מחשב-על

מחשב העל קריי 2, המחשב המהיר בעולם בשנים 1985–1989

מחשב-על (באנגלית: Supercomputer) הוא מושג יחסי לתקופה, המתאר מחשב הנמצא בשורה הראשונה של המחשבים בעולם, מבחינת יכולות החישוב העוצמתיות שלו. לרוב יכולות אלו באות לביטוי ביכולת לבצע חישובים מסוג מסוים במהירות גבוהה במיוחד. מחשבי על לא נמכרים לציבור אלא משמשים למחקרים, אוניברסיטאות ותאגידים גדולים.

בין אפריל 2021 ליוני 2022, מחשב העל החזק ביותר היה פוגקו היפני, עם מעבדים מתוצרת Fujitsu, שמהירות החישוב המרבית שלו היא 442 פטה-פלופס, כמעט פי שלושה ממחשב-העל במקום השני, מחשב יבמ סאמיט שפותח ב-2018 ושביצועיו עומדים על 148 פטה-פלופס. החל מיוני 2022 מחשב העל המהיר בעולם הוא הפרונטיר האמריקני, המבוסס על מעבדי AMD במהירות של 1.102 ExaFlop/s שעלותו מוערכת ב-600 מיליון דולר.

התפתחות מחשבי העל

תחילה התייחסה הגדרה זו למחשבים בעלי מעבד יחיד מהיר במיוחד, לאחר מכן נכללו בה מחשבים שמהירותם מושגת באמצעות מעבדים רבים הפועלים במקביל לביצועה של משימה אחת, וכעת מורכבים מחשבי-על מאשכולות של מחשבים מרובי מעבדים. עיבוד וקטורי, כלומר ביצוע פעולת חישוב על נתונים רבים בבת-אחת, הוא מאפיין נוסף הקיים באחוז מסוים ממחשבי-על. הגדרה מחויכת למושג זה מיוחסת לסימור קריי, המתכנן הבולט ביותר של מחשבי-על במאה העשרים:

"A supercomputer is a device for turning compute-bound problems into I/O-bound problems."

ובתרגום לעברית: "מחשב-על הוא מתקן להפיכת בעיות חישוביות לבעיות של קלט-פלט". כלומר, מהירות החישוב איננה המחסום במחשב שכזה, אלא המהירות שבה מסוגלים להזין לו את הנתונים ולקבל תוצאות.

המחשב CDC 6600, שהוצג בשנת 1964, נחשב בדרך כלל מחשב העל המוצלח הראשון, וביצועיו עלו פי שלושה על המחשב שקדם לו, IBM 7030 Stretch . הוא סימן את תחילת שליטתה של חברת קונטרול דאטה (CDC) בשוק מחשבי העל, שנמשכה עם ממשיך דרכו, CDC 7600, שהוצג ב-1969. CDC 7600 שמר על תואר המחשב המהיר בעולם כמעט עד להגעת קריי 1 ב-1976 (160 megaFLOPS), ובשנים הבאות, עד 1990, החליפו ביניהם קריי ו-CDC את ההובלה מספר פעמים, כשהמחשבים הבאים של CDC עדיין מבוססים על הארכיטקטורה של 6600 ו-7600. השליטה המוחלטת של שתי החברות בתחום הסתיימה כשב-1990 הציגה פוג'יטסו מחשב עם ביצועים תאורטיים של 4 gigaFLOPS - פי אלף מ-CDC-6600, ופי מאה מה-7600, ובערך כפליים מהמחשב (של קריי) שקדם לו.

השוואה נפוצה נעשית בין כוח המחשוב של מחשבים אלו עם הטכנולוגיה המודרנית, ובפרט לטלפון חכם. ב-2021, לטלפון חכם ממוצע עצמת חישוב גדולה בכמה סדרי גודל מעוצמתו של קריי-1, עם ביצועי נקודה צפה שנמדדים במאות gigaFLOPS, ועומד לרשותו זיכרון גדול ומהיר יותר בכמה סדרי גודל.

