I.
GİRİŞ
İnsanoğlunun ilk zamanlar ihtiyaçları basit ve azdı. Zaman geçtikçe
nüfusun artması ihtiyaçlarında artmasına sebep oldu. Bu ihtiyaçlarını
karşılamak için değişik alanlarda değişik araçlar geliştirdi. Bu ihtiyaçlarından
hesap ile ilgili olan kısmını ilk başlarda parmak hesabı ile, parmak hesabının
yeterli olmadığı yerlerde de çakıl taşlarını kullanarak karşılamaya çalıştı.
Hesap ile ilgili ihtiyaçlar ekonominin hızla gelişmesi ve yerleşik hayata
geçilmesiyle beraber iyice arttı. Birçok farklı yaklaşım ve kuram ortaya atıldı
ve günümüz bilgisayar teknolojisinin temelleri atılmaya başlanmış oldu.
Bilgisayar
teknolojisi ve gelişimi insan tarihindeki diğer teknolojik gelişmeler gibi
eskilere dayanan bir çok evrelerden oluşmaktadır. Bilgisayarın gelişimi
bilimsel ve teknolojik gelişmeler paralelinde ortaya çıkan ihtiyaç ve
gereksinimler nedeniyle ileriye dönük üst kademelere doğru evrimsel gelişmeler
göstermiştir.
Günümüz
teknolojisi gelişimine paralel ve insanoğlunun hayattaki araştırmalarında bilim
ve teknik ihtiyaçlarına en yüksek
performanslarda cevap verebilecek düzeydeki bilgisayarların üretimi, bilim ve
teknik hakkındaki araştırmaların çok hızlı bir şekilde yapılıp, en kompleks
problemlerin bile çok daha kısa sürede cevaplandırılıp bilimsel ve teknolojik
sürecin çok daha hızlı işlemesini sağladı. Adına super bilgisayar
diyebileceğimiz bu bilgisayar türleri bayağı bir sure daha bilgisayar tarihinde
gelinen son noktada kalmaya devam edecektir.
I.
BİLGİSYAR Tarihçesi
Bilgisayar kategorisine girebilecek
özelliklere sahip, tarihte bilinen ilk bilgisayar:
Mekanik Geçmiş Zaman Bilgisayarı
2000
yıldan daha eski olduğu düşünülen
mekanik geçmiş zaman bilgisayarı güneşin ve ayın hareketlerini
incelemede kullanılıyordu. Günümüzde
süper bilgisayarlarının kullanıldığı astronomide hizmet eden bilgisayarın
teknolojisine erişmek için 100 yıldan daha uzun bir zaman geçmesi gerekti. Yani
en eski bilgisayar aynı zamanda hacklenmesi en uzun süren bilgisayar oldu[1].
Uzun bir çalışma sonucunda cismin bir taslağı yapıldı. Dişlilerin
çalışması sonucunda ayın ve güneşin hareketlerini hesaplayabilen bir takvim ve
bir tür hesap makinesi olduğu anlaşıldı. Makinada, 37 dişli çark, ayın ve
güneşin hareketlerini takip etmek, güneş tutulmalarını tahmin etmek ve hatta
ayın düzensiz yörüngesini önceden çizmek için kullanılıyordu.
Şekil-1
Uzun bir çalışma sonucunda cismin bir taslağı yapıldı. Dişlilerin
çalışması sonucunda ayın ve güneşin hareketlerini hesaplayabilen bir takvim ve
bir tür hesap makinesi olduğu anlaşıldı. Makinada, 37 dişli çark, ayın ve
güneşin hareketlerini takip etmek, güneş tutulmalarını tahmin etmek ve hatta
ayın düzensiz yörüngesini önceden çizmek için kullanılıyordu.
Antik ve orta çağların en
gelişmiş cihazı olarak belirtilen makinayı, gelişmiş x-ışınlı tomogrofilerle ve
yüzey tarayıcıları ile inceleyen uzmanlar, makina üzerindeki yazıları
okuyabildiler. Bu incelemelerden sonra milattan önce 100 ile 150 yılları
arasında yapıldığı tahmin ediliyor.
