Süper Bilgisayar

Süper bilgisayarlar biz görmesekte, kullanmasakta modern çagin ayrilmaz bir parçasi. Kredi kartlari hesaplarinin islenmesinden, gen haritalarinin çikartilmasina, uzay arastirmalarindan, hava tahminlerine, savas araçlarinin simüle edilmesine kadar pek çok alanda insanliga hizmet ediyorlar. Süper bilgisayarlar, üzerlerinde bulunan yüzlerce mikro boyuttaki paralel islemcinin (CPU) ayni anda islem yapmasi ilkesine göre çalismaktalar.

Bir problem süper bilgisayarlara verildiginde, özel yazilmis yazilimlar problemleri parçalara bölünüyor ve islemcilere paylastiriliyor. Herbir islemci parçasi da ilgili problemin bir bölümünü çözmekle ugrasiyor ve sonuca dogru gerekli islemleri yapiyorlar. Yine yazilim sayesinde üretilen sonuçlar bilestirilerek nihayi sonucun görüntülenmesi saglaniyor. Bu yöntem süper bilgisayarlarin islem yapma kapasitesini ve hizini ciddi anlamda arttirmakta.

Süper bilgisayarlar kavrami aslinda tek bir bilgisayar sistemini tanimlamak için kullanilmiyor. Belli bir zaman diliminde en fazla islem yapabilme kabiletine sahip bilgisayarlara süper bilgisayar deniyor. Teknoloji gelistikçe yillar önce süper bilgisayar olarak anilan koca koca bilgisayarlari artik koltugumuzun altinda tasiyabilir hale geliyoruz.

Intel firmasinin kurucusu Gordon Moore 1960’li yillarinin ortalarinda yaptigi gözlem ve çalismasiyla Moore yasasi olarak bilinen, kendi düsüncelerini açikladi. Bugün Moore yasasi blgisayarlarla hasir nesir olan çok kisi tarafindan ismende olsa biliniyor. Fakat teknik bir konu üzerine bir “yasa” çikartmasinin da etkisiyle yanlis olarak biliniyor. Moore yasasinda, bilgisayar mikroçiplerinin (islemcilerinin) birim basina düsen entegre sayisinin 18 ayda iki katina çikacagini söylemistir. Yani islemcilerin saat frakans hizlarinin ikiye katlanmasi degildir. 30 küsür yildir, bu yasanin dogrulugunun sürmesi, her gün gelisen bilgisayar teknolojisi için oldukça hayret verici bir olay. Son yillarda transistör yogunlugunun artis hizinda azalmalar olsa da bu yasa Moore’un ne kadar ileri görüslügü oldugunun bir göstergesi. Uzmanlar Moore yasasinin en az 15-20 yil daha geçerliliginin sürecegini söylüyorlar. Izleyip görecegiz...

Ilk süper bilgisayarlar

Gordon Moore yasasini yayinlamasinin üzerinden, 10 yil geçmeden, 1972 yilinda ilk süper bilgisayar üretildi. 1958 yilinda ilk tam anlamiyla transistörlü bilgisayari CDC (Control Data Coperation) için gelistiren Seymour Cray, ürettigi süper bilgisayara kendi adini verdi : Cray1.

Cary1, 1946 yilinda 50 kisi tarafindan gelistirilen ilk bilgisayar ENIAC’tan (Electronic Numeric Integrator and Computer / Elektronik Sayisal Bütünlestirici ve Hesaplayici) binlerce kez daha küçük ve saniyede 1 milyon’a yakin hesap yapabilmekteydi. Daha sonra Cray kendi firmasini kurdu ve IBM ve HP gibi teknoloji devleri piyasaya girene kadar, pazarin liderligini kimseye kaptirmadi. Günümüzde ise süper bilgisayarlar, müsteriye özel olarak gelistirilmekte.

