Джордж и код, который не взломать

Что такое суперкомпьютер?

Что такое флопс?

Каждый год появляются всё более и более мощные компьютеры. Один из способов сравнить мощности двух компьютеров – проверить, сколько операций с плавающей запятой (floating point operations, сокращённо «флопс») они могут совершить за секунду.

Одна большая система

Какими бы мощными ни были сегодня процессоры, можно попробовать построить гораздо более мощный компьютер, соединив несколько процессоров вместе. Суперкомпьютер – это компьютер исключительной производительности, построенный путём объединения множества процессоров в одну большую систему. Каждый процессор выполняет свою часть работы параллельно с остальными.

Связать процессоры – значит объединить их в сеть; зачастую достаточно просто соединить компьютеры (даже на большом расстоянии) сетями, подобными телефонным, или через интернет.

Чрезвычайно параллельная задача

Для решения некоторых задач вычисления можно разбивать на части так, чтобы процессоры работали над своими «кусочками» независимо друг от друга. Такие задачи называют чрезвычайно параллельными (ещё говорят, что задачу можно «легко распараллелить»). В таких случаях сеть нужна только для того, чтобы раздать процессорам задания и в конце получить от них ответы.

Но недостаточно уметь решать такие задачи, чтобы называться суперкомпьютером, – ведь большинство интересных задач не являются чрезвычайно параллельными. Процессорам приходится обмениваться промежуточными данными; суперкомпьютер должен уметь одновременно решать и обычные задачи, и «распараллеленные» независимые задачки. Этим суперкомпьютер отличается и от обычных компьютеров, связанных в сеть, и от больших серверов.

Хороша ли сеть?

Чем качественнее сеть, тем производительнее параллельные вычисления. Качество сети определяется:

• пропускной способностью – количеством информации, которое можно передать за секунду (чем больше, тем лучше);

• задержкой – временем между отправкой сигнала и получением ответа (чем меньше, тем лучше).

Доступ к памяти

Суперкомпьютер можно получить, организовав процессоры одним из нескольких способов.

Системы с симметричной многопроцессорной обработкой (SMP – Symmetric Multiprocessor)

В этих системах процессоры единообразно подключаются к общей (разделяемой) памяти суперкомпьютера. Каждый процессор имеет доступ ко всей памяти. Сделать такую систему сложно и очень дорого, особенно если она большая.

Системы с неравномерным доступом к памяти (NUMA – Nonuniform Memory Access)

В таких системах производительность тем хуже, чем дальше процессор от памяти, которую он хочет прочитать или в которую ему нужно писать. Как и SMP, эти системы используют разделяемую (общую для всех процессоров) память, и программисту приходится заботиться о том, чтобы данные хранились как можно ближе к процессору, который их использует. Системы NUMA дешевле, чем SMP.

Интерконнект

Это специальная высококачественная сеть для соединения изолированных компьютеров (в такой сети их обычно называют узлами). Процессор в одном узле не видит памяти в других узлах, поскольку это суперкомпьютер не с общей, а с распределённой памятью. Программисту приходится добавлять в программу код для передачи данных между узлами. Суперкомпьютеры, в которых для узлов используются обычные компьютеры, называются кластерами.

Современные компьютерные системы

Зачастую современные компьютеры включают в себя элементы, которые раньше имелись только в суперкомпьютерах. Например, у одного процессора может быть несколько ядер, и каждое действует как отдельный процессор – это система SMP, где несколько ядер имеют непосредственный доступ к общей памяти. У более дорогих компьютеров есть несколько разъёмов для процессоров, каждый из которых – своего рода система

NUMA, где одному разъёму соответствует набор ядер и их память.

Графический процессор (GPU) для суперкомпьютеров

Это новшество по вкусу всем любителям компьютерных игр. Оно необычайно быстро «создаёт» пиксели для экрана во время игры. Благодаря своей архитектуре эти процессоры идеально подходят для некоторых видов задач в суперкомпьютерах.

Флопс, мегафлопс… экзафлопс!

1 мегафлопс = 1 миллион флопс.

1 гигафлопс = 1 миллиард флопс (1000 мегафлопс).

1 терафлопс = 1000 гигафлопс.

1 петафлопс = 1000 терафлопс.

1 экзафлопс = 1000 петафлопс.

Глядя на эту табличку, легко увидеть, как выросла производительность компьютеров в последние несколько десятилетий:

• 1998: компьютер с одним процессором способен достичь производительности в 500 мегафлопс.

• 2007: множество одиночных процессоров, которые могут «разогнаться» до 10 гигафлопс.