ENIAC (Electrical Numerical Integrator And
Computer)
Elektrikle çalışan ve elektronik
veri işleme kapasitesine sahip ilk bilgisayardır. Yaklaşık 167 m^2 bir alana
sığan, ağırlığı 30 ton olan dev cüsseli bilgisayarın siparişi 1941 yılında
Amerika’nın 2. dünya savaşına katılmasıyla birlikte ordu tarafından gizli
olarak Pennsylvania Üniversitesine ait elektrik mühendisliği okulu Moore’a
verildi. Bilgisayar 1947 yılında kamuoyuna tanıtıldı[2].
Savaşın ardından EINAC daha çok hava tahminlerinde atom enerjisi
hesaplamalarında, kozmik ışın çalışmalarında, termal tetikleme, rüzgar tüneli
dizaynında ve diğer bilimsel araştırmalarda kullanıldı. 1951 yılında ise, daha
çok endüstriyel alanlarda kullanılmıştır. Ticari
bilgisayarların gelişmesiyle birlikte bilgisayar da yeni sektör olmaya
başlamıştır. Sektörde çalışacak insan gücü yetiştirilmeye başlanmış ve
bilgisayarlarla ilgili el ve
kılavuz kitaplar da basılmaya başlamıştır.
1952'de Fred Gruenberger ilk bilgisayar ile ilgili bir el kitabı yazmıştır.
Şekil-2
Yukarıdaki şekilde ENIAC bilgisayarın kontrol
bölümünü oluşturan ön panelinden bir kesit görüntülenmektedir. Kontrol
panelinin üzerinde görülen kabloların yerleri değiştirilerek yine panelin
üzerindeki led’lerin renklerine gore yanıp sönmesiyle bilgisayarda işletilmek
üzere girilen verilerin doğruluk payları sınanır.
Hesaplama Kapasitesi ve Işlevselliği
ENIAC bir sayının görüntüsünü ayırabiliyor, eşitlikleri
karşılaştırabiliyor, çarpabiliyor, bölebiliyor, toplayabiliyor, çıkartabiliyor
ve kare kökleri hesaplayabiliyordu. ENIAC'ın akümülatörleri (ön kayıt
bölgeleri) hem toplama hem de hafıza işlevi görüyordu. ENIAC'a veriler bir IBM
kart okuyucusu aracılığı ile veriliyordu. İşlenmiş veriler ise yine bir IBM
delikli kart makinesi sayesinde alınıyordu ve bu kartlar yine IBM’in üretmiş
olduğu bir delikli kart okuyucu tarafından (muhtemelen IBM 405) deşifre
ediliyordu.
O günlerde 60 saniye yol alan bir topun rotasının hesaplanması için, yaklaşık
20 saatlik çalışma gerekiyordu. ENIAC bu hesaplama süresini 15 saniyeye
indirdi. Bir saniyede yapabildiği toplama işlemi akümülatör başına 5.000 adetti
(toplam 100.000 adet). Saniyede yapabildiği çarpım işlemi 385, bölme veya
karekök alma işlemi ise 38 adetti. Geçici hafızasında sadece 200 sayıyı
saklayabiliyordu.
Teknik Bilgileri
ENIAC toplam 30 ana
bölümden oluşuyordu. Toplam ağırlığı 30 ton olup, 167 m² alana sığıyordu.
Boyutları yaklaşık 2.4 m x 0.9 m x 30 m idi. 150-200 kW lık elektrik gücüne ve oldukça güçlü soğutma donanımına
ihtiyaç duyuyordu. Bünyesinde 17.468 vakum tüpü, 1500 röle, 7200 kristal diyot,
70.000 rezistans, 10.000 kapasitör ve yaklaşık 5 milyon el ile yapılmış lehimli
bağlantı içeriyordu.
I.
