Tìm hiểu sức mạnh của các "siêu máy tính" lừng lẫy trong quá khứ
| 29/04/2012 0:00 AM
Bài viết cung cấp thông tin về những siêu máy tính tiêu biểu nhất - nguồn gốc, tên gọi và những tính năng đột phá mà chúng sở hữu.
Thế nào là một “Siêu máy tính”? Tồn tại nhiều cách định nghĩa khác nhau, nhưng hiểu đơn giản, thuật ngữ “Siêu máy tính” được dùng để mô tả những mẫu máy tính vượt trội trong khả năng và tốc độ xử lý so với các sản phẩm cùng thời. Trải qua nhiều thập kỷ phát triển, diện mạo cũng như sức mạnh của các “siêu máy tính” đã có những chuyển biến rõ rệt. Bài viết dưới đây sẽ đi dọc chiều dài lịch sử, tìm hiểu những siêu máy tính tiêu biểu nhất - nguồn gốc, tên gọi và những tính năng đột phá mà chúng sở hữu.
Ví dụ về một hệ thống "Siêu máy tính"
Để tiện cho việc theo dõi của độc giả, trước tiên chúng ta cần hiểu rõ sự khác biệt giữa một số thuật ngữ chính bao gồm:
- Hz, MHz, GHz, …: Các đơn vị tần số dùng để đo số chu kì tính toán của các thiết bị điện tử (hay còn gọi là xung nhịp).
Máy tính có tốc độ 1 MHz tương đương với khả năng thực hiện được 1 nghìn tỷ vòng lặp tính toán trong 1 giây. Xét trong một dòng chip thì tần số càng cao ứng với tốc độ xử lý càng cao; tuy nhiên, khó có thể sử dụng tiêu chí này để so sánh sức mạnh của các dòng chip khác nhau. Lý do là vì một chu kì tính toán bao gồm một số lượng phép toán nhất định, và con số này là riêng biệt đối với từng loại chip.
- Flops (Floating point operations per second), Megaflops, Gigaflops, … : Số phép tính thực hiện được trong mỗi giây.
Máy tính có tốc độ xử lý 1 Megaflop tương đương với khả năng thực hiện 1 triệu phép toán trên tập số thực trong 1 giây. Cũng là một đại lượng đặc trưng cho tốc độ xử lý, nhưng Flops ưu việt hơn xung nhịp ở hai điểm: Thứ nhất, số phép tính trên giây có thể được so sánh trực tiếp trên các loại chip khác nhau. Thứ hai, đa số các siêu máy tính sau này đều được cấu thành từ một hệ thống rất nhiều vi xử lý; do đó, một đại lượng mang tính cộng dồn như Flops sẽ cho kết quả chính xác hơn xung nhịp rất nhiều.
1. Control Data Corporation (CDC) 6600 - 1964
CDC 6600.
CDC 6600 sở hữu kích thước khá khiêm tốn – bằng khoảng bốn tủ đựng hồ sơ cỡ trung bình. Tổng giá trị của cỗ máy này là 8 triệu USD (tương đương 60 triệu USD ở thời giá hiện nay). “Siêu máy tính” đầu tiên của thế giới chỉ được trang bị một CPU duy nhất với tốc độ 40MHz, khả năng tính toán tối đa ở mức 3 megaflops.
Trở lại thời điểm năm 1964, mẫu máy nhanh nhất trên thị trường lúc bấy giờ là IBM Stretch, với diện tích mặt sàn gần 200 mét vuông và mức giá bán khoảng 13 triệu USD. CDC 6600 ra mắt với kích thước nhỏ gọn hơn, mức giá chỉ bằng 60% trong khi tốc độ xử lý cao gấp … 10 lần. Đó chính là lý do vì sao CDC 6600 lại trở thành sản phẩm đầu tiên được phong danh hiệu “siêu máy tính”.
Nói về cấu trúc vận hành, CDC 6600 đã đi trước thời đại của mình hàng chục năm. Bộ xử lý trung tâm của mẫu máy này gồm 10 đơn vị chức năng vận hành cùng lúc, mỗi đơn vị phụ trách những tác vụ cụ thể như: Thực hiện phép cộng, thực hiện phép chia, … Bên cạnh đó, CDC 6600 còn có thêm 10 bộ xử lý ngoại vi nhằm duy trì hiệu suất hoạt động luôn ở mức tối đa. Siêu máy tính này cũng sở hữu một cơ chế tản nhiệt rất hiệu quả, hợp thành bởi các ống luân chuyển chất Freon chạy dọc hệ thống nối liền với một nguồn cấp nước lạnh đặt bên ngoài.
2. Cray 1 - 1976
Cray 1.