Ilk süper bilgisayarlardan bugüne kadar teknoloji akil almaz sekilde ilerledi. Verkörel isleme (Vektor processing) ilk olarak 1960’li yillarin basinda Westinghouse tarafindan bulundu. Vektörel islemenin temelinde bir adet islemciye (CPU) bagli, çok sayida basit yapiya sahip matematik yardimci islemcinin (ALU) kullanilmasi yatiyor. Islemcinin içine bir saat çevrimi içinde farkli kaynaklardan gelen matematik ve mantiksal degerleri isleyecek komutlar eklenmesiyle paralel çalisma imkanli hale geldi.

Westinghouse çalismalarini 1962 yilinda iptal ettigini duyurdu. Fakat Amerika Birlesik Devletlerinin Chicago eyaletindeki Illinois üniversitesi projeyi ILLIAC IV olarak yeniden baslatti. Projenin hedefi 256 ALU’lu 1GFLOP islem üretebilen bir süper bilgisayar üretmekti. Fakat proje 1972 yilina geldiginde sadece 64 ALU ve 150 MFLOP üretebiliyordu.

Fakat bu teknik ilk olarak Cray-1 ile basariya ulasti. Cray-1 öncüllerinin yasadigi bellek kullanimindaki sorunlari vektör yazmaç (vector register) kullanarak asti. Bu teknikle herbir islemci bellekten 64 bit ayrilmis alan almaktaydi. Islemci üzerindeki komut setleri de bu yazmaçlarla konusarak bellege daha hizli erisimi saglamaktaydi. Cray-1 performansi 80 MFLOP seviyesindeydi, fakat üç sira halinde kullandigi islemciyle 240 MFLOP’luk bir performansa ulasabilmekteydi.

Süper bilgisayarlardan önce kullanilan süper! bilgisayarlar, tek islemcili ve tek bir bellege sahipti. Fakat teknolojileri çok ilkel degildi ve sayisal olarak programlanabiliyordu. Hatta ilk dijital programlanabilir elektronik bilgisayar, savunma sanayisi için gelistirildi. Colossus ismindeki bu süper! bilgisayar 2. Dünya savasinda Alman askerlerinin haberlesme aglarindaki sifreleri (enigma) kirmak için kullanildi. CDC firmasi gelistirdigi Colossus, diger rakip firmalarin gelistidigi süper! bilgisayarlara göre 10 kat daha hizliydi.

1970’li yillarda nerdeyse bütün süper bilgisayar vektor islemcileri kullanmaktaydilar. Yeni oyuncular kendi ürettikleri ucuz islemcilerle pazara girmeye basladilar. 1980 ile 1990 yillari arasinda yeni teknolojiler gelistirilmeye devam etti. Firmalarda vektör islemcilerden daha güçlü olan yüzlerce islemciyle paralelel islem yapabilen sistemlere ilgilerini yönlendirdiler. Bu sekilde özel olarak dizayn edilmis sistemler yerine hazir ve satistaki (off the shelf) birimleri satin alip kullanilabilir hale getirdiler. Bugün paralel islem yapan sistemler satista olan Apple, IBM ve Motorola’nin 1991 yilinda ortaklasa bulup gelistirdikleri PowerPC veya Hewlett-Packerd firmasinin gelistirdigi Precision Architecture (kesinlik mimarisi) kullandigi PA-RISC gibi, RISC mikroislemcileri kullanmaktalar. Fakat Intel’in bu konuda ezici bir üstünlügü bulunmakta.

En hizli 500
1980’li yillarda Erich Strohmaier adli bir arastirmaci, piyasadaki süper bilgisayarlari hakkinda bilgi toplayip, istatistik tutmaya basladi. Yaptigi istatistikleri gazete ve dergilerde yayinlandi. 1993 yilinda da Stromaier arastirmasini Internet ortamina tasimaya karar vererek, “Top500” (en iyi 500) adinda bir site kurdu: www.top500.org <http://www.top500.org/>. En iyi 500 listesinde yer alan ve çogunlugu ABD’de bulunan süper bilgisayarlar hakkinda istatistikler yilda iki defa yenilenmekte. Dünya çapinda taninan bu listeye girmek için, firmalar birbirleriyle yarismakta ve listeye girebilen süper bilgisayar ise üreticilerine büyük bir prestij getirmekte.