İLK SÜPER BİLGİSAYARLAR
Süper bilgisayarlar birden çok parallel işlemci birden çok yüksek başarımlı
vektör işlemciler ve öbek bilgisayarların oluşturduğu sistem (her bileşen olmak
zorunda değil) olarak tanımlanabilir. Süper bilgisayarlar bilimde, deney ve
hesaplamayı birleştiren hesaplamalı bilim gibi yeni metodolojilerin oluşmasını
sağlamıştır.Günümüzde süper bilgisayarlar saniyede yüzlerce trilyon işlem yapar
hale gelmiştir. Örneğin, dünyanın en hızlı süper bilgisayarı saniyede 136,8
trilyon kalıcı işlemle Amerika'da Lawrance Livermore National Laboratuary
isimli ulusal laburatuarın kullanımındadır (teorik sınır bu rakamın üzerinde
olup adı geçen makina için saniyede 183,5 trilyon işlemdir) Süper bilgisayarlar
ilk defa 1960'larda Seymour Cray tarafından Control Data Corporation da
tasarlandı.
a) Cray-I :
İlk süper bilgisayar 1976 da yapılan Cray-I
dir[3]. Bunda beraber paralel çalışan 12 işlem birimi mevcuttur. Bilgisayar tüm
birimlerini aynı anda çalıştırabilir. CPU içinde 150 den fazla yazaç vardır.
Bir kayan noktalı işlemi iki tane 64 bit veri üzerinde bir saat vuruşu içinde
12,5 ns de tamamlar. Bu süper bilgisayara 80 megaflops boru hattı hızı
kazandırır.
Şekil-3
CRAY şirketi çok
işlemcili Cray X-MP, CRAY Y-MP, Cray-1 ve Cray-2 modellerini
geliştirmiştir. Cray-2 vektör işlemle
Cray-1 den 12 kat daha hızlıdır.
Bu
arada vektör işlemcilerin atomik işlemcilerden çok daha hızlı olmasının sebebi,
atomik işlemciler girilen değerleri her saat darbesinde teker teker işlerken,
vektör işlemciler ise yazaçlarına boru hattıyla gönderilen verileri vektör
şeklinde işleyerek sistem performansının çok daha fazla hızlı olmasını
sağlar.
b) Fujitsu
VP-200 :
- Fujitsu VP-200 ; bir sabit ve bir vektör
işlemcisi olup aynı anda çalıştırabiliyordu[4].
-
Aynı Cray’ler gibi çok sayıda yazaçları ve işlem birimleri mevcuttu.
-
Vektör işlemcisi içinde 4 boru hattı mevcut olup hepsi çalıştığında 500 milyon
flops’a erişebiliyordu.
-
Bellek 32 milyon kelime olup, vektör yazaçlarına yükleme ve depolama boru
hatlarıyla bağlıydı
II.
BLUE GENE
A)
Tanımı ve Türleri :
Blue Gene : On binlerce işlemcinin
birbirine paralel bağlanıp geniş bir
bellek alanını destekleyen gömülü sistemlerin tek bir bilgisayar
konfigürasyonunu oluşturacak şekilde dizayn edilmiş bir mimarinin adıdır.
Şekil-4
Bu
projenin adının Blue Gene mimarisi olmasının nedeni; proje ortaklarından başı
çeken IBM in kurumsal renginin mavi oluşu ve bu projenin ilk çıkış amacının
insan gen ve protein gibi biyomoleküler araştırmalar olması projenin isminin
Blue Gene olmasını şart kılmıştır.
Blue
Gene; Peta Flop mertebesindeki işletim hızlarına ulaşmak için tasarlanmış ve
neredeyse 500 tera flop işlemci hızına ulaşmış süper bilgisayarlar üretmek için
geliştirilen bir bilgisayar mimarisinin adıdır. Bu arada peta flop,
bilgisayarın saniyede bir katirilyon işlem yapabilme kapasitesine eşdeğerdir.
