара, от тропических до субарктических. Они могут уходить на морскую глубину до 800 метров в поисках своего любимого лакомства - медуз. Такие глубинные погружения позволяют им также ускользать от преследования хищников, вроде касаток.

Традиционные места кладки яиц кожистых черепах - это песчаные пляжи вдоль северных берегов стран Латинской Америки. Но в последние годы эти черепахи все чаще появляются у берегов Флориды. Это позволило американским ученым два года назад начать научный эксперимент по спутниковому слежению за глобальными передвижениями гигантских черепах. Первым объектом такого слежения стала черепаха, которую студенты профессора Эрхарта прозвали "Китаяночкой". После того как черепаха отложила в гнезде около 80 яиц, каждое величиной с теннисный мяч, на ее спине был смонтирован водонепроницаемый радиопередатчик и батарейка. С таким оснащением Китаяночка была отпущена в океан.

Передатчик подавал сигналы на спутник, обращавшийся по орбите, но это происходило только тогда, когда черепаха всплывала на поверхность, то есть, примерно, 20% времени, говорит профессор Эккерт. Таким образом удалось выяснить, что Китаяночка уплыла на сотни километров к северу и добралась до канадской провинции Новая Шотландия, в прохладных водах которой черепахи находят много медуз. Затем Китаяночка проделала обратный путь до флоридского мыса Канаверал, чтобы в 8-й, видимо, раз в своей жизни отложить яйца. После этого Китаяночка вновь взяла курс на север, но вскоре "притормозила" у южной границы штата Нью-Джерси. В ноябре она подавала сигналы из территориальных вод штата Северная Каролина. К сожалению, здесь передатчик вышел из строя, и черепаха бесследно скрылась в океанских просторах.

Весной 2001-го года, получив более щедрое финансирование, группа исследователей расширила эксперимент, включив в него еще пять кожистых черепах, снабженных радиопередатчиками. Этот эксперимент преподнес исследователям несколько неожиданных сюрпризов.

Странствуя независимо друг от друга, две черепахи доплыли от Флориды до Новой Шотландии, откуда затем повернули обратно. Одна из них к январю этого года доплыла до Южной Америки. Третья черепаха пересекла океан и к нынешней весне, к марту, оказалась у берегов Африки. Дальше проследить ее путь не удалось, так как радиосигналы прекратились. Но передатчик проработал почти год! Последние две черепахи, подобно Китаяночке за год до этого, удивили ученых своей привязанностью к прибрежным водам Флориды, богатым креветками. Они оставались здесь до тех пор, пока перестали работать их радиопередатчики.

"В общем, сначала черепахи странствовали в различных направлениях, но затем все они, видимо, возвращались к берегам Флориды", говорит профессор Эккерт. Такое постоянство огорчило ученых, потому что именно здесь, вблизи берегов северной Флориды, ведется массовый лов креветок. И хотя рыболовные траулеры снабжены специальными приспособлениями, позволяющими черепахам уходить из сетей, гигантские кожистые черепахи в них все-таки застревают.

Исследователи надеялись, что черепахи, которые участвовали в описанном эксперименте, вновь этим летом вернутся для кладки яиц на старое место, и тогда к ним можно будет прикрепить новые передатчики, чтобы установить, всегда ли придерживаются черепахи своих индивидуальных океанских маршрутов. Ожидая их возвращения, ученые и их студенты дежурили на песчаных пляжах даже ночами. Но черепахи не появились ни в июне, ни в начале июля. Профессор Эрхарт надеется, что это вызвано какими-то климатическими и температурными изменениями, а не более драматическими событиями.

Тем временем, студенты сумели закрепить радиопередатчики на спинах новых четырех черепах. Профессор Эккерт разрабатывает сейчас более совершенную аппаратуру, которая могла бы непрерывно проработать по крайней мере 2 года. Ведь ученым необходимо узнать главную тайну всех морских черепах: куда они уплывают в первые годы своей жизни?

Евгений Муслин: И в заключение нашей передачи сообщение о планах строительства революционного астрономического инструмента.

Европейские астрономы выдвинули проект строительства гигантского телескопа, по своим размерам и возможностям многократно превосходящего все существующие астрономические инструменты подобного назначения. Создание такого телескопа потребует международного финансирования и дружных усилий нескольких стран.

Главное зеркало гигантского телескопа будет иметь более 100 метров в поперечнике, разрешение в 40 раз большее, а чувствительность в несколько тысяч раз большую, чем у орбитального телескопа Хаббла.

Гигантский телескоп будет установлен на высоте 5 тысяч метров над уровнем моря и будет управляться почти как космическая обсерватория астрономами, живущими в нескольких километрах, на высоте не более 3 тысяч метров.

Южная Европейская Обсерватория - так называется организация, выдвинувшая этот проект - ведет сейчас переговоры с Чили. На территории именно этой страны планируется установить гигантский телескоп. Если говорить точнее, то он будет установлен в пустыне Атакама, одном из самых сухих мест на земном шаре, где атмосфера меньше всего мешает астрономическим наблюдениям.

Точная стоимость и конкретные технические детали проекта пока еще прорабатываются проектировщиками, которые собираются использовать все последние достижения компьютерной и оптической технологии для создания поистине революционного инструмента. Уже известно, однако, что главное зеркало, как и 10-метровое зеркало американского телескопа Кек на Гавайах, будет состоять из 1500 шестиугольных сегментов и в нем будет использована активная и адаптивная оптика, улучшающая оптическое разрешение.

Как заявил Роберто Гилмози, директор крупнейшего радиотелескоп, также расположенного в Чили, "новый телескоп с зеркалом размером с футбольное поле кажется невероятным. Тем не менее, постройка его вполне реальна при существующем уровне развития техники. Такой телескоп освободит астрономическую мысль от традиционной смирительной рубашки - от устаревшего убеждения, что каждое новое поколение телескопов должно превосходить предыдущее только в два раза. На этот раз нас ждет настоящая революция в наземной астрономии".

XS
SM
MD
LG