ویژگی های متمایز
ابر رایانه ها دارای ویژگی های متمایز خاصی هستند. برخلاف رایانه های معمولی ، آنها معمولاً بیش از یک CPU (واحد پردازش مرکزی) دارند که حاوی مدارهایی برای تفسیر دستورالعمل های برنامه و اجرای عملیات حساب و منطق به ترتیب مناسب است. استفاده از چندین CPU برای دستیابی به نرخ محاسباتی بالا توسط محدودیت های فیزیکی فناوری مدار ضروری است. سیگنال های الکترونیکی نمی توانند سریعتر از سرعت نور حرکت کنند ، بنابراین محدودیت اساسی در انتقال سیگنال و سوئیچ مدار وجود دارد. این محدودیت تقریباً به دلیل کوچک سازی اجزای مدار ، کاهش چشمگیر طول سیمهای متصل به برد مدار و نوآوری در تکنیک های خنک سازی رسیده است (به عنوان مثال ، در سیستم های مختلف فوق رایانه ، مدارهای پردازنده و حافظه در مایعات برودتی غوطه ور می شوند تا به این نتیجه برسند دمای پایین که در آنها سریعترین عملکرد را دارند). برای پشتیبانی از سرعت محاسباتی بسیار بالا پردازنده ها ، بازیابی سریع داده ها و دستورالعمل های ذخیره شده مورد نیاز است. بنابراین ، اکثر ابر رایانه ها دارای ظرفیت ذخیره سازی بسیار زیاد و همچنین دارای توانایی ورودی / خروجی بسیار سریع هستند.

یکی دیگر از ویژگی های متمایز ابررایانه ها ، استفاده از محاسبات برداری است - یعنی آنها قادر به کار کردن بر روی جفت لیست اعداد هستند تا اینکه فقط روی جفت های عدد. به عنوان مثال ، یک ابر رایانه معمولی می تواند لیستی از نرخ دستمزد ساعتی را برای گروهی از کارگران کارخانه در لیست ساعات کار شده توسط اعضای آن گروه ضرب کند تا لیستی از دلارهای کسب شده توسط هر کارگر را تقریباً در همان زمانی که طول می کشد ، تولید کند. رایانه معمولی برای محاسبه مبلغی که فقط یک کارگر بدست آورده است.

ابر رایانه ها در اصل در برنامه های مربوط به امنیت ملی ، از جمله طراحی سلاح های هسته ای و رمزنگاری استفاده می شدند. امروزه آنها بطور معمول در صنایع هوافضا ، نفت و اتومبیل به کار گرفته می شوند. علاوه بر این ، ابر رایانه ها کاربرد گسترده ای در زمینه های مهندسی یا تحقیقات علمی پیدا کرده اند ، به عنوان مثال ، در مطالعات ساختار ذرات زیر اتمی و منشا و ماهیت جهان. ابر رایانه ها به ابزاری ضروری در پیش بینی هوا تبدیل شده اند: اکنون پیش بینی ها براساس مدل های عددی انجام می شود. با کاهش هزینه ابر رایانه ها ، استفاده از آنها به دنیای بازی های آنلاین گسترش یافت. به طور خاص ، ابررایانه های 5 تا 10 سریعترین چینی در سال 2007 متعلق به شرکتی با حقوق آنلاین در چین برای بازی الکترونیکی World of Warcraft بودند ، که گاه بیش از یک میلیون نفر در همان دنیای بازی با هم بازی می کردند.

توسعه تاریخی
اگرچه ابر رایانه های اولیه توسط شرکت های مختلف ساخته شده اند ، اما یک فرد ، سیمور کری ، تقریباً از همان ابتدا این محصول را تعریف کرد. کری در سال 1951 به یک شرکت کامپیوتری به نام Engineering Research Associates (ERA) پیوست. هنگامی که ERA توسط Remington Rand ، Inc تصاحب شد (که بعداً با شرکتهای دیگر ادغام شد و به Unisys تبدیل شد) ، کری با بنیانگذار ERA ، ویلیام نوریس رفت و کار را آغاز کرد. شرکت کنترل داده (CDC) در سال 1957. در آن زمان ، مجموعه رایانه های UNIVAC رمینگتون رند و IBM بیشتر بازار رایانه های تجاری را تقسیم کرده بود ، و به جای به چالش کشیدن ساختارهای گسترده فروش و پشتیبانی آنها ، CDC سعی در تصرف کوچک اما بازار پرسود برای رایانه های علمی سریع. CDC 1604 با طراحی Cray یکی از اولین رایانه هایی بود که لوله های خلا را با ترانزیستور جایگزین کرد و در آزمایشگاه های علمی بسیار محبوب بود. IBM در سال 1961 با ساخت کامپیوتر علمی خاص خود ، IBM 7030 - که معمولاً Stretch نامیده می شود - پاسخ داد. با این حال ، IBM ، که در پذیرش ترانزیستور کند عمل می کرد ، خریداران کمی را برای هیبرید لوله ترانزیستور خود پیدا کرد ، بدون در نظر گرفتن سرعت آن ، و پس از ضرر خیره کننده 20 میلیون دلاری ، به طور موقت از میدان ابر رایانه خارج شد. در سال 1964 Cray’s CDC 6600 جایگزین Stretch به عنوان سریعترین کامپیوتر روی زمین شد. این می تواند سه میلیون عملیات در هر ثانیه را انجام دهد (FLOPS) ، و اصطلاح ابر رایانه به زودی برای توصیف آن ابداع شد