Tera flop ise, bilgisayarın saniyede 1 trilyon işlem yapabilme kapasitesine
eşdeğerdir[5].
Blue
Gene projesi IBM, Lawrance Livermore milli labaratuarı, çalışmaları kısmen
finanse eden ABD enerji bakanlığı ve akademik çevreler arasında yürütülen ortak
bir çalışmadır. Proje 18 Eylül 2009 tarihinde ABD başkanı Barack Obama tarafından
Ulusal Teknoloji ve Yenilik madalyası almıştır.
Gelişmekte
olan dört Blue Gene Projesi vardır : Blue Gene/L, Blue Gene/C, Blue Gene/P
ve Blue Gene/Q dur.
Bu
projelerin aynı ortaklara ait olması ve aralarında fazla bir zaman farkının
olmamasına rağmen, projelerin farklı adlarla anılıp kategorilendirilmesi, o
projenin çıkış amacına yönelik donanım
tasarımı ve performansının ayrı bir proje grubunu oluşturmasındandır.
B)
Çıkış Amacı :
- Bilimde
deney ve hesaplamayı birleştiren hesaplamalı bilim gibi yeni metodolojilerin
oluşmasını amaçlar.
- İnsan proteinin yapısını çözmek ve bu yolla
iyileşmeyen hastalıklara alternatif tedaviler geliştirmek.
- Aslında Blue Gene’nin en büyük amacı,
şimdi ne kadar bilim kurgu gibi görünse de; insan beyninin hızına ulaşmak,
beyni elektronik ortama aktarıp insan genlerini çözmek ve belki de yeni
ırkların ortaya çıkmasını sağlamak
olabilir.
- Blue Gene projelerinin daha çok savaş
teknolojisini destekleme ve nükleer silah araştırmalarında kullanımı
hedeflendiğinden IBM yapımı Blue Gene / L serisinin o kadar iyi amaçlı olmadığı
anlaşılıyor.
BLUE GENE / L :
Bu proje, Blue Gene
projelerinin ilk serisidir.
IBM tarafından oluşturulan bu proje ilk 29
Eylül 2004 te duyuruldu. Kasım 2006 tarihi itibariyle TOP500 listesinde Blue Gene/L mimarisini kullanan 27 bilgisayar
vardır. Bütün bu bilgisayarlar eServer Blue Gene Solution'nun bir mimarisine
sahiplermiş gibi listeleniyor. Tüketilen elektrik kilovat başına en yüksek
performansı sunmak için tasarlanmıştır. Ulaşabildiği en yüksek performans 360
teraflop olup LINPACK benchmark’ta
güçlendirmeden sonra performans 478 tFlop a ulaştırılabilmiştir. Haziran 2006
tarihinde TOP500 listesinde, dünya
çapında birkaç yerde Blue Gene/L kurulumları en iyi 10 konumdan 3'ünü ve en iyi
64 konumdan 13'ünü almıştır. Blue Gene/L'nin 3 rafı San Diego Supercomputer Center'da yerleştirilmiş
ve akademik araştırma için hazır duruma getirilmiştir. New York Blue/L, Haziran
2008 TOP500 listesinde 17. sıraya
yerleştirilmiştir. Ayrıca talep edildiği zaman dağıtımları ödenekleri sağlıyor.
22 Haziran 2006 tarihinde NNSA ve IBM, Blue Gene/L'nin 207.3 TFLOPS hızında
kimyasal uygulama (Qbox) başardığını bildirdi. 14 Kasım 2006'da, süper hesaplamalarda, Blue Gene/L bütün HPC
üstün sınıf ödüllerini kazanan ödülü almıştır. 2007 Kasımında
LLNL Mavi Gen/L dünyanın en hızlı süper bilgisayarı olarak bir numaralı yerde
kaldı. Bu önceki ölçümden beri yükseltilmiş ve ayrıca Blue Gene/P sistemi olan
ikinci en hızlı bilgisayardan hemen hemen üç kat daha hızlıydı. 18 Haziran 2008
tarihinde yeni TOP 500 listesi zamanında petaflops markasına üstün çıkan tek sistem olan
IBM'nin hücre temelli( Cell-based) Roadrunner sistemiyle bastırılan bu durumu
kabul ettiğinden beri ilk defa Blue Gene sisteminin
TOP500 listesinde lider olmadığına işaret etti.
