Internetové superpočítače

Internet | 01.01.05

Každý počítač, který stojí doma nebo v kanceláři a je alespoň příležitostněpřipojený na internet, se může stát lehce superpočítačem. Tedy přesněji řečeno jeho částí. Mů...





Každý počítač, který stojí doma nebo v kanceláři a je alespoň příležitostně
připojený na internet, se může stát lehce superpočítačem. Tedy přesněji řečeno
jeho částí. Může být prvkem systému distribuovaného počítání. Co to je? Jak to
funguje a jak je možné toho využít? Mohu nějak přispět k vyřešení nějaké úlohy
prospěšné celému lidstvu? Pokud vás zajímají otázky související s
distribuovanými výpočetními systémy a pokud byste rádi viděli takový systém i u
vás doma v pokoji, pak čtěte dál.

Distribuované počítání je poměrně starou technologií, přesněji řečeno
technologickou koncepcí, jak řešit složité problémy, především matematického
charakteru. Pokud máme například rovnici, jejíž řešení je velmi náročné, nebo
sled postupů, jež je třeba extrémně mnohokrát opakovat, pak čelíme klasickému
problému svěřovanému superpočítačům.

Byl jednou jeden superpočítač
Superpočítač v původním slova smyslu je strojem s enormním výpočetním výkonem a
ohromnou pamětí, který je již od počátku konstruován pro řešení tohoto typu
problémů. Tato konstrukce sice způsobuje, že takový stroj ztrácí většinu
vlastností typických pro obyčejné, kancelářské či domácí počítače nebo dokonce
servery, nicméně to je oběť, kterou je potřeba přinést zpracovávání velice
složitých úloh. Typicky si takový počítač představujeme jako