hoe werkt een supercomputer
Een supercomputer is eigenlijk heel veel computers samen. Één van zo’n computer heet een node. In een supercomputer zitten altijd drie soorten nodes. Een login node, een compute node en een storage node. Deze individuele nodes hebben altijd minstens één CPU en r.a.m. Soms heeft een node ook randapparatuur, zoals een toetsenborden, beeldscherm en soms zelfs een luidspeaker. In een supercomputer zitten duizend tot honderdduizend nodus. Tussen de nodus en de Cloud zitten ook weer miljoenen verbindingen. Dit is hoe een supercomputer werkt.
Supercomputers bevatten de meeste belangrijkste onderdelen van een standaardcomputer, waaronder:
Traditioneel waren supercomputers buitengewone, supersnelle machines die voornamelijk werden gebruikt door ondernemingen en wetenschappelijke organisaties die een enorme rekenkracht nodig hadden voor ontzettend snelle berekeningen. De supercomputers van vandaag bestaan uit tienduizend processoren die miljarden of zelfs triljoenen berekeningen per seconde kunnen uitvoeren en ze worden gebruikt voor weersvoorspellingen, operationele controle van kerncentrales en cryptologie. Verder wordt een supercomputer ook gebruikt voor marktonderzoek, online gaming en virtuele en augmented reality-toepassingen; tegenwoordig zijn de kosten van supercomputers gedaald.
De moderne supercomputers bestaan uit grote clusters van servers, met één of meerdere CPU’s ingedeeld in rekenknooppunten. Een processor en een geheugenblok die tienduizenden nodes bevatten, komen voor in deze rekenknopen. Deze knooppunten zijn verbonden om te communiceren en samen te werken om specifieke taken uit te voeren, terwijl processen worden verdeeld over of tegelijk worden uitgevoerd door duizenden processoren.
Om de prestaties van een supercomputer te kunnen meten en voor wetenschappelijke berekeningen waarbij floating-point-berekeningen worden gebruikt, worden FLOPS gebruikt. Verder zijn FLOPS een exacte maatstaf van een miljoen instructies per seconde (MIPS). Sommige van de spoedigste supercomputers van vandaag kunnen meer dan honderd quadriljoen FLOPS (petaFLOPS) presteren.
Hoewel supercomputers uit duizenden knooppunten bestaan die via parallelle verwerking met elkaar communiceren om problemen op te lossen, zijn er slechts twee methodes van parallelle verwerking:
- symmetrische multiprocessing (SMP)
- massaal parallelle verwerking (MPP)
Het geheugen en de /O-bus of het datapad worden door de processoren in SMP gedeeld. SMP staat ook bekend als tightly coupled multiprocessing of een Shared everything system.
Bij MPP wordt de uitvoering van een programma gecoördineerd over diverse processoren, die elk tegelijk aan een specifiek deel van de taak werken. Elke processor maakt gebruik van zijn eigen besturingssysteem en geheugen. De communicatie tussen MPP-processoren worden via een berichteninterface mogelijk gemaakt. MPP kan complex zijn en vereist kennis van de wijze waarop een gemeenschappelijke database en het werk over de processoren moet worden verdeeld. Een MPP-systeem staat bekend als een “losjes gekoppeld”- of “gedeeld niets”-systeem.
Verschil tussen SMP en MPP
| Naam |
Afkorting | Verschil |
| symmetrische multiprocessing | SMP | geschikter geacht voor online transactieverwerking (OTP), hierdoor hebben veel gebruikers toegang tot dezelfde database (bv. Eenvoudige transactieverwerking) |
| massaal parallelle verwerking | MPP | geschikter geacht voor toepassingen die meerdere databanken parallel moeten doorzoeken (bv. Beslissingsondersteunende systemen en toepassingen voor datawarehouses) |
Processor
Een processor, een andere naam voor CPU (Central Processing Unit), is het brein van een computer; deze voert berekeningen uit en verwerkt alle opdrachten van programma's en het besturingssysteem. Intel en AMD zijn bekende fabrikanten van processoren. Verder is gigahertz (GHz) de uitdrukking voor de snelheid van een processor. Het aantal kernen (cores) bepaalt hoeveel taken tegelijk verwerkt kunnen worden. Meerdere cores en meerdere threads die tegelijk uitgevoerd kunnen worden, bevinden zich vaak binnen moderne processoren.
Randapparatuur
Randapparatuur zijn alle apparaten die je op een computer aansluit om ermee te werken. Doordat ze de communicatie tussen de gebruiker en de computer mogelijk maken, vormen ze een belangrijk onderdeel van een computersysteem. Je kunt geen gegevens invoeren of resultaten bekijken zonder de randapparatuur. Verder wordt de randapparatuur verdeeld in invoer-, uitvoer- en opslagapparaten.
| Verdeling | Uitleg |
| Invoerapparaten | Invoerapparaten zijn nodig om je gegevens naar de computer te kunnen sturen. Voorbeelden zijn een toetsenbord, muis, scanner en telefoon. Je typt je tekst met behulp van een toetsenbord en je bestuurt de cursor op het scherm met behulp van een muis. Een scanner zet papieren documenten om in digitale bestanden. |
| Uitvoerapparaten | Om informatie te kunnen tonen of produceren vanuit de computer zijn uitvoerapparaten nodig. Denk aan een monitor, printer of luidspreker. Beelden en tekst laten zien is mogelijk met een monitor, terwijl een printer documenten op papier afdrukt. Luidsprekers geven geluid weer, bijvoorbeeld muziek en systeemgeluiden. |
| Opslagapparaten | Opslagapparaten, zoals externe harde schijven en USB-sticks, worden gebruikt om bestanden op te slaan en te verplaatsen. |
Aansluitingen
Aansluitingen zijn verbindingen waarmee een computer communiceert met randapparatuur en andere apparaten. Ze zorgen ervoor dat gegevens, stroom of signalen worden overgedragen. Verder kan een apparaat niet goed functioneren zonder de juiste aansluiting. Aansluitingen kunnen zowel bedraad als draadloos zijn.