מחשבי העל המודרניים בנויים רובם ככולם מעשרות אלפי מעבדים שפועלים במקביל, כשבדרך כלל כל אחד מהם מכיל או שולט על מאות או אלפי של "יחידות עיבוד" פשוטות יותר, שבדרך כלל ארוזות בשבבים מסוג GPU. לעומת מהירות השעון של 6600 ו-7600 שנמדדה במגההרץ, במחשבים מודרניים הקצב נמדד בגיגה-הרץ, כלומר גידול של כשלושה סדרי גודל. לעומת זאת, הביצועים, ובפרט ביצועי החישוב בנקודה צפה שבמחשבים אלו נמדדו ב"megaFLOPS", כלומר $10^{6}$ פעולות בשנייה, נמדדים כיום במאות petaFLOPS - כלומר $10^{17}$ פעולות בשנייה, עלייה של 11 סדרי גודל. עיקר ההבדל נובע ממספר המעבדים העצום במחשבי על מודרניים.

משימות של מחשבי-על

מחשבי-על משמשים למשימות עתירות חישובים, כגון חיזוי מזג אוויר וחקר אקלים, מודלים של תהליכים כימיים, חיפושי נפט וגז, סימולציות פיזיקליות (כגון הדמיות של הרגעים הראשונים של היקום, סימולציה של ניסויים בנשק גרעיני ואווירודינמיקה של מטוסים וחלליות), פענוח צפנים, בינה מלאכותית ולמידת מכונה, ועוד. חישובים אלה נעשים בדרך כלל באריתמטיקה של נקודה צפה, ולכן מהירותם של מחשבי-על נמדדת ב-FLOPS, כמות הפעולות בנקודה צפה שמבצע המחשב בשנייה.

הארכיטקטורה המקבילית של מחשבי-על מכתיבה שימוש במהדרים שנוצרו במיוחד לסביבה זו, ובפרט בגרסאות מיוחדות של Fortran.

דוגמאות למחשבי על

מחשב העל BlueGene/L של יבמ עם כ-250,000 מעבדים

בין יצרנים של מחשבי-על, ובפרט בין ארצות הברית ליפן, מתקיימת תחרות על המקום הראשון. בתחילת 2002 כבש את ראש הטבלה מחשב-על יפני מתוצרת NEC, העוסק בחקר האקלים ומורכב מ־640 אשכולות של מחשבים שלכל אחד מהם 8 מעבדים וקטוריים וזיכרון בגודל 16GB. מחשב זה פועל באמצעות גרסה מיוחדת של מערכת ההפעלה UNIX. נכון ליוני 2003, עוצמת החישוב של מחשב־על זה, שהיא ‏‏35TFLOPS, שקולה לזו של ארבעת הבאים אחריו גם יחד. בשנת 2005 כבש את הפסגה המחשב BlueGene/L מתוצרת יבמ, המותקן במעבדת לורנס ליוורמור בארצות הברית ומשמש לסימולציה של נשק גרעיני. עוצמת החישוב של מחשב־על זה, שהיא 280TFLOPS, גדולה מזו של ארבעת הבאים אחריו גם יחד. שלוש שנים לאחר מכן בשנת 2008 המחשב Roadrunner עקף את קודמיו עם 1PFLOPS. ולאחריו טיאנחה-1 הסיני, הגיע לתוצאה של כ-2.5PetaFLOPS/s. בסוף שנת 2011 התואר מחשב העל המהיר ביותר שייך למחשב ה-K של חברת פוג'יטסו היפנית שהופך לראשון בהיסטוריה שחוצה את קו ה-10 קוודריליון חישובים בשנייה. המחשב מורכב מ-864 מארזים המכילים 88,128 מעבדי SPARC64 VIIIfx שמונה ליבתיים מבית פוג'יטסו, שמסתכמים ב-705,024 ליבות עיבוד.