Sử dụng mạch tích hợp trên nền tảng 64-bit và hoạt động ở tốc độ 80 MHz, hiệu năng tính toán của Cray 1 có thể đạt mức 136 megaflops, bước đột phá so với con số 3 megaflops của CDC 6600. Tổng cộng, cỗ máy này bao gồm 1662 bảng mạch và 144 IC; toàn hệ thống được làm mát bởi cơ chế tản nhiệt bằng chất Freon lỏng.
Cray 1 sở hữu một thiết kế hết sức đặc biệt: Những mô đun xử lý tốc độ cao được đặt gần phần thân máy hơn, nhằm tối thiểu hóa độ dài dây dẫn. Nhờ vậy, quá trình truyền tải dữ liệu ổn định, thời gian hoạt động giữa của các mô đun được căn chỉnh hợp lý, dẫn tới tốc độ xử lý cao hơn.
Xuất phát điểm là một siêu máy tính chuyên giả lập các mô hình vũ khí hạt nhân tại Phòng thí nghiệm quốc gia của Mĩ tại Los Alamos, thật bất ngờ khi Cray 1 sau này trở thành một trong những siêu máy tính thành công nhất xét trên khía cạnh thương mại, với hơn 80 đơn vị sản phẩm được bán ra trong 7 năm (1976- 1982). Mức giá “vừa phải” (từ 5 – 8 triệu USD) là nguyên nhân chính giải thích cho mức độ “đắt hàng” của mẫu máy này.
3. Cray X-MP - 1982
Cray X-MP.
Cho đến thời điểm đầu những năm 80 của thế kỉ trước, trong khi hầu hết các siêu máy tính vẫn chỉ sử dụng một CPU duy nhất. Cray X-MP đã tạo ra bước ngoặt với 4 CPU trong cùng một khung máy. Các CPU này có cấu trúc tương tự với CPU của Cray 1; song nhờ tốc độ xung nhịp cao hơn (105 MHz) và băng thông bộ nhớ tăng gấp đôi, tốc độ xử lý của từng CPU riêng biệt có thể đạt mức 200 megaflops. Với tổng khả năng xử lý lên tới 800 megaflops, Cray X-MP xứng đáng với mức giá 15 triệu USD của mình (khoảng 32 triệu USD ở thời giá hiện nay).
Một điểm đáng chú ý khác của Cray X-MP là khả năng lưu trữ ấn tượng. Mẫu máy này sở hữu 32 đơn vị lưu trữ, với kích thước mỗi đơn vị tương đương một chiếc tủ nhỏ và khả năng lưu trữ tối đa lên tới 1,2 GB dữ liệu. Chi phí cho mỗi GB dữ liệu được ước tính vào khoảng … 225 nghìn USD, bù lại tốc độ truyền tải của X-MP có thể đạt 10MB/s – rất ấn tượng trong thời đại mà đĩa mềm còn là phương tiện lưu trữ thông tin phổ biến.
4. Cray 2 - 1985
Cray 2.
Cũng giống như Cray 1 và Cray X-MP, Cray 2 tiếp tục sử dụng hệ thống mạch tích hợp bao bọc trong phần khung máy hình móng ngựa. Bên trong thân máy, các bảng mạch được sắp xếp rất khít nhau nhằm tận dụng không gian đến mức tối đa; do đó, cơ chế tản nhiệt sử dụng chất Freon lỏng không còn hữu dụng, mà được thay thế bởi hệ thống làm mát bằng hơi Flourinert.
Với hiệu năng được cải thiện đáng kể và 8 CPU hoạt động cùng lúc, trong quá trình thiết kế Cray 2, Cray Research phải đối mặt với hiện tượng thắt cổ chai nghiêm trọng trong băng thông bộ nhớ. Để giải quyết vấn đề này, hãng đã sử dụng các vi xử lý bề mặt (foreground chip) để tải thông tin từ bộ nhớ chính về các vùng nhớ địa phương thông qua các mạng dữ liệu có băng thông gigabit/giây, sau đó mới đưa chỉ dẫn đến các vi xử lý nền (background chip) làm nhiệm vụ tính toán.
Đột phá trong cơ chế hoạt động cho phép Cray 2 đạt tốc độ xử lý tối đa lên tới 1,9 gigaflops - nhanh gấp đôi Cray X-MP và trở thành mẫu máy tính nhanh nhất thế giới cho đến năm 1990. Trái ngược với các siêu máy tính Cray khác (chỉ được sử dụng trong các cơ quan trực thuộc Chính phủ Mĩ), có thể bắt gặp Cray 2 trong trung tâm máy chủ của nhiều trường đại học và tổ chức tư nhân.
