Применение суперкомпьютеров

Суперкомпьютеры используются во всех сферах, где для решения задачи применяется численное моделирование; там, где требуется огромный объём сложных вычислений, обработка большого количества данных в реальном времени, или решение задачи может быть найдено простым перебором множества значений множества исходных параметров.

Совершенствование методов численного моделирования происходило одновременно с совершенствованием вычислительных машин: чем сложнее были задачи, тем выше были требования к создаваемым машинам; чем быстрее были машины, тем сложнее были задачи, которые на них можно было решать. Поначалу суперкомпьютеры применялись почти исключительно для оборонных задач: расчёты по ядерному и термоядерному оружию, ядерным реакторам. Потом, по мере совершенствования математического аппарата численного моделирования, развития знаний в других сферах науки — суперкомпьютеры стали применяться и в «мирных» расчётах, создавая новые научные дисциплины: численный прогноз погоды, вычислительная биология и медицина, вычислительная химия, вычислительная гидродинамика, вычислительная лингвистика и проч., — где достижения информатики сливались с достижениями прикладной науки.

Применение суперкомпьютеров предполагает два основных конкурентных преимущества: экономию времени и денег. Перевести эти преимущества на язык цифр можно на простом примере. Представим краш - тест автомобиля. Моделируя аварийные ситуации с виртуальным авто на суперкомпьютерах, компании экономят сотни тысяч долларов на испытаниях натурального автомобиля. В итоге машины разбивают лишь один раз — для верификации результата.

Ниже приведён далеко не полный список областей применения суперкомпьютеров:

- Математические проблемы: криптография, статистика

- Физика высоких энергий:

процессы внутри атомного ядра, физика плазмы, анализ данных экспериментов, проведенных на ускорителях;

разработка и совершенствование атомного и термоядерного оружия, управление ядерным арсеналом, моделирование ядерных испытаний;

моделирование жизненного цикла ядерных топливных элементов, проекты ядерных и термоядерных реакторов;

- Наука о Земле:

прогноз погоды, состояния морей и океанов;

предсказание климатических изменений и их последствий;

исследование процессов, происходящих в земной коре, для предсказания землетрясений и извержений вулканов;

анализ данных геологической разведки для поиска и оценки нефтяных и газовых месторождений, моделирование процесса выработки месторождений;

моделирование растекания рек во время паводка, растекания нефти во время аварий;

- Вычислительная биология: фолдинг белка, расшифровка ДНК

- Вычислительная химия и медицина: изучение строения вещества и природы химической связи как в изолированных молекулах, так и в конденсированном состоянии, поиск и создание новых лекарств

- Физика:

газодинамика: турбины электростанций, горение топлива, аэродинамические процессы для создания совершенных форм крыла, фюзеляжей самолетов, ракет, кузовов автомобилей;

гидродинамика: течение жидкостей по трубам, по руслам рек;

материаловедение: создание новых материалов с заданными свойствами, анализ распределения динамических нагрузок в конструкциях, моделирование крэш - тестов при конструировании автомобилей.

Чуть ли не самой важной задачей использования суперкомпьютеров в области медицины ведущие биологи и врачи считают разработку лекарственных препаратов, где начальный этап упрощается за счет применения методов компьютерного молекулярного моделирования. Исходя из этого, применение суперкомпьютеров для разработки лекарств не только даст мощный толчок для дальнейшего ускоренного развития биофармацевтики, но и повысит эффективность создания новых лекарственных препаратов, упростит и значительно сократит фазу тестирования препаратов за счет моделирования и, что в результате приведет к существенному удешевлению лекарств.

Уже сейчас для мощных суперкомпьютеров создали программу, моделирующую процессы протекающие в мозге млекопитающих. Доступные персональные суперкомпьютеры позволят решать медицинские задачи коллективно на уровне широкой сети медучреждений объединенных в ГРИД с формированием национальных баз знаний, качественно повышающих доступность знаний о человеке, принципах работы мозга и системного функционирования организма в целом.

Кардинально меняются возможности диагностических процессов как в осмыслении результатов известных инструментальных методов типа МРТ, так и возможности прогнозирования развития патологий в большой совокупности влияющих факторов посредством имитационного моделирования. Например: исследование процесса циркуляции крови, для нахождения причин новообразований, представляющих угрозу для человеческой жизни; исследование процесса инфицирования, для более глубокого понимания того, как атакует вирус. Ко всему прочему стоит прибавить моделирование возможности смешивания биологических материалов с пластиком или керамикой с целью создания более прочных протезов.

И всё же самая большая потребность в HPC-вычислениях существует в ядерной энергетике. Для выполнения условий международного договора о запрещении испытаний ядерного оружия основная задача заключается в том, чтобы без реальных испытаний на полигонах осуществлять расчёт процессов старения существующих ядерных зарядов. Главная же проблема ядерной энергетики – это построение вычислительного комплекса, на котором будет возможно моделирование ядерного взрыва в режиме реального времени. Даже машина с производительностью от 1 экзафлопс будет слишком медлительной для такого рода вычислений. И весьма вероятно, что для моделирования ядерного взрыва в режиме реального времени потребуется компьютер с производительностью более 100 йоттафлопс, то есть в 100 млн раз быстрее, чем 1 экзафлопс. Так что гонка вычислений будет продолжаться ещё не одно десятилетие.

Заключение

Еще 10-15 лет назад суперкомпьютеры были чем-то вроде элитарного штучного инструмента, доступного в основном ученым из засекреченных ядерных центров. Однако развитие аппаратных и программных средств сверхвысокой производительности позволило освоить промышленный выпуск этих машин, а число их пользователей в настоящее время достигает десятков тысяч. Фактически, в наши дни весь мир переживает подлинный бум суперкомпьютерных проектов, результатами которых активно пользуются не только такие традиционные потребители высоких технологий, как аэрокосмическая, автомобильная, судостроительная и радиоэлектронная отрасли промышленности, но и важнейшие области современных научных знаний.