• 2013: есть компьютеры с двумя процессорами по восемь ядер, каждое из которых теоретически имеет производительность в 20 гигафлопс. Таким образом, максимальная производительность всей системы – 320 гигафлопс. По сути, это система NUMA: общая память, шестнадцать независимых ядер… Но сегодня никому и в голову не придёт называть это суперкомпьютером – разве что мы соединим в одну сеть несколько сотен таких машин.

• Существует список пятисот самых мощных суперкомпьютеров – Top500 (www.top500.org), который обновляется дважды в год. Сейчас, на момент написания книги, большинство машин из этого списка находятся на уровне нескольких сотен терафлопс.

Однако в первой строке списка -машина с 33862,7 терафлопс (33,8627 петафлопс). Это несравненно мощнее компьютеров конца XX века!

Первые экзафлопс-компьютеры могут появиться всего через несколько лет. Можешь представить себе эту мощность?!

– Он, кажется, не в духе, – наморщив нос, пожаловалась Анни.

Космос ничего не сказал (что было совсем на него не похоже), зато чихнул.

– Он что, простудился? – спросил Джордж.

– Он всё время в дурном настроении, – сказала Анни. – Ноет, что заболел. Это как-то не в его стиле.

– Да, пожалуй, это странно! А чем ты хотела с ним заняться? – Джордж придвинул стул и сел рядом с Анни.

– Своим проектом, – ответила она.

– Давай вместе! – быстро сказал Джордж.

– Давай! – Она вывела на экран две фотографии и расположила их рядом. – Ты небось думаешь, что на обеих фотографиях Эрик? А вот и нет. На одной и правда папа, то есть Эрик.

А на второй – робопапа, то есть Эрбот.

– Ты хочешь сказать, – подхватил её мысль Джордж, – что один из них живой, а второй – неживой?

– Верно, – подтвердила Анни. – Но почему так? В чём главное различие?

– Н-ну… – замялся Джордж. – Один сам решает, что ему делать, а другой нет?

– А вот и нет, – сказала Анни. – У Эрбота есть панель управления, но он запоминает все предыдущие команды и принимает решения исходя из своего опыта!

– Одному необходимы еда, вода и сон, другому нет?

– Эрботу нужна энергия, – сказала Анни. – А мой папа… Короче, это ещё вопрос, необходим ли ему сон.

Джордж рассмеялся. Эрик был знаменит тем, что ему хватало трёх часов сна в сутки. Этот факт был прекрасно известен его соседям, поскольку в предрассветные часы он предпочитал работать под громкую оперную музыку.

– А где, кстати, Эрбот? – спросил Джордж.

– Заряжается, – сказала Анни.

– Один из них дышит, – продолжал гадать Джордж, – а второй нет? У одного внутри желудок, сердце и прочие органы, а у другого провода и всё такое…

– Вот! – сказала Анни. – Я как раз думаю о том, из чего они оба состоят. И составляю список элементов жизни.

– И что там у тебя на первом месте?

Она прокрутила экран вниз, до надписи крупными буквами: УГЛЕРОД.

– «Всем известно, – вслух прочёл Джордж, – что родина углерода – звёзды». Хм!

– Что? – встрепенулась Анни. – Ошибка? Я же включила проверку орфографии.

– Нет, ошибок нет, – успокоил её Джордж. – Просто я не уверен, что это всем известно.

– А, хорошо. – Она стёрла начало предложения и начала заново: «Как известно большенству…»

– После «ш» не «е», а «и», – сказал Джордж.

– Ой, я думала, у меня режим автокоррекции! – Анни включила функцию автоматического исправления ошибок.

– Но дело не в этом, – продолжал Джордж. – Просто люди обычно мало что знают про углерод. В смысле, это ты знаешь, что углерод пришёл к нам со звёзд, потому что твой папа учёный, и у него есть Космос, и он показывал нам рождение и смерть звезды – как в конце жизни звезды происходит взрыв сверхновой. А другие люди, как правило, знать не знают, что химические элементы происходят из звёзд…

– Возможно, вы не знаете, – писала Анни, а компьютер исправлял её ошибки, – что углерод происходит из звёзд. Это один из важнейших элементов, который создаётся в звезде при её жизни. А когда звезда умирает, её углерод разлетается по всей Вселенной и может превращаться в разные объекты – например, в людей. Мы с вами – «углеродные» формы жизни. Углерод…

– А ты напишешь, какой он, этот углерод? – спросил Джордж. – А то люди могут подумать, что мы состоим из угля!

– Напишу, конечно, просто я до этого ещё не дошла. И я, между прочим, прекрасно знаю, какой он!

– Ну и какой же? – Джорджу правда было интересно.