کری CDC را ترک کرد و در سال 1972 شرکت Cray Research ، Inc را شروع کرد و در سال 1989 مجدداً به کار خود ادامه داد و شرکت Cray Computer Corporation را تشکیل داد. هر بار که کار را پیش می برد ، شرکت سابق وی تولید ابررایانه ها را بر اساس طرح های خود ادامه می داد.

کری به شدت در هر جنبه ای از ایجاد رایانه هایی که شرکت هایشان ساختند نقش داشت. به طور خاص ، او در بسته بندی متراکم اجزای الکترونیکی تشکیل دهنده یک کامپیوتر نابغه بود. او با طراحی هوشمندانه مسیری را که سیگنالها باید طی می کردند قطع کرد و در نتیجه سرعت دستگاه ها را افزایش می داد. او همیشه تلاش می کرد تا سریعترین رایانه ممکن را برای بازار علمی ایجاد کند ، همیشه به زبان برنامه نویسی علمی انتخاب شده (FORTRAN) برنامه ریزی شده و همیشه ماشین آلات را برای درخواست های علمی بهینه می کند - به عنوان مثال ، معادلات دیفرانسیل ، دستکاری های ماتریس ، پویایی سیال ، تجزیه و تحلیل لرزه ای ، و برنامه ریزی خطی.

از جمله دستاوردهای پیشگام Cray ، Cray-1 بود که در سال 1976 معرفی شد ، و اولین اجرای موفقیت آمیز پردازش برداری بود (بدین معنا که همانطور که در بالا گفته شد ، این می تواند بر اساس جفت لیست اعداد باشد نه فقط بر روی جفت اعداد). کری همچنین یکی از پیشگامان تقسیم محاسبات پیچیده بین پردازنده های متعدد بود ، طرحی که تحت عنوان "پردازش چند منظوره" شناخته می شود. یکی از اولین ماشین هایی که از چند پردازش استفاده کرد ، Cray X-MP بود که در سال 1982 معرفی شد و به طور موازی دو کامپیوتر Cray-1 را به هم متصل کرد تا عملکرد فردی آنها سه برابر شود. در سال 1985 Cray-2 ، یک کامپیوتر چهار پردازنده ، اولین دستگاهی شد که بیش از یک میلیارد FLOPS را پشت سر گذاشت.

در حالی که کری برای دستیابی به رکورد سرعت خود از پیشرفته ترین پردازنده های سفارشی گران قیمت و سیستم های خنک کننده غوطه وری مایع استفاده می کرد ، یک رویکرد جدید انقلابی در شرف ظهور بود. دانیل هلیس ، دانشجوی تحصیلات تکمیلی در انستیتوی فناوری ماساچوست ، ایده جدید قابل توجهی در مورد چگونگی غلبه بر گلوگاه تحمیل شده با استفاده از پردازنده مرکزی برای محاسبه بین همه پردازنده ها داشت. هلیس دید که می تواند با حذف CPU کنترل کننده به نفع کنترلهای غیرمتمرکز یا توزیع شده ، گلوگاه را از بین ببرد. در سال 1983 هلیس برای طراحی ، ساخت و بازاریابی چنین رایانه های چند پردازنده ای همکاری شرکت Thinking Machines را تأسیس کرد. در سال 1985 اولین ماشین اتصال وی ، CM-1 (که سریعاً جانشین تجاری آن ، CM-2 جایگزین شد) ، معرفی شد. CM-1 برای دستیابی به چندین میلیارد FLOPS برای برخی محاسبات - تقریباً قابل مقایسه با سریعترین ابر رایانه Cray - از پردازنده شگفت انگیز 65536 پردازنده یک بیتی ارزان قیمت ، با 16 گروه تراشه (در مجموع 4096 تراشه) استفاده کرده است.