USB (Universal Serial Bus) is een van de meest gebruikte aansluitingen. USB-poorten worden gebruikt voor het aansluiten van muizen, printers en externe opslagapparaten. Nieuwere versies kunnen de gegevens sneller overdragen.
HDMI (High-Definition Multimedia Interface) is een andere belangrijke aansluiting, omdat deze gebruikt wordt om beeld en geluid van een computer naar een monitor, televisie of beamer te sturen. Verder worden hoge beeldkwaliteiten en digitaal geluid via één kabel door HDMI ondersteund.
Ethernet wordt vaak voor internetverbindingen gebruikt. Dit is een netwerkkabel die voor een stabiele en snelle verbinding met het internet of een lokaal netwerk zorgt.
Er bestaan naast bekabelde aansluitingen ook draadloze verbindingen zoals wifi en Bluetooth. Hiermee kunnen apparaten zonder kabels met elkaar communiceren, wat zorgt voor meer flexibiliteit en minder kabels op het bureau.
Een besturingssysteem
Supercomputers gebruiken niet dezelfde besturingssystemen, zoals bij een laptop of een computer. Veel supercomputers gebruiken een vorm van Linux, omdat die aanpasbaar is. Een supercomputer gebruikt Linux als basis. Dan wordt deze uitgebreid, omdat hij nog niet krachtig genoeg is voor de miljarden berekening. Het besturingssysteem wordt dan ook aangepast om stabiel en toegankelijk te blijven.
Een supercomputer bestaat uit veel kleinere computers. deze computers heten nodus. Één node heeft zijn eigen CPU, RAM en netwerkverbinding. Deze moeten allemaal goed samenwerken. Hiervoor wordt een node architectuur gebruikt. je hebt drie soorten nodus. Een login node, compute node en een storage node. Login nodus zijn toegangspoorten naar een supercomputer en hier dien je het programma in. Een compute node voert dit programma uit. In dit gedeelte worden dus al die miljarden berekeningen uitgevoerd. Een compute node heeft meestal geen interface en minimale achtergrondprocessen om zo hoog mogelijke rekenkracht te bereiken. Verder wordt het programma opgesplitst over verschillende nodus, zodat niet één node al het werk hoeft te doen. En als laatste hebben we storage nodus. deze slaan veel op. De data is makkelijk en snel toegankelijk. Hier wordt de uitkomst van het programma opgeslagen tot het wordt verplaatst of verwijderd.
Verschillende toepassingen
Supercomputers zijn superhandig, want ze kunnen bij bijna alles worden ingezet. Ze worden vaak bij wetenschappelijk onderzoek ingezet. Hierdoor zijn er ook veel onderzoekscentra bij een supercomputer. Dit zorgt voor makkelijke toegang tot een supercomputer. Ook worden supercomputers voor weersvoorspellingen gebruikt. Dit is handig, want een supercomputer kan niet alleen snel het weer voor de volgende week bepalen, maar voor decennium lang. Dit kon eerst niet, want we hadden niet genoeg data en rekenkracht. Er zijn nog meer dingen waar supercomputers voor gebruikt kunnen worden, maar we gaan binnen andere webpagina’s verder op in.
Een andere toepassing van een supercomputer is dat we hem aan een kwantumcomputer hangen. Dit is en hybride model. Door deze samenwerking gebruiken we eigenlijk alleen de voordelen van beide computers. Een supercomputer is heel goed in simulaties maken en heeft een grote rekenkracht voor globale problemen. Een kwantumcomputer is goed in complexe en specifiek problemen. Ook is een kwantumcomputer goed in het nabootsen van stoffen. Dit zijn de grootste voordelen bij het koppelen van de computers. Als ze de computers koppelen, is het een soort van ultracomputer, want de computers vullen elkaars nadelen aan. Een nadeel hiervan is dat de nadelen die er al zijn worden vergroot. De ultracomputer verbruikt veel meer stroom dan normaal. Ook is er nog meer gespecialiseerde kennis voor nodig.
Kort samengevat
Kort samengevat heeft een supercomputer veel nodus. Er zijn drie soorten nodus: de login, compute en storage node. Elke node is een eigen computer met zijn eigen onderdelen. Een node kan ook randapparatuur hebben, maar dit is niet vaak. Er zitten veel verbindingen in supercomputers. Deze zitten tussen de nodus, de Cloud en soms het randapparatuur. Er is niet zoveel randapparatuur, want randapparatuur wordt gebruikt om opdrachten in te voeren. Deze opdracht wordt ingevoerd op één van de duizenden computers. Nodus zijn de belangrijkste onderdelen binnen een supercomputer. Een supercomputer kan ook een verbinding aangaan met een kwantumcomputer. Hierdoor krijgen we de voordelen van beide computers.