Blue Gene/L Mimarisinin Şematiği :
Şekil-5
Yukarıdaki
Blue Gene/L nin mimari şematiği en genel anlamda diğer bütün Blue Gene
mimarilerinin temelini oluşturmaktadır. Öyle ki bilgisayarların işlemlerinde
kullanabileceği akla gelen ilk donanım parçası olan işlemciler “Compute Card”
adı verilen hesaplayıcı kartı üzerine entegre edilmiştir. Hesaplayıcı kartları
ise mimarinin ikinci parçası olan ve “board” adı verilen bizim anakarta
benzetebileceğimiz karta entegre ediliyor. Board kartın üzerinde hesaplayıcı
kartların entegre edilebilmesi için birbirine parallel oluşturulmuş karşılıklı
8x2 adet soket bulunmaktadır. Dolayısıyla mimarinin ilk tasarımından itibaren
her board’un en az 16 adet hesaplayıcı kart ve dolayısıyla her hesaplayıcı
kartın üzerinde yine en az 2 adet işlemci olduğunu varsayarsak, her board un
üzerinde en az 32 adet işlemciyi destekleyecek şekilde tasarlanmıştır. Blue
Gene mimarisinin üçüncü basamağı olan ve adına “rack” verilen donanım parçasında
ise, en az 32 adet işlemci taşıyacak halde tasarlanan board’ların üst üste yine
bağlantılarda birbirine parallel olacak şekilde yuvalar oluşturulmuştur. Dizayn
olarak üst üste konumlanmış çekmecelere benzeyen bu yuvalardan her rack’ ta en
az 32 adet board yerleştirilecek şekilde yuva bulunmaktadır. Bu yuvalara
entegre edilen board’lar diğer board’lara parallel olacak şekilde bağlantı
giriş/çıkışları tasarlanmıştır. Adına rack denilen Blue Gene mimarisinin üçüncü
basamağı olan her kabinin en az 32 adet board’ u desteklediği düşünülürse temel
olarak bu mimaride üçüncü adıma kadar en
az 32x32 adet işlemcinin kullanıldığı görülmektedir. Blue Gene mimarisinin son
basamağı olan bütün kabinlerin yine birbirine parallel olacak şekilde
dizilmesiyle oluşturulmuş son basamak olan sistemdir. Blue gene projesinde
tanımlanan ilk sistem en az 64 adet kabinden oluşuyordu. Kabinler fiber optik
kablolarla zeminin altından oluşturulmuş ağ tarfiği ile birbirine parallel
şekilde bağlanıp veri transferlerinin maximum performansı sağlayacak şekilde ağ
tasarımı yapılmıştır. Bu tasarım insan beynini oluşturan milyarlarca nöronun
bağlantılarını sağlayan ve tüm bu nöronların toplamının aslında bu nöronların
eş zamanlı çalışmasıyla oluşan en büyük nöron olan beynin oluşmasını sağlayan tasarımdan
yararlanmıştır. Bu mimariyi oluşturan Blue Gene/L projesinin son basamağını
oluşturan sistemde 64 adet kabin kullanılmıştır. Böylece diğer blue gene
projeleri gibi blue gene/ L projesinde kullanılan 64x32x32 adet işlemci
istendiğinde tek bir program üzerinde eş zamanlı çalışarak teraflops hızlarında verim sağlanmış
olur.
Blue Gene/L ‘nin Teknik Özellikleri :
- Bir
rack 1024 veya 2048 AIB tutar
- Raflarda tutulan düğümler
düşük güçle çalışacak şekilde dizayn edilmiştir. Ve daha düşük güç gerektiren
uygulamalarda işlemci hızını optimize edebilir. Bu durumda system soğutmasının
daha verimli çalışması ve performansın daha hızlı olması sağlanmıştır.
