Die Supercomputing-Technologie umfasst Supercomputer, d. h. die schnellsten Computer der Welt. Supercomputer bestehen aus Verbindungselementen, E/A-Systemen, Speicher und Prozessorkernen.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Computern verwenden Supercomputer mehr als nur eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU). Diese CPUs sind in Rechenknoten zusammengefasst, die aus einem Prozessor oder einer Gruppe von Prozessoren – symmetrisches Multiprocessing (SMP) – und einem Speicherblock bestehen. Bei entsprechender Skalierung kann ein Supercomputer Zehntausende von Knoten enthalten. Aufgrund ihrer Fähigkeit zur Verbundkommunikation können diese Knoten gemeinsam an der Lösung eines bestimmten Problems arbeiten. Knoten verwenden Verbindungen außerdem, um mit E/A-Systemen zu kommunizieren, wie z. B. Datenspeicher und Netzwerken.
Es ist zu beachten, dass Rechenzentren aufgrund des Stromverbrauchs moderner Supercomputer Kühlsysteme und geeignete Räumlichkeiten für die Unterbringung des gesamten Systems benötigen.
Algorithmen für maschinelles Lernen werden dazu beitragen, der medizinischen Forschung einen umfassenden und detaillierteren Überblick über die Bevölkerung der USA, die an einer Krebserkrankung leidet, zu geben.
Deep Learning könnte Wissenschaftlern dabei helfen, Materialien für bessere Batterien, widerstandsfähigere Baumaterialien und effizientere Halbleiter zu identifizieren.
Mithilfe einer Mischung aus Techniken der künstlichen Intelligenz (KI) werden die Forscher Muster in der Funktion, Zusammenarbeit und Evolution menschlicher Proteine und zellulärer Systeme identifizieren.
Da Supercomputer häufig zur Ausführung von Programmen im Bereich der künstlichen Intelligenz verwendet werden, ist Supercomputing zum Synonym für KI geworden. Die regelmäßige Nutzung im KI-Bereich ist darauf zurückzuführen, dass Supercomputer die hohe Rechenleistung bieten, die KI-Programme erfordern. Mit anderen Worten, Supercomputer können die Arten von Workloads bewältigen, die typischerweise für KI-Anwendungen benötigt werden.
So hat IBM beispielsweise die Supercomputer Summit und Sierra mit Blick auf Big Data und KI-Workloads entwickelt. Sie helfen dabei, Supernovae zu modellieren, neue Materialien zu entwickeln und Krebs, Genetik und die Umwelt zu erforschen, wobei sie Technologien einsetzen, die allen Unternehmen zur Verfügung stehen.
Supercomputing wird in Gleitkommaoperationen pro Sekunde (FLOPS) gemessen. Petaflops sind ein Maß für die Verarbeitungsgeschwindigkeit eines Computers und entsprechen einer Billion Flops. Und ein 1-Petaflop-Computersystem kann eine Quadrillion (1015) Flops ausführen. Anders betrachtet können Supercomputer über eine Million Mal mehr Rechenleistung verfügen als der schnellste Laptop.
Entsprechend der TOP500-Liste (Link befindet sich außerhalb von ibm.com), ist der schnellste Supercomputer der Welt der japanische Supercomputer Fugaku mit einer Geschwindigkeit von 442 Petaflops (Stand: Juni 2021). Die IBM-Supercomputer Summit und Sierra belegen den zweiten und dritten Platz mit 148,8 bzw. 94,6 Petaflops. Summit befindet sich im Oak Ridge National Laboratory, einer Einrichtung des US-Energieministeriums im Bundesstaat Tennessee. Sierra befindet sich am Lawrence Livermore National Laboratory im Bundesstaat Kalifornien.
Um die heutigen Geschwindigkeiten richtig einzuordnen: Als der Supercomputer Cray-1 im Jahr 1976 im Los Alamos National Laboratory installiert wurde, erreichte er eine Geschwindigkeit von etwa 160 Megaflops. Ein Megaflop kann eine Million (106) Flops ausführen.
