ENIAC (/ˈini.æk/ hay /ˈɛni.æk/ viết tắt của cụm từ Electronic Numerical Integrator and Computer, tiếng Việt: Máy tích hợp điện tử và máy tính)[1][2][3] là máy tính kỹ thuật số đầu tiên có thể lập trình, điện tử cho mọi mục đích.[4] Nó là máy hoàn chỉnh Turing và có thể giải quyết “một lớp lớn các bài toán số” thông qua việc lập trình lại.[5][6]
Mặc dù ENIAC được thiết kế và chủ yếu được sử dụng để tính toán các bảng bắn pháo cho Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Tên lửa của Quân đội Hoa Kỳ (sau này trở thành một bộ phận của Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Quân đội),[7][8] chương trình đầu tiên của nó là một nghiên cứu về tính khả thi của vũ khí nhiệt hạch.[9][10]
ENIAC được hoàn thành vào năm 1945 và lần đầu tiên được đưa vào hoạt động cho các mục đích thực tế vào ngày 10 tháng 12 năm 1945.[11]
ENIAC chính thức được đặt tại Đại học Pennsylvania vào ngày 15 tháng 2 năm 1946 và được báo chí gọi là “Bộ não khổng lồ“.[12]
Thiết kế và xây dựng của ENIAC được tài trợ bởi Quân đội Hoa Kỳ, Quân đoàn, Bộ Tư lệnh Nghiên cứu và Phát triển, do Thiếu tướng Gladeon M. Barnes đứng đầu. Tổng chi phí khoảng $ 487.000, tương đương $8.236.000 năm 2022.[14] Hợp đồng xây dựng được ký ngày 5 tháng 6 năm 1943; Công việc trên máy tính bắt đầu bí mật tại Trường Kỹ thuật Điện Moore của Đại học Pennsylvania [5] vào tháng sau, với mật danh “Dự án PX“, với John Grist Brainerd là điều tra viên chính. Herman H. Goldstine thuyết phục Quân đội tài trợ cho dự án và giao cho ông phụ trách giám sát chương trình cho họ.[15]
x
x x
Siêu máy tính là gì?
Siêu máy tính hay còn được gọi là Supercomputer, là một loại máy tính rất khác so với máy tính để bàn và máy tính xách tay mà bạn quen sử dụng. Nó lớn hơn và có sức mạnh hơn nhiều so với máy tính cá nhân. Do đó, siêu máy tính không bao giờ được sử dụng để soạn thảo văn bản hay chơi game.
Thay vào đó, nó được dùng để nghiên cứu khoa học, xử lý và tính toán phức tạp. Hiện tại siêu máy tính đang có tốc độ xử lý hàng nghìn Teraflop (1 Teraflop bằng một nghìn tỷ phép tính trên giây) bằng tổng tốc độ xử lý của 6000 máy tính tiên tiến bậc nhất hiện nay gộp lại.
Hiện nay, một máy tính thường ngày hoạt động dựa trên nguyên lý xử lý tuần tự: Lấy thông tin (dữ liệu) bằng công đoạn gọi là đầu vào, lưu trữ và xử lý dữ liệu, sau đó tạo ra một dòng đầu ra (kết quả). Vậy cách hoạt động của siêu máy tính là gì?
Siêu máy tính hoạt động theo phương pháp hoàn toàn khác đó là xử lý đồng thời những tác vụ, tức có thể làm nhiều việc một lúc. Bên cạnh đó việc xử lý đồng thời cần tập trung nhiều công việc cần xử lý cùng lúc hơn nên siêu máy tính là những tập hợp gồm nhiều máy tính khiến cho chúng mang kích thước đồ sộ.
Quá trình phát triển của các loại siêu máy tính
Trước khi đi vào những thông chính của bài, chúng ta hãy sơ lược qua đôi nét về lịch sử để biết về quá trình phát triển của siêu máy tính là gì nhé.
Siêu máy tính đầu tiên xuất hiện đó là ENIAC được ra mắt ngày 15/2/1946, ngay 3 năm sau máy tính điện đầu tiên xuất hiện. Cỗ máy do John Mauchly và J. Presper Eckert thiết kế và lắp đặt, dài khoảng 25m và nặng 30 tấn. Năm 1953, IBM đã phát triển một máy tính lớn là IBM 701 và đã bán được khoảng 20 chiếc cho nhiều cơ quan chính phủ và quân đội.
Năm 1956, IBM đã phát triển ra siêu máy tính Stretch cho phòng thí nghiệm tại đất nước Los Alamos. Lúc đó, nó vẫn là chiếc siêu máy tính nhanh nhất thế giới cho đến năm 1964, mẫu CDC6600 ra mắt với khả năng giải quyết 3 triệu phép tính mỗi giây.