-
- Sisteme gelen yüksek gerilimli enerji
raflar arasında en iyi performans sağlanacak ve en az ısınma olacak şekilde
optimize edilmiştir. Dolayısıyla system parçaları arasındaki soğutma sisteminin
daha sağlıklı işlemesi ve system parçalarının muhtemel yüksek sıcaklıktan
deforme olup bu bakımdan performans düşüşlerinin önüne geçilmiş olur.
-
- Her bir düğüm üç ana parallel haberleşme çeşidi data kablosuyla bağlıdır.
-
- Bütün Blue Gene projeleri bilimsel
amacı etkili şekilde karşılayacak yeni platformların nasıl kullanılacağı, bu
paralel mimarinin daha performanslı olması için ne tür düzenlemelere
gidilebileceği ve bu hedeflere makul bir bedelle nasıl varılabileceği gibi
konular içerir. Dolayısıyla projenin donanımsal özelikleri ile izlediği performans tablosu her zaman gözden
geçirilecek konumda olup peşpeşe güncellemelerle system verimliliğinin daha da
arttırılması hedeflenir.
Blue Gene/L ‘nin Yazılım Özellikleri :
- Sistem
yazılımı paralel uygulamaların verimli bir şekilde yürütülmesini destekler.
Dolayısıyla parallel işlemci mimarisi üzerinde parelel yazılımlar işletiliyor.
- C, C++, Fortran yazılım derleyicilerine
sahiptir.
- Hesaplama
düğümleri kullanılacak en az bir işletim sistemini çalıştırabilir.
Bunlardan tek kullanıcılı basit işletim
sistemi olabilir.
- Birden
fazla programın aynı anda işletimine izin vermek için; sistem içerisinde izole
edilmiş elektronik düğümler veya AIB leri kümeler halinde bölümlendirilebilir.
Sisteme girilen birden fazla programdan önceliği daha fazla olan program daha
önce işletilir. Daha fazla işlem kapasitesi gerektiren programa da daha fazla
işlemci kapasitesi ayrılabilir.
- Paralel
programlama modeline sahiptir. Bu daha çok C dilinde geliştirilmiş kütüphane
(MPI) ile paralel programlama
gerçekleştirilebilir. Böylece bir program sistemin tüm AİB leri üzerinde eş
zamanlı yürütülebilir.
IBM, protein folding gibi biyomoleküler
fenomen çalışmasına uygulanacak etkili paralel bilgisayar kurmak amacıyla 5
yıllık bir çaba için 100 milyon dolar değerinde bir araştırma girişimi ilan
etmiştir. Bu projenin iki temel amacı vardır: Geniş
ölçekli simülasyona karşı protein folding'in arkasındaki mekanizmaları anlamak ve etkili paralel makine mimarisi ile
bilimsel yazılımlarda yeni fikirler keşfetmemize yardımcı olmaktır. Bu proje
şuan ki teknolojinin fırsat verdiği daha büyük çapta düzenlenen biyomoleküler
simülasyonları sağlamalıdır. Matlab ta yapılan parmak izi, yüz tanıma, medical
görüntü işlemeleri, ses işleme ve devre simülasyonu gibi matrix ve vektörel
uygulamalar hep C/C++ platformlarında geliştirilebiliyor.
BLUE GENE / C :
- Blue
Gene/L den sonra geliştirilen kardeş projedir.
- Cyclops64 olarak yeniden adlandırıldı.
- Çipleri
üzerinde hücresel bir mimariye sahip muazzam hızlı paralel AIB’lerden oluşan
süper bilgisayarlardır.
- Hücresel
bir mimariye sahip oluşu çok sayıda eşzamanlı konuları tek bir işlemci içinde
çalıştırma yeteneği verir.
- 2007 nin başlarında bitirilmesi amaçlanan bu
proje daha sonralara ertelenmiştir.