هلیس در اصل از راهی که مغز از یک شبکه پیچیده از نورون های ساده (یک شبکه عصبی) برای دستیابی به محاسبات سطح بالا استفاده می کند الهام گرفته شده بود. در حقیقت ، هدف اولیه این ماشین ها شامل حل مسئله ای در هوش مصنوعی ، شناخت الگو از چهره بود. با اختصاص هر پیکسل از یک عکس به یک پردازنده جداگانه ، Hillis بار محاسباتی را گسترش داد ، اما این مسئله مشکل ارتباط بین پردازنده ها را به وجود آورد. توپولوژی شبکه ای که وی برای تسهیل ارتباط پردازنده ایجاد کرد ، یک "ابر مکعب" 12 بعدی بود - یعنی هر تراشه مستقیماً با 12 تراشه دیگر ارتباط داشت. این ماشین ها به سرعت به عنوان رایانه های کاملاً موازی شناخته شدند. علاوه بر گشودن راه برای معماری های جدید چند پردازنده ، ماشین های Hillis نشان داد که از پردازنده های رایج یا کالایی می توان برای دستیابی به نتایج ابر رایانه استفاده کرد.

یکی دیگر از برنامه های رایج هوش مصنوعی برای چند پردازش شطرنج بود. به عنوان مثال ، در سال 1988 HiTech ، ساخته شده در دانشگاه کارنگی ملون ، پیتزبورگ ، پنسیلوانیا ، از 64 پردازنده سفارشی (برای هر مربع در صفحه شطرنج یک عدد) استفاده کرد تا اولین رایانه ای باشد که یک استاد بزرگ را در یک مسابقه شکست می دهد. در فوریه 1996 ، IBM’s Deep Blue با استفاده از 192 پردازنده RS / 6000 با قابلیت افزایش سفارشی ، اولین رایانه ای بود که در یک بازی "کند" قهرمان جهان ، گری کاسپاروف را شکست داد. سپس به منظور پیش بینی وضعیت هوا در آتلانتا ، گالری ، در جریان بازی های المپیک تابستانی 1996 تعیین تکلیف شد. جانشین آن (اکنون با 256 پردازنده شطرنج سفارشی) کاسپاروف را در یک بازی برگشت شش بازیه در ماه مه 1997 شکست داد.

هلیس در اصل از راهی که مغز از یک شبکه پیچیده از نورون های ساده (یک شبکه عصبی) برای دستیابی به محاسبات سطح بالا استفاده می کند الهام گرفته شده بود. در حقیقت ، هدف اولیه این ماشین ها شامل حل مسئله ای در هوش مصنوعی ، شناخت الگو از چهره بود. با اختصاص هر پیکسل از یک عکس به یک پردازنده جداگانه ، Hillis بار محاسباتی را گسترش داد ، اما این مسئله مشکل ارتباط بین پردازنده ها را به وجود آورد. توپولوژی شبکه ای که وی برای تسهیل ارتباط پردازنده ایجاد کرد ، یک "ابر مکعب" 12 بعدی بود - یعنی هر تراشه مستقیماً با 12 تراشه دیگر ارتباط داشت. این ماشین ها به سرعت به عنوان رایانه های کاملاً موازی شناخته شدند. علاوه بر گشودن راه برای معماری های جدید چند پردازنده ، ماشین های Hillis نشان داد که از پردازنده های رایج یا کالایی می توان برای دستیابی به نتایج ابر رایانه استفاده کرد.

مثل همیشه ، برنامه اصلی برای ابررایانه نظامی بود. با امضای پیمان منع جامع آزمایش توسط ایالات متحده در سال 1996 ، نیاز به یک برنامه صدور گواهینامه جایگزین برای ذخایر هسته ای پیر کشور ، وزارت انرژی را به تأمین بودجه ابتکار عمل محاسبات استراتژیک تسریع شده (ASCI) سوق داد. هدف این پروژه دستیابی به رایانه ای بود كه توانایی شبیه سازی آزمایش های هسته ای را داشته باشد - امری كه به دستگاهی نیاز دارد كه بتواند 100 تریلیون FLOPS را اجرا كند (100 TFLOPS ؛ سریعترین رایانه موجود در آن زمان Cray T3E با توانایی 150 میلیارد FLOPS بود) ) ASCI Red ، در آزمایشگاه های ملی Sandia در آلبوکرک ، N.M. ، با همکاری Intel Intel ساخته شد ، اولین کسی بود که به 1 TFLOPS دست یافت. با استفاده از 9،072 پردازنده استاندارد پنتیوم پرو ، در دسامبر 1996 به 1.8 TFLOPS رسید و تا ژوئن 1997 کاملاً عملیاتی شد.