Bilgisayarin Hizi

Flops kelimesi floating point operations per second (saniyede kayan nokta islemleri)’nin bas harflerinden olusturuluyor. Flops, özelliklle bilimsel hesaplamalarda kullanilan kayan nokta hesaplamalariyla bilgisayalarlarin performansi gösteren bir ölçü birim olarak kullanilir. Kayan nokta tabir edilen de reel sayilar üzerinde yapilan islemlerdir.

Kayan nokta uygulamalarinda, hesaplama yapan araçlarin performansi çok genis aralikta degisim göstermektedir. Bir hasap makinesi 10 flops’luk bir performans gösterirken, bugünün masaüstü bilgisayarlari birkaç gigaflops (109 flops) seviyelerinde olabilmekte.

Bugün’ün çogu güçlü süper bilgisayarinin hizi, teraflops (1012 flops) seviyesine ulasmistir. Su anda Japonlarin, jeolojik hareketleri gözlemleyen süper bilgisayar Earth Simulator 35 teraflops’luk hiziyla resmi olarak rekoru elinde bulunduruyor. Fakat IBM firmasinin 100 milyon dolara mal olan ve 65,536 adet islemcinin kullanildigi Blue Gene projesinin ilk denemeleri yakinda petaflops (1015 flops) hizlarina erisecegimizi gösteriyor. Denemelerde 360 teraflops hizlara ulasan Blue Gene, su anda Dünya’nin en hizli süper bilgisayarindan bile on kat hizli olacak. Ilk prototipleriyle ilk 500 listesine 4. ve 8. siradan giren Blue Gene/L IBM tarafindan oldukça önemseniyor.

Flops’larin kayan nokta islemlerinde yararli bir ölçü birimi olmasi için, standart bir performans testinin (benchmark) yapilmasi gereklidir. Genelde bullanilan performans testi LINPACK’dir.

Fakat modern bilgisayarlar için flops’lari bir performans birimi olarak kullanmak yanlis olabilir. Kayan noktalarini hesaplanmasindaki hizdan daha fazla, iki birim arasindaki iletisim, bellek hiyararsisi, ön bellek kararliligi gibi bilgisayarin performasina etki eden faktörler vardir.

Bilimsel olmayan uygulamalarda, tam sayi islemlerinde saniyede islenebilen komut sayisi ölçü birim olarak kabul edilmektedir. MIPS (Million Instructions per seconds / saniyede milyon komut) masaüstü bilgisayarlarinda kullanilabilecek bir ölçü birim olabilir.

Bugün süper bilgisayarlar

Bugün evlerde isyerlerinde kullandigimiz bilgisayarlar, bir bilgisayar kullanicisinin bütün islemlerini ve ihtiyaclarini cevap verebilecek seviyede. Bu bilgisayarlarinda performansi her geçen gün artiyor. Ayni sürede daha çok veriyi daha hizli isleyebilecek islemciler ve mimariler gelistirilmeye devam ediyor.

Fakat özel uygulamalar için, bu bilgisayarlar yetersiz kaliyor. Hata iyi bellek yönetimi saglayan ve islem yapabilme hizi arttirilmis bilgisayarlar, yüksek islem gücüne ihtiyaç duyan islemler için üretilmeye ve gelistirilmeye devam ediyor. Bu da masaüstü bilgisayarla, süper bilgisayarlar arasindaki kullanim farkliligini ortaya koyuyor. Dünya çapinda büyük arastirma sirketleri, farkli kaynaklardan gelen milyonlarca veriyi ayni anda isleyebilmek ve sonuçlarini göstermek için, topladiklari verileri hizli bir sekilde degerlendirmek sorundalar. Böyle bir islemi ne kadar hizli bir islemci, ne kadar genis bir hafiza kullanirsaniz kullanin yapmaniz olanaksiz. Ayni sekilde film efekterini vermek için de masaüstü bilgisayarlar ne kadar hizli olursa olsun yetersiz kalacaktir. Iste bu noktada süper bilgisayarlar devreye giriyor. Örnegin Matrix filiminin o muhtesem görsel efektlerini hazirlayabilmek için, yapimcilar süper bilgisayarlari kullandilar.