Thời điểm phát triển nhanh của siêu máy tính là gì? Đó là trong những năm 1960 đến 1970 hàng loạt siêu máy tính được ghi nhận như: IBM 7030 Stretch, Hệ thống Nghiên cứu Nguyên tử Livermore (LARC) và máy tính Atlas của Đại học Manchester. Chúng chủ yếu phục vụ cho cho nhu cầu nghiên cứu khí động lực học và dự báo thời tiết cũng như chế tác phi cơ, ô tô và hoả tiễn vũ trụ.
Giai đoạn 1980 – 2000 là thời kỳ phát triển của các siêu máy tính tìm xác suất, mô hình giả lập 3D cũng như phóng xạ. Thời kỳ sau đó với sự phát triển của trí tuệ nhân tạo (AI), chúng được ứng dụng vào quân sự như mã hoá, hạt nhân,… Như vậy, sau khi đã hiểu rõ về siêu máy tính là gì, ta đã thấy được những ứng dụng to lớn của nó.
Những siêu máy tính bậc nhất toàn cầu hiện tại nằm ở các nước như Mỹ, Liên minh châu Âu, Nhật Bản và Trung Quốc. Trong ấy Mỹ và Trung Quốc là những nước đang dẫn đầu cuộc đua này.
Đối tượng nào nên sử dụng siêu máy tính
Nếu đã hiểu siêu máy tính là gì, bạn sẽ thấy Supercomputer dành cho các nhà nghiên cứu. Khái niệm về nhà nghiên cứu khá rộng và phức tạp. Tuy nhiên bạn có thể hình dung các công việc nhà nghiên cứu phải thực hiện bao gồm việc phát triển các phương pháp mô phỏng phản ứng mặt trời cho đến mô hình hóa các hệ thống vật lý như động cơ máy bay, khí hậu Trái đất hay hệ thống mạch máu người.
Bên cạnh đó, các công việc của họ có thể liên quan đến việc đưa ra các quyết định hay các chính sách quan trọng thường dựa trên các kết quả tính toán do họ phát hiện. Trong trường hợp đó, những kết quả này phải cực kỳ chính xác. Vì vậy siêu máy tính là một yếu tố phụ trợ hiệu quả trong các nghiên cứu như vậy.
Mức độ quan trọng của siêu máy tính là gì?
Siêu máy tính được sử dụng trong mọi lĩnh vực khoa học, bao gồm dự báo thời tiết, nghiên cứu thiên văn, khí hậu,… Theo chuyên gia Chris Woodford của Explainthatstuff, về mặt lý thuyết, một siêu máy tính có thể được sử dụng cho bất cứ việc gì. Bên cạnh đó, siêu máy tính còn có tiềm năng trở thành biểu tượng mới của sức mạnh công nghệ.
Theo John Kelly, Phó chủ tịch cấp cao về nghiên cứu nhận thức và giải pháp của IBM: “ai có siêu máy tính mạnh hơn sẽ có thể làm chủ công nghệ. Mọi người có thể sử dụng nó để mô hình hóa nhằm dự đoán tương lai, cũng như khám phá những điều chưa biết trong y học, khoa học, chăm sóc sức khỏe và vật liệu”.
Kiến trúc, phần cứng và phần mềm của siêu máy tính là gì?
Kiến trúc
Các loại siêu máy tính ban đầu do Seymour Cray thiết kế dựa trên kỹ thuật tính toán song song và nhỏ gọn để đạt được hiệu suất tính toán cao. Bạn có hiểu kỹ thuật tính toán song song của siêu máy tính là gì không? Nếu muốn biết bạn nên đọc phần này nhé.
Việc sử dụng một số lượng lớn CPU để thực hiện một tập hợp các phép tính cụ thể được gọi là tính toán song song. Tất cả các tính toán sẽ được thực hiện song song. Có hai cách áp dụng phổ biến:
Điện toán phân tán
Nhiều máy tính nhỏ đặt trên toàn quốc được liên kết với nhau thành mạng thông qua một máy trung tâm (Control Node). Trong đó, máy chính có nhiệm vụ chỉ huy và giao nhiệm vụ cho các máy con xử lý.
Điện toán tập trung
Các loại siêu máy tính này là một loại cụm máy tính (Computer Cluster) bao gồm một hệ thống được tạo thành từ nhiều CPU nằm gần nhau. Bởi vì những CPU này thường được tìm thấy trong một số lượng lớn các máy tính tương tự, hệ thống được coi như một siêu máy tính duy nhất. Loại siêu máy tính này chiếm hơn 80% hệ thống siêu máy tính trên thế giới. Chính vì thế, khi được hỏi về điện toán tập trung của siêu máy tính là gì, bạn hãy phân biệt được loại này với loại điện toán phân tán nhé.