در حالی که رویکرد عظیم پردازش گسترده در ایالات متحده حاکم بود ، در ژاپن شرکت NEC به رویکرد قدیمی ترسیم تراشه کامپیوتر برای شبیه ساز زمین خود بازگشت ، که با ورود در وهله اول در لیست سرعت ابررایانه TOP500 صنعت ، بسیاری از دانشمندان کامپیوتر را متعجب کرد. برای مدت طولانی این موقعیت را حفظ نکرد ، اما در سال 2004 نمونه اولیه ای از Blue Gene / L IBM ، با 8192 گره پردازشی ، به سرعتی در حدود 36 TFLOPS رسید که بیش از سرعت شبیه ساز زمین است. پس از دو برابر شدن تعداد پردازنده های خود ، ASCI Blue Gene / L که در سال 2005 در آزمایشگاه های ملی Sandia در لیورمور ، کالیفرنیا نصب شد ، با سرعت حدود 135 TFLOPS ، اولین دستگاهی بود که از مرز 100 TFLOPS مورد نظر عبور کرد. سایر دستگاه های Blue Gene / L ، با معماری مشابه ، بسیاری از نقاط برتر در لیست های TOP500 متوالی را در اختیار داشتند. با بهبودهای منظم ، ASCI Blue Gene / L در سال 2007 به سرعتی بیش از 500 TFLOPS رسیده است. این ابر رایانه های IBM همچنین برای انتخاب سیستم عامل ، پشتیبانی از Linux و IBM برای توسعه برنامه های منبع باز قابل توجه هستند.

اولین رایانه ای که بیش از 1000 TFLOPS یا 1 پتافلاپ داشت ، توسط IBM در سال 2008 ساخته شد. این ماشین برای پرنده ایالت نیومکزیکو که Roadrunner شناخته می شود ، ابتدا در تاسیسات IBM در نیویورک آزمایش شد ، جایی که قبل از این که به این نقطه عطف برسد. برای حمل به آزمایشگاه ملی لوس آلاموس در نیومکزیکو جدا شده است. در نسخه آزمایشی از 6،948 میکرو تراشه دو هسته ای Opteron از Advanced Micro Devices (AMD) و 12،960 از موتورهای باند پهن سلول IBM (اولین بار برای استفاده در سیستم ویدیویی Sony Computer Entertainment PlayStation 3 ساخته شد) استفاده شده است. پردازنده Cell مخصوصاً برای مدیریت محاسبات فشرده ریاضی مورد نیاز برای کنترل موتورهای شبیه سازی واقعیت مجازی در بازی های الکترونیکی طراحی شده است - فرایندی کاملاً مشابه محاسبات مورد نیاز محققان علمی که مدل های ریاضی خود را اجرا می کنند.

چنین پیشرفتی در محاسبات ، محققان را در آستانه یا در آستانه قرار دادن توانایی برای اولین بار انجام شبیه سازی رایانه ای مبتنی بر فیزیک اصل اول قرار داده است - نه مدل های ساده این به نوبه خود چشم انداز موفقیت در زمینه هایی مانند هواشناسی و تجزیه و تحلیل آب و هوای جهانی ، طراحی دارویی و پزشکی ، مواد جدید و مهندسی هوا فضا را ایجاد کرد. بزرگترین مانع تحقق پتانسیل كامل ابر رایانه ها همچنان تلاش بی حد و حصر لازم برای نوشتن برنامه ها به گونه ای است كه بتواند جنبه های مختلف یك مسئله را به طور همزمان توسط هرچه بیشتر پردازنده های مختلف كار كند. حتی مدیریت این مورد در مورد کمتر از دوازده پردازنده ، که معمولاً در رایانه های شخصی مدرن استفاده می شود ، در برابر هر راه حل ساده ای مقاومت کرده است ، اگرچه ابتکار منبع باز IBM ، با پشتیبانی از شرکای مختلف دانشگاهی و شرکتی ، در دهه 1990 و 2000 پیشرفت داشته است .