5. Làn sóng Nhật Bản – nửa đầu thập niên 90
Hitachi SR2201.
Sau 20 năm thống trị thị trường của nước Mĩ, những năm đầu thập niên 90 chứng kiến sự bành trường của một thế lực mới: các siêu máy tính đến từ Nhật Bản. Những đại diện tiêu biểu cho làn sóng này có thể kể đến NEC SX-3, Fujitsu Numerical Wind Tunnel hay Hitachi SR2201.
Sử dụng cấu trúc tương tự dòng máy Cray, những siêu máy tính này gồm nhiều vi xử lý hoạt động song song cùng với bộ nhớ truy cập nhanh, và lần lượt trở thành các mẫu máy tính nhanh nhất thế giới vào thời của chúng. Lấy ví dụ về Hitachi SR2201, mẫu máy này được ra mắt vào năm 1996, với 2048 vi xử lý và hiệu năng tính toán tối đa đạt 600 gigaflops.
Cũng trong khoảng thời gian này, bắt đầu xuất hiện xu hướng chuyển từ một mạng thông tin duy nhất tiến tới điện toán song song, khi hàng trăm thậm chí hàng ngàn CPU được kết nối và hoạt động cùng lúc. Đó cũng là nền tảng để công nghệ vi xử lý đa lõi phát triển sau này.
6. Intel – nửa cuối thập niên 90
ASCI Red.
Vì sao Intel – ông vua của thị trường vi xử lý từ những năm 70 lại chưa một lần được nhắc đến trong các mẫu siêu máy tính cho đến tận thời điểm này? Lý do chính dẫn đến thực tế trên là các đặc điểm đối nghịch giữa siêu máy tính và máy tính cá nhân. Trong khi một bên đặt khả năng xử lý lên hàng đầu; bên còn lại bị giới hạn bởi nhiều yếu tố: chi phí, năng lượng và cả độ nóng. Intel tập trung phát triển vi xử lý cho PC, vậy nên cũng dễ hiểu khi thị trường siêu máy tính không dành cho họ.
Sau nhiều thử nghiệm thất bại, vào năm 1996, Intel cho ra mắt ASCI Red – siêu máy tính đầu tiên cấu thành từ các loại vi xử lý đã được thương mại hóa. Sở hữu 6000 vi xử lý Pentium Pros ở tốc độ 200 MHz, ASCI Red là siêu máy tính đầu tiên vượt qua ngưỡng 1 teraflop (1 triệu tỷ phép tính mỗi giây). Sau này, ASCI Red tiếp tục được nâng cấp với 9298 vi xử lý Pentium II Xeon, đạt mức 3,1 teraflops. Siêu máy tính này giữ vững danh hiệu là siêu máy tính mạnh nhất thế giới trong 4 năm liền, và là mẫu máy đầu tiên vượt qua ngưỡng 1 megawatt điện năng tiêu thụ.
7. Beowulf Cluster – kỷ nguyên siêu máy tính … tự chế
Ví dụ về một hệ thống Beowulf Cluster.
Thành công của Intel như một lời khẳng định: Có thể sử dụng các loại vi xử lý đã được thương mại hóa để sản xuất siêu máy tính. Từ đó, trào lưu “tự chế” siêu máy tính bắt đầu nổ ra. Nói là “siêu máy tính” thì hơi phóng đại, vì thực chất Beowulf Cluster chỉ là hệ thống các máy tính làm việc song song với nhau. Hệ thống này chia các phép toán phức tạp thành các tác vụ nhỏ, sau đó phân công cho các máy con để xử lý đồng thời.
Thành phần cơ bản để xây dựng một hệ thống Beowulf cluster là những máy tính cá nhân sử dụng phần mềm mã nguồn mở. Cũng chính từ trào lưu này, Linux nổi lên như một hệ điều hành phổ biến cho các siêu máy tính. Các Beowulf Cluster có những đóng góp quan trọng trong nhiều lĩnh vực. Lấy ví dụ, Toy Story - bộ phim hoạt hình với doanh thu 360 triệu USD - đã được sản xuất từ một hệ thống như vậy.
8. IBM – những năm đầu thế kỉ 21
Một bảng mạch của Blue Gene/L với mật độ nút mạng dày đặc.
Sau thời kỳ thống trị của Intel với ASCI Red và ASCI White, đến năm 2002, với chi phí sản xuất 900 triệu USD và hiệu năng xử lý lên tới 35 teraflops, NEC Earth Simulator giành lại ngôi vị máy tính mạnh nhất thế giới về tay Nhật Bản. Tuy nhiên, chỉ 2 năm sau, gã khổng lồ công nghệ IBM cho ra mắt siêu máy tính Blue Gene/L, mở màn cho một series siêu máy tính “không có đối thủ” cho đến tận năm 2008.