הארגון המחזיק במספר הגדול ביותר של מחשבי־על הוא ארגון הביון האמריקני, NSA.

מחשבי-על וירטואליים

התפתחותה של רשת האינטרנט הביאה ליצירה של "מחשבי-על וירטואליים". אין אלה מחשבי-על במשמעות הפשוטה של מושג זה, אך הם מהווים תחליף מסוים למחשבי־על. הכוונה לרתימת הזמן הפנוי של אלפי מחשבים אישיים, במסגרת פרויקט של חישוב מבוזר קהילתי, לשם ביצוע משימות עתירות חישוב. דוגמה לכך היא המשימה של חיפוש מספרים ראשוניים ענקיים. עד לשנת 1996 התגלו מספרים כאלה על ידי מחשבי־על (בעיקר מתוצרת CDC או Cray), והחל משנה זו התגלו מספרים כאלה על ידי מחשבי פנטיום ביתיים שהופעלו באלפיהם באמצעות האינטרנט.

דוגמה נוספת למחשוב על מבוסס שיתוף אינטרנטי הוא פרויקט Seti@home שבאמצעות עשרות אלפי משתמשים בו זמניים מפענח קרינת רדיו אסטרונומית בניסיון למצוא תבניות תבוניות.

מחשבים מרכזיים מול מחשבי-על

מחשבים מרכזיים גדולים מתאפיינים אף הם בעוצמת חישוב גבוהה, ולמעשה קודם ליצירתם של מחשבי-על מובהקים שימשו מחשבים מרכזיים מהירים במיוחד למשימות שמאוחר יותר ניתנו למחשבי-על. לפיכך ההבחנה בין מחשבי-על ובין מחשבים מרכזיים אינה פשטנית, אך כללית ניתן לומר שמחשבי-על מתמקדים בפתרון בעיות המוגבלות במהירות החישוב של המחשב בעוד שמחשבים מרכזיים מתמקדים בפתרון בעיות המוגבלות בקצב פעולות הקריאה/כתיבה ואמינות. עקב כך:

• התכנות למחשבי-על חייב להתחשב בסביבה מרובת מעבדים ולכן הוא מסובך ודורש תוכנה ייחודית. לעומת זאת קיומם של מעבדים מקבילים מעטים במחשב מרכזי, נסתר מעיני המתכנת.
• מחשבי-על מוכוונים לביצועים אופטימליים עבור חישובים מסובכים המתבצעים בעיקר בזיכרון המחשב בעוד שמחשבים מרכזיים מוכוונים לביצועים אופטימליים של חישובים פשוטים הכוללים כמויות עצומות של מידע חיצוני המאוחזר ממסדי נתונים.
• מחשבי-על משרתים בעיקר צרכים של אנשי מדע וצבא, בעוד שמחשבים מרכזיים נועדו לשרת צרכים של חברות מסחריות ומוסדות ציבוריים. מטלות כדוגמת חיזוי מזג האוויר, ניתוח מבנה חלבונים ומימוש תמונות דיגיטליות מתאימות ליישום במחשבי-על בעוד שסליקה של כרטיסי אשראי, חישוב שכר, ניהול חשבונות בנקים והכנת פוליסות ביטוח הן מטלות המותאמות למחשבים מרכזיים.
• מחשבי-על מפעילים לעיתים קרובות משימות הסובלות הפסקה (לדוגמה חיזוי של ההתחממות העולמית ומחקר אקדמי). על מחשבים מרכזיים מופעלים שירותים שאינם יכולים לשאת הפסקות והם עובדים לעיתים שנים ברציפות לדוגמה: קניית כרטיסי טיסה ועיבוד פעילות בכרטיס אשראי.
• לעיתים קרובות נבנים מחשבי-על המוכוונים למטרה אחת או מטרות אחדות בלבד. עקב כך, רוב מחשבי-העל הם תכנון חד-פעמי, בעוד שמחשבים מרכזיים הם לרוב סדרה של דגמים השונים רק בעוצמה, בגודל הזיכרון ובקיבולת החיבור לציוד חיצוני.
• מחשבים מרכזיים שומרים בקפדנות על ההשקעה בתוכנה ישנה בנוסף לתמיכה בתוכנות חדשות. במחשבי-העל אין תמיכה בתאימות לדגמים ישנים מכיוון שתמיכה כזו באה בדרך כלל על חשבון הביצועים.
• במחשבים מרכזיים יש בדרך כלל כמה מעבדי שירות המסייעים למעבדים המרכזיים בבצוע פעולות כדוגמת, הצפנה, ניהול קלט/פלט, ניהול זיכרון, סינכרון בין מחשבים ועוד. לכן מספר המעבדים במחשבים מרכזיים הוא למעשה גבוה מהמספר שבו נוקבים בדרך כלל. בתכנון של מחשבי-על לא נעשה שימוש בכמות כזו של מעבדי סיוע שכן הם אינם מוסיפים לעוצמת החישוב הגולמית.