Süper bilgisayarlar mimari olarak masaüstü bilgisayarlar gibi islemleri yapabilmek için islemcilere ve bellege ihtiyaçlari vardir. Islemci verileri bellekten alir, isler, tekrar bellege gönderir. Buraya kadar her iki mimaride ayni sekilde davraniyor. Fakat mimari olarak farklilik bir problemi çözmek için süper bilgisayarlarin islemleri, birbirine bagli yüzlerce hatta binlerce islemciye bölerek, islemlerin es zamanli olarak yapilmasini saglamakta. Sadece süper bilgisayarlarin üzerlerindeki bellegi satin almak bile nerdeyse bir servet.

Süper bilgisayarlar özel isler için özel olarak gelistirilmekte. Kullanilis amaci, sistemin performansini ve kapasitesi belirlemekte. Masaüstü bilgisayarlar saniyede 100 milyon islem yapabilmekteyken, bir süper bilgisayar 12 trilyon islemi bir saniyede yapabilecek seviyede.

Karmasik hesaplamalari olabilecek en hizli sekilde yapabilmek üzere gelistirilen süper bilgisayarlar islem yaparken 2 yöntem kullaniyorlar. Ilk yöntem, tampon yönetimidir. Bu yöntemde, bilgisayar birbirine benzeyen sayilari gruplayarak ve sirayla islemciye göndererek karmasik hesaplamalari yapmaya çalisirlar. Bilgisayarlara yeni veriler girildigi sürece bu sekilde çalismaya devam ederler. Bu yöntem genellikle istatistiki birçok verinin kullanildigi uygulamalar için uygundur. Diger yöntem ise, islemleri adim adim yerine getiren “paralel yöntem”dir. Sistem, verilen problemin çözüm hesaplamalarinin ortak olan kisimlari belirlenerek islemciler arasina taksim edilir.Eklenen her yeni bir bilgi de, parça parça alakali hesaplama bölgesine gönderiliyor. Belli bir problemin çözümü veya belli bir islemin tamamlanmasi için bu yöntem uygundur.

Bazi süper bilgisayarlar bu iki yöntemlerden sadece birini kullanirlarken, bazilarinda her iki yöntemi de kullanilabiliyor. Ancak hesaplamalari daha hizli yapma ihtiyaci, Çoklu-Paralel Islemcili süper bilgisayarlarin ortaya çikmasina neden oldu. Bu bilgisayarlarin yüksek paralellik seviyesine ulasmasi için bir çok bilgisayarin birbirine baglanmasi gerekiyor.

Bilgisayar Kümeleri

1994 yilinda Thomas Sterling ve Don Becker adli iki arastirmaci, NASA için bir proje gelistirdiler. Bu projede süper bilgisayar yapmak için bilgisayarlari ethernet agi üzerinden birlestirdikleri bir bilgisayar kümesi olusturdular. Belli hesaplamalari yapmak için o an piyasada satilan parçalarla olsuturduklari 16 adet bilgisayardan olusan bilgisayar kümesine Beowuf ismini verdiler. O kadar basarili oldu ki, bu çalisma birçok arastirmaciyi ve firmayi bu konu üzerinde çalismalar yapmaya yönlendirdi. Islemci teknolojisinin ilerlemesi ve yüksek hizda bilgisayar aglarinin uygulanabilir maliyetlere inmesi, Linux isletim sistemi üzerinde çalisan Beowulf bilgisayar kümesinin yaygin olarak kullanilmasini sagladi.