Der Begriff Supercomputing wird manchmal als Synonym für andere Arten von Computing verwendet. Aber manchmal können die Synonyme etwas verwirrend sein. Um Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen den Arten von Computing zu verdeutlichen, finden Sie hier einige gängige Vergleiche.
Während sich Supercomputing typischerweise auf den Prozess komplexer und umfangreicher Berechnungen bezieht, der von Supercomputern ausgeführt wird, ist High Performance Computing (HPC, d. h. Hochleistungs-Computing) der Einsatz mehrerer Supercomputer zur Verarbeitung komplexer und umfangreicher Berechnungen. Beide Begriffe werden oft synonym verwendet.
Supercomputer werden manchmal auch als Parallelcomputer bezeichnet, da Supercomputing den Ansatz der Parallelverarbeitung nutzen kann. Von Parallelverarbeitung spricht man, wenn mehrere CPUs gleichzeitig an der Lösung einer einzigen Berechnung arbeiten. Auch HPC-Szenarien verwenden jedoch Parallelverarbeitung, ohne dabei unbedingt einen Supercomputer zu verwenden.
Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass Supercomputer andere Prozessorsysteme wie z. B. Vektorprozessoren, Skalarprozessoren oder Multithreading-Prozessoren verwenden können.
Quanten-Computing ist ein Computing-Modell, das die Gesetze der Quantenmechanik nutzt, um Daten zu verarbeiten und Berechnungen auf der Grundlage von Wahrscheinlichkeiten durchzuführen. Dieses Modell zielt darauf ab, komplexe Probleme zu lösen, die auch die leistungsstärksten Supercomputer der Welt nicht lösen können und niemals lösen werden.
Supercomputing hat sich über viele Jahre hinweg entwickelt, seit die Colossus-Maschine in den 1940er Jahren in Bletchley Park in Betrieb genommen wurde. Der Colossus war der erste funktionsfähige, elektronische, digitale Computer, der von Tommy Flowers, einem Telefon-Forschungsingenieur des General Post Office (GPO), entworfen wurde.
Der Begriff Supercomputer wurde ab Anfang der 1960er Jahre verwendet, als IBM den IBM 7030 Stretch und Sperry Rand den UNIVAC LARC vorstellten, die ersten beiden Supercomputer, die dafür konzipiert waren, leistungsfähiger als die zu dieser Zeit auf dem Markt erhältlichen schnellsten Maschinen zu sein. Weitere Ereignisse, die den Fortschritt des Supercomputing beeinflussten, setzten in den späten 1950er Jahren ein, als die US-Regierung begann, die Entwicklung modernster Hochleistungscomputertechnologie für militärische Anwendungen regelmäßig zu finanzieren.
Obwohl die Supercomputer zunächst nur in begrenzter Stückzahl für die Regierung produziert wurden, hielt die während dieser Zeit entwickelte Technologie später Einzug in Industrie und Handel. Beispielsweise standen zwei US-Unternehmen, Control Data Corporation (CDC) und Cray Research, von Mitte der 1960er bis Ende der 1970er Jahre an der Spitze der kommerziellen Supercomputer-Industrie. Der von Seymour Cray entworfene CDC 6600 gilt als der erste erfolgreiche kommerzielle Supercomputer. In den 1990er Jahren und bis heute ist IBM in dieser Branche führend.
HPC-Lösungen helfen bei der Bewältigung der größten Herausforderungen der Welt, z. B. bei der Bekämpfung von Krebs und der Identifizierung von Materialien der nächsten Generation.
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Quanten-Computing ist ein Computing-Modell, das die Gesetze der Quantenmechanik nutzt, um Daten zu verarbeiten und Berechnungen auf der Grundlage von Wahrscheinlichkeiten durchzuführen. Dieses Modell zielt darauf ab, komplexe Probleme zu lösen, die auch die leistungsstärksten Supercomputer der Welt nicht lösen können und niemals lösen werden.
Fußnote
1 Getting up to Speed: The Future of Supercomputing, [Bringen Sie sich auf den neuesten Stand: Die Zukunft des Supercomputing,] The National Academies Press (Link befindet sich außerhalb von ibm.com)