מחשבי על בישראל

מכיוון שישראל אינה חתומה על האמנה למניעת הפצת נשק גרעיני, במשך שנים רבות הטילה ארצות הברית הגבלות קשות על יצוא מחשבי-על לישראל, מחשש שאלה ישמשו לפיתוח נשק גרעיני.

במסגרת צה"ל פועלים מספר מחשבים עתירי עיבוד, שנרכשו בכספי הסיוע האמריקאי ופעילותם מפוקחת על ידי נציגי ארצות הברית.

במסגרת מחב"א, מרכז החישוב הבינאוניברסיטאי, פעלה יחידה לחישובים עתירי עיבוד, שהפעילה מחשבי־על אחדים לשימושם של החוקרים בישראל.

ברשימת טופ500 מחשבי־על המהירים ביותר לשנת 2005 הופיעו תשעה מחשבים הנמצאים בישראל, כולם בתעשיית המוליכים למחצה. בשנת 2007 לא הופיעו ברשימה זו מחשבי־על בישראל. בשנת 2009 הופיע מחשב אחד, תוצרת IBM, ובשנת 2011 הופיעו שלושה מחשבים מתוצרת IBM.

ביולי 2023 נמסר כי ישראל תשתתף בפרויקט רשת מחשבי העל של האיחוד האירופי, במסגרת המיזם "אירופה דיגיטלית" של האיחוד.

בנובמבר 2023 החל לפעול בישראל מחשב-העל Israel-1 של חברת אנבידיה, שייתן שירות לחוקרי אנבידיה וללקוחות חיצוניים בנושא בינה מלאכותית.

ראו גם

• IBM Coupling Facility

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא מחשב-על בוויקישיתוף

• רשימה של 500 מחשבי־על המהירים ביותר
• היחידה לחישובים עתירי עיבוד
• ניו יורק טיימס, ג'ון מרקוף, סין מסמנת עוד יעד: כיבוש פסגת המחשוב העולמי, באתר הארץ, 1 ביוני 2010
• כרמל שור, מהו מחשב-על?, במדור "שאל את המומחה" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 5 בפברואר 2017
• עמי דור-און, מחשבי-על של אמ"ן, באתר News1 מחלקה ראשונה, 21 בספטמבר 2017
• שגיא כהן, מחשב העל הלאומי יוצא לדרך במימון ציבורי של 290 מיליון שקל – וכבר אוסף מתנגדים, באתר TheMarker‏, 15 ביולי 2021
• ינון בן שושן‏, מטא מציגה: מחשב העל הכי גדול, הכי מהיר והכי מתקדם בעולם, באתר וואלה, 24 בינואר 2022
• מחשב-על, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• מחשבי-על, דף שער בספרייה הלאומית