Süper Yazilimlar

Mimari olarak masaüstü bilgisayarlardan farkli olan süper bilgisayarlar kendilerine göre yazilmis programlari kullanabilmekte. Hatta bir süper bilgisayar için kullanilan yazilim, diger bir süper bilgisayar için kullanilamiyor. Bu yazilim farkliliginin nedeni, özel olarak gelistirilen sistemlerde kullanilan, islemcilerin ve bilesenlerin farkli olmasi. Fakat yazilimlarinda bir standardi ve belli bir yapisi var.

Bu problemi çözmek için, dagitik islemlerin yapacak yazilim araçlarinin için standart API’ler (application programming interface / uygulama programlama arayüzü) kullaniliyor. Örnegin MPI (message passing interface / meaj iletme arayüzü) bilgisayarlarin haberlesmesi saglarken, PVM (parallel virtual machine / paralel gerçek makine) yazilim araci, bilgisayarlarin paralel olarak aga baglanmasini sagliyor. Çogu yazilim Beowulf ve openMosix gibi açik kaynak kodlu. Bu sekilde istenen sonuçlar ve gelisen isterler için kolay bütünlesmeyi sagliyor.

Isletim sistemi olarak, genellikle UNIX’ün türevleri kullaniliyor. Bununda nedeni, süper bilgisayarlarin masaüstü bilgisayarlarinin yaptigi islemlere ve servislere ihtiyaç duymamasidir. Masaüstü isletim sistemleriyle (Windows, Linux vb.) internete baglanmak, müzik dinlemek, yazi yazmak, oyun oynamak gibi isleri yerine getirecek bir çekirdege sahip olmasi. Süper bilgisayarlar genelde bir zamanda bir isi yapacak sekilde yapilandirilmistir. Daha degisik bir tabirle, ayni zamanda es zamanli olarak yapilan isler, masaüstü bilgisayarlarinin is yükünü arttirmakta. Süper bilgisayarlarda ise, istenen bir zamanda bir ise ayrilmasi ve sonucu bildirmesi.

Süper bilgisayarlarin paralel mimarisi, özel programlama tekniklerinin kullanilmasina yönlendirmekte ve bu basarili tekniklerde islemlerin daha hizli yapilmasina olanak sagliyor. Özel amaçlar için hazirlanmis Fortran derleyicileri, C veya C++ derleyicilerine nazaran daha hizli ve basarili kodlarin üzerilmesini sagliyor. Bu yüzden de Fotran bilimsel programlama dili olarakta bilinir.

Multivac gerçek olacak mi?

Bugünlerde sinemalarda yayinlanan Ben Robot filmini yazari Isaac Asimov’un ünlü hikaye serisinde Multivac adinda bir süper bilgisayar, Dünya üzerindeki bütün bilgileri toplayip, bu bilgiler isiginda bütün sorulara cevap verebiliyordu. Asimov Multivac hakkinda ilk hikayesini 1956 yilinda Last Question adinda kitabinda yayinladi. Ama o zamanlardan bugüne teknolojik gelismeler Asimov’un tahmin edebildiginden de fazla.

Bugün Beowulf kümesi kullanarak saniyede 1 trilyon islem gücüne sahip gece gündüz çalisan aglar var. Bu aglar farkli çalisma alanlarinda dogal seçilim yoluyla evrimlesme süreçlerini arastiriyor. Bu programlara, “daha az enerjiyle daha performansli bilgisayar nasil yapilir?” gibi sorular yöneltiliyor. Sistem sonucu üretebilmek için farkli kaynaklardan topladigi verileri degerlendirerek algoritmalar ve yöntemler çikartmaya çalisiyor. Çikarttigi sonuçlari da eleyerek dogru sonuca ulasmaya çalisiyor. Kusaklar süren dogal seçilim ve mutasyon sonucunda arastirmacilar, bir gün eldeki sorunu tamamiyla dogru sonuca ulsatiracak bir program yazacaklarina inaniyorlar. Bu konuda bir yorum yapmasi oldukça güç, çünkü Internet’te bugün nerdeyse her konunun cevabini bulabildigimiz düsünürsek, bu bilgileri degerlendirerek yeni bir bilgi üretebilecek bir programin varligi imkansiz gibi görünmüyor.