– Ну, – сказала Анни, – с чего бы начать? – Она перестала печатать. – Атомное число углерода – шесть. Это значит, что в ядре его атома шесть протонов и шесть электронов. Связи между атомами углерода очень прочны: соединения, имеющие такие связи, очень стабильны, и ещё углерод лучше всех образует длинные цепочки и кольца. Поэтому молекул углерода известно гораздо больше, чем молекул всех остальных элементов вместе взятых – не считая водорода. И углерод – четвёртый по распространённости элемент во Вселенной.

– Ничего себе, – сказал Джордж. – Ты и правда много знаешь.

– Не могу же я быть химиком и ничего не знать про углерод, – ответила Анни. – Это всё равно что играть на скрипке, не зная нот. Или печь пирог без яиц и муки. Просто ничего не получится.

До этого момента звуки скрипки, доносившиеся сверху, были мелодичными и нежными. Потом послышался сигнал – на телефон пришло сообщение, – и музыка прервалась. А потом смычок внезапно издал громкий скрежет, и через несколько секунд на пороге появилась Сьюзен.

На её лице был написан ужас.

– Анни! Что ты знаешь о бесплатных самолётах?

– Каких ещё бесплатных самолётах?

– Авиарейсы стали бесплатными! – Сьюзен протянула детям телефон, и они прочли сообщение:

«Привет, семейка! Вся банда уже в пути. Рейс бесплатный. До скорой встречи, дорогие! Ура!»

– Что это значит? – спросила Анни, входя в интернет со своего телефона. – С ума сойти, это правда! Все рейсы бесплатные! А мы можем куда-нибудь полететь? Например, в Диснейленд?

– Нет, не можем! Потому что моя семья – вся! – летит к нам из Австралии. – От волнения Сьюзен побледнела и даже слегка позеленела.

– Когда они прилетают? – спросил Джордж.

– Не знаю! – в панике выкрикнула она. – Моя сестра пишет «до скорой встречи»! А это значит – в любой момент они могут оказаться здесь. Всей толпой! О ужас! Во втором сообщении сказано, что они вылетают срочно, пока ошибку не исправили и не отменили бесплатные рейсы.

Сьюзен включила маленький телевизор, стоявший в углу Эрикова кабинета. Он был настроен на канал новостей.

– В международных аэропортах всего мира царит хаос, – встревоженно говорила ведущая.

На большом экране за её спиной мелькали кадры: толпы людей с багажом штурмуют терминалы. – Билеты всех авиакомпаний внезапно стали бесплатными. Мировые лидеры авиаперевозок с изумлением обнаружили, что на их сайтах за одну ночь раскупили все билеты на все международные рейсы, поскольку в графе «цена» везде стояли ноли. Пассажиры спешат отправиться в самые дешёвые авиарейсы за всю историю авиации…

– А сколько их всего, ваших родственников? – спросил Джордж, у которого семья Анни ассоциировалась с наукой, новейшими технологиями и музыкой, но никак не с огромным семейным кланом. Он очень удивился, услышав, что у Беллисов имеется родня в другом полушарии.

– У маминой сестры семеро детей, – объяснила Анни. – Я их никогда не видела, но надеюсь, что они классные!

– Ужас, какой всё-таки ужас! – причитала Сьюзен. – Не представляю, как мы справимся. Ещё и папы нет дома. Хорошо, если дорога займёт у них хотя бы сутки и он к тому времени успеет вернуться…

– А если не успеет, возьмём Эрбота. Может, они даже не заметят, что он не настоящий папа, – сказала Анни.

– Не говори глупостей, Анни, – рассердилась её мама. – Уж как-нибудь заметят. Не примут же они робота за человека!

– Но Эрик сказал, что Эрбот – это почти то же самое, что он сам, только неживой: даже многие приборы их не различат! – сказал Джордж, надеясь успокоить Сьюзен.

Судя по её лицу, надеялся он зря.

– А мои родственники различат, – твёрдо сказала она.

В этот момент Космос снова чихнул.

– Что это с компьютером? – спросила Сьюзен.

– Он сегодня ужасно тормозит, – пожаловалась Анни.

– Мне плохо, – жалобно произнёс Космос. – Кажется, я заразился. – Он чихнул ещё три раза и надрывно кашлянул.

– Лишь бы он не подхватил вирус из интернета, – озабоченно сказал Джордж.

Космос сегодня вёл себя на редкость безучастно.

– Разве тебе можно пользоваться компьютером, когда папы нет дома? – строго спросила Сьюзен.