Phiên bản đầu tiên của Blue Gene/L sở hữu 16000 nút mạng (mỗi nút gồm 2 CPU) và đạt hiệu năng 70 teraflops. Phiên bản cuối cùng – ra mắt năm 2007 – bao gồm trên 100000 nút mạng và mức hiệu năng được đẩy lên 600 teraflops. IBM không công khai tổng chi phí của các siêu máy tính này, nhưng nhiều nhận định cho rằng đây là một dự án tiêu tốn nhiều tỉ USD.
Blue Gene/L là một siêu máy tính đặc biệt vì hai lý do. Thứ nhất, thay vì sử dụng các vi xử lý mạnh mẽ nhưng tốn nhiều điện năng, mẫu máy này được cấu thành từ các chip RSC Power PC với hiệu suất sử dụng năng lượng rất cao. Thứ hai, các nút mạng được sắp xếp với mật độ khủng khiếp, nhưng không cần đến sự trợ giúp của bất kỳ loại tản nhiệt nước hay hơi nào.
Blue Gene/L là máy tính mạnh nhất thế giới trong một khoảng thời gian dài, cho đến năm 2008, khi nó bị vượt qua bởi một sản phẩm khác của IBM – siêu máy tính Roadrunner với hiệu năng xử lý vượt qua ngưỡng … 1 petaflops (1 triệu tỷ phép tính trên giây).
9. Trung Quốc – từ năm 2010
Tianhe-1A.
Bước vào thế kỉ XXI, Trung Quốc đạt được những bước tiến mạnh mẽ trong mọi lĩnh vực, bao gồm cả công nghệ sản xuất phần cứng; nhưng phải đợi đến năm 2010, quốc gia đông dân nhất thế giới này mới lần đầu tiên lên “đỉnh” ở phân khúc siêu máy tính với Tianhe-1A. Mẫu máy này sở hữu 14336 CPU Intel Xeon X5670 và 6168 GPU Nvidia Tesla, đạt hiệu năng xử lý tối đa lên tới 2,5 petaflops.
Tuy nhiên, với chủ trương giảm dần sự lệ thuộc vào nguồn công nghệ nước ngoài, thành tựu lớn nhất mà Trung Quốc đạt được cho đến thời điểm hiện tại chính là sự ra đời của siêu máy tính Sunway. Siêu máy tính này có khả năng tính toán thấp hơn Tianhe-1A, “chỉ” 1 petaflops, nhưng 100% vi xử lý của máy mang thương hiệu bản địa Shenwei. Sunway giống như một lời khẳng định: Trung Quốc đang dần bắt kịp và có khả năng tạo ra những sản phẩm công nghệ cao không thua kém các quốc gia phương Tây.
10. Hiện tại và tương lai
Fujitsu's K.
Ngôi vị mẫu máy tính mạnh nhất thế giới ở thời điểm hiện tại đang thuộc về Nhật Bản với siêu máy tính Fujitsu’s K. Mẫu máy này được cấu thành từ 88128 vi xử lý 8 lõi SD ARC 64, mỗi vi xử lý địa phương được trang bị 16 GB RAM; nhờ đó mức hiệu năng xử lý tối đa lên tới 10 petaflops. Fujitsu’s K nắm giữ nhiều kỉ lục khác: Siêu máy tính có mức điện năng tiêu thụ cao nhất - 10 Megawatt (gấp 5 lần mức sản lượng của … thủy điện Hòa Bình), siêu máy tính có giá trị lớn nhất – 100 tỷ yên Nhật (1,25 tỷ USD).
Mục tiêu tiếp theo trong cuộc đua sức mạnh siêu máy tính sẽ là mức hiệu năng tính toán exaflops – 1 exaflop tương ứng với 1 tỷ tỷ phép toán trong một giây. Một số dự án đã được khởi động, như Square Kilometre Array – siêu máy tính phân tích dữ liệu thiên văn của IBM. Với tốc độ tăng trưởng hiện tại, nhiều dự báo cho rằng giới hạn trên sẽ bị vượt qua vào khoảng năm 2018 – 2020.
Kết luận
Bài viết xin được tạm kết bằng một phép toán đơn giản: Sức mạnh của các siêu máy tính đã tăng từ 3 megaflops đến 10 petaflops (gấp 3,3 tỉ lần) trong 48 năm. Vậy 10, 50, 100 năm nữa, những cỗ máy này sẽ phát triển đến đâu? Liệu có giới hạn nào mà công nghệ điện toán không thể chinh phục được? Hãy để thời gian trả lời.
Tham khảo: extremetech