Süper Bilgisayarlarin Kullanimi

Genel ve özel amaçlara uygun hazirlanan süper bilgisayarlar askeriye’den bilimsel arastirmalara kadar genis bir alanda kullanim alani bulmakta. Yapilmasi ve isletilmesi çok pahali olan süper bilgisayarlar, çok karmasik matematiksel islemleri yapabilmekte.

Uluslararasi anlasmalarla, yasaklanan nükleer silahlarin üretimi ve testleri süper bilgisayarlar üzerinde yapiliyor. ABD Enerji Bakanligi’nin nükleer silahlarin etkilerini degerlendirmesi ve sonuçlarin simülasyonlarla gözlenebilmesi için IBM firmasinin gelistirdigi süper bilgisayar ASCI White tam bir dev. 100 tondan fazla agirliga sahip bilgisayar ayrica iki basketbol sahasi genisliginde bir alana sahip ve 7.226 teraflos islem yapabilmekte. Sahip oldugu kapasite, bir nükleer patlamanin üç boyutlu olarak canlandirilmasina yeterli gelmekte.

Dünya’nin dört bir yaninda müsterileri olan kredi karti servisi veren Visa’nin süper bilgisayarlari saniyede 3000’den falza müsterisine hizmet verebiliyor. Milyonlarca müsterisinin oldugu düsünülürse, saniyede 3000 kisinin kayidina ulasmak, gerekli bilgileri vermek, kontrol etmek ve güncellemek ancak süper bilgisayarlarin altindan kalkacagi bir is. Hata tek bir süper bilgisayar degil dünyanin farkli bölgelerine dagilmis 4 süper bilgisayar kullaniliyor.

Insan genleri üzerine üzerinde çalisan Celera Genomics firmasi, DNA haritasini çikartmak için süper bilgisayarlari kullaniyor. Insan DNA’sinda üç milyar baz çiftinin çözümlenmesi islemi, 10 binden fazla islemcili bir süper bilgisayar tarafindan yapiliyor. Gen haritasinin bir bölümü tamamlandiktan sonra daha büyük mali destek verilen projeye hergün daha fazla islemci eklenmekte. Gen haritasinin tam anlamiyla çikarilmasiyla kanser gibi yen ilaçlar ve tedavi yöntemleri gelistirelcek ve birçok hastalik tarih olacak.

IBM firmasinin ürettigi ünlü satranç bilgisayari Deep Blue’da bir süper bilgisayardir. Dünya üzerinde bilgisayarla insan çekismesi ilk degildi ama ilk defa bir dünya sampiyonu Garry Kasparov bir bilgisayara yenildigi için büyük bir yanki uyandirdi. 1996 yilinda yapilan ilk karsilasmayi kazanan Deep Blue, daha sonraki 5 maçin üçünü kaybetti, ikisinde ise berabere kaldi. Ertesi yil yapilan 2 maçida alan Deep Blue süper bilgisayarlarin geldigi noktayi göstermekte.

Bu örnekleri çogaltmamiz mümkün. Süper bilgisayarlar bilgi çaginin degisilmez yapi taslarinin basinda geliyor. 15 yil öncesinin süper bilgisayarlari ancak bugün kullandigimiz masaüstü bilgisayarlarinin kapasitesindeydi. Yillar geçtikçe, teknoloji ilerlemekte ve büyük miktarda verileri çok hizli bir sekilde isleyecek süper bilgisayarlar üretilmekte. Yakin gelecekte hangi arastirmalarin yapilacagini bilemeyiz ama bildigimiz tek sey, arastirmacilarin en büyük yardimcilarinin süper bilgisayarlar olacagidir.

 

Anil Sezer Byte Türkiye’nin editörlerindendir. Kendisine [email protected] <mailto:[email protected]> adresinden ulasabilirsiniz.