– Мамочка, ну пожалуйста! – взмолилась Анни. – Космос помогает мне с моим проектом по химии. Мне очень-очень-очень надо его сделать за каникулы, и он будет просто потрясающий! Это для меня суперважно!

Джордж растерялся, увидев в её глазах самые настоящие слёзы. Интересно, подумал он, с каких пор школа вдруг приобрела для неё такое значение? Он-то думал, что теперь, когда к ней летят гости с края земли, она забросит свой проект и примется строить планы семейных развлечений.

– Ну, тогда ладно… – Обычно Сьюзен не разрешала детям напрямую иметь дело с Космосом, считая его опасным бунтовщиком, но в преддверии визита родственников прочие заботы явно отошли у неё на второй план.

– Где я возьму столько спальных мешков? – ворчала она по пути в гостиную. – И ведь ещё новую симфонию разучивать… Из-за этих авиакомпаний вся жизнь кувырком. И как разместить в этом доме ещё девять человек?

– Зато теперь тебе не будет одиноко, – сказал Джордж Анни. – Ты рада?

– Нет! – радостно сказала Анни. – В смысле – нет, теперь не будет одиноко! Наоборот, у меня будет куча друзей. Ты тоже к нам приходи, Джордж!

– Нет, спасибо, – ответил он. – Я, кажется, не так уж сильно люблю людей. Я предпочитаю машины.

Космос чихнул.

Мама Анни снова заглянула в кабинет. Вид у неё был встревоженный.

– Слушайте, дети, – сказала она нервно. – Положение критическое. Я исхожу из того, что вы уже совсем взрослые и вам можно доверять. Так вот, я сейчас убегаю, а вы должны пообещать мне, что будете вести себя хорошо. Особенно с учётом того, что происходит в мире. Оставайтесь дома, никуда не выходите. Ты, Анни, займись своим химическим проектом. Я куплю спальные принадлежности и запас еды – и сразу домой. Ну что, обещаете?

– Обещаем, – хором ответили Джордж и Анни.

– Вряд ли они приедут до того, как я вернусь, но если всё же приедут… – продолжила Сьюзен уже на бегу. Джордж и Анни услышали, как захлопнулась за ней входная дверь.

– Если всё же приедут, то что? – спросила Анни, растерянно глядя на Джорджа.

– Угостишь их когтями динозавров и пригласишь на космическую прогулку, – предложил он с ухмылкой.

– На космическую прогулку? – воскликнула Анни. – Отличная идея!

– Стоп машина! – сказал Джордж. – Я не в том смысле!

Оба посмотрели на Космос, который тихонько похныкивал на столе.

– Но ведь Космосу это пойдёт на пользу! – сказала Анни преувеличенно честным голосом. – Он, наверно, потому и заболел, что мы его в последнее время совсем забросили.

Не самое удачное оправдание, подумал Джордж. Точнее, совсем не удачное. Им уже давно запретили любые вылазки во Вселенную: Сьюзен твёрдо заявила, что никаких опасных приключений больше не потерпит, и Эрик ввёл сверхстрогие правила пользования Космосом.

– И потом, это как раз необходимо для проекта! – продолжала Анни. – Для моего гениального химического проекта, который через неделю ослепит всех своим великолепием. Это будет настоящий шедевр. Мы должны сделать нечто незабываемое!

– Точно? – спросил Джордж. – А зачем?

– Понимаешь, я и так знаю, что я ужасно умная и всё такое, но настало время это доказать! Про углерод я закончила и теперь приступаю к следующему разделу – «Вода в космосе». Нужна разведка на местности, иначе непонятно, что писать. Причём заметь, нам даже не придётся выходить из дома!

– Вообще-то придётся, – сказал Джордж, – если мы собираемся в космос…

Ему очень, очень хотелось побывать во Вселенной, но он вовсе не был уверен, что они вправе так поступить. Джордж был гораздо рассудительнее и осторожнее, чем Анни. Он не хотел, чтобы ему навсегда запретили переступать порог этого дома за то, что он без спроса воспользовался космическим порталом. Анни-то хорошо, думал он, она живёт с Космосом в одном доме и уж как-нибудь исхитрится получить к нему доступ; а ему, Джорджу, как быть?

– А вот и нет! – сказала Анни. – Мама имела в виду «не выходить на улицу». Она не сказала «не выходить в открытый космос».

И пока Джордж не успел ничего на это возразить, она принялась очень быстро печатать на клавиатуре Космоса.

– А если твоя мама за это время вернётся домой? – спросил он. – Как мы узнаем, что она уже пришла?

– Точно! – Анни подскочила, выбежала из комнаты и тут же вернулась с сенсорными перчатками. За ней по пятам следовал Эрбот.