Phần cứng
Như đã nói trước đây, siêu máy tính trong những năm 1970 chỉ sử dụng một số bộ vi xử lý. Tuy nhiên, đến những năm 1990, số lượng CPU của nó đã tăng lên hàng nghìn và ngày nay, một siêu máy tính với hàng chục nghìn CPU được coi là bình thường.
Trong các siêu máy cluster, nhiều “node” (nút) nhỏ thường được kết hợp để tạo thành một hệ thống lớn. Mỗi nút này đại diện cho một máy tính gần như hoàn thiện, hoàn chỉnh với một hoặc nhiều CPU, nhiều thanh RAM, GPU, quạt làm mát và một vài thành phần khác.
Các nút sẽ được liên kết theo nhiều cách khác nhau, bao gồm cáp đồng hoặc cáp quang truyền thống để tăng băng thông. Sức mạnh của hệ thống siêu máy tính sẽ đến từ sức mạnh tổng hợp của tất cả các nút hoạt động cùng nhau. Qua thông tin này, chắc hẳn bạn đã biết sức mạnh của siêu máy tính là gì rồi đúng không.
Mọi người cần ổ đĩa lưu trữ trong các hệ thống siêu máy tính và các ổ cứng HDD và SSD này không có trong máy (DAS – Direct Attached Storage) như trên PC. Thay vào đó, chúng thường được đặt trong một tủ riêng (SAN – Storage Area Network), có kết nối mạng riêng và dung lượng “khủng”.
Ngoài CPU, GPGPU (bộ xử lý đồ họa đa năng) cũng là một thành phần bạn nên biết nếu đang tìm hiểu về phần cứng của siêu máy tính là gì. Đây là bộ phận hiện được sử dụng để tăng sức mạnh của các loại siêu máy tính. Cho đến nay, chúng ta đã biết rằng GPU được sử dụng để hiển thị hình ảnh và xử lý các tác vụ liên quan đến đồ họa, nhưng chúng cũng có thể xử lý dữ liệu và thực hiện một số tác vụ tương tự như CPU.
Trên thực tế, việc sử dụng GPGPU để tăng hiệu suất CPU vẫn đang được các nhà khoa học tranh luận. Nhiều người cho rằng việc bổ sung GPGPU sẽ giúp siêu máy tính trở nên mạnh mẽ hơn và đạt benchmark cao hơn. Nhưng trên thực tế, nó đòi hỏi phải bỏ rất lớn công sức để tinh chỉnh phần mềm để có thể tối đa hóa sức mạnh của kiến trúc kết hợp này.
Phần mềm
Hệ điều hành của các loại siêu máy tính phổ biến nhất trên thị trường hiện nay là Linux. Thị phần thấp hơn là Windows và BSD, nhưng chúng không đáng tin cậy và ít phổ biến. Vậy để biết lý do hệ điều Linux lại được dùng cho siêu máy tính là gì, bạn hãy xem lại bài viết về hệ điều hành Linux trước đó nhé.
Do kiến trúc tính toán song song của hệ thống siêu máy tính, các kỹ thuật lập trình đặc biệt thường được yêu cầu sử dụng để có thể khai thác tối đa sức mạnh vượt trội của các siêu máy tính. Các chức năng API như MPI, VTL và PVM được sử dụng, cũng như các giải pháp phần mềm nguồn mở như EBowulf.
Trong hầu hết các trường hợp, môi trường PVM và MPI sẽ được sử dụng cho các hệ thống cluster, trong khi OpenMP sẽ được sử dụng cho các hệ thống bộ nhớ chia sẻ. Các thuật toán cũng phải được tối ưu hóa nhiều vì siêu máy tính chạy trên nhiều CPU và GPU, chưa kể mỗi tủ siêu máy tính được đặt tách biệt với các tủ khác.
Các hãng sản xuất siêu máy tính
Sau khi hiểu siêu máy tính là gì, bạn có thắc mắc các hãng sản xuất siêu máy tính là những hãng nào không? Nếu có, hãy xem phần sau:
Như bạn có thể thấy, ba công ty hàng đầu trong lĩnh vực siêu máy tính hiện nay là IBM, HP và Cray. Tuy nhiên, hiện nay các tập đoàn công nghệ lớn như Dell, NEC, Intel, Lenovo, Fujitsu, Acer và Oracle cũng là những tập đoàn đang hoạt động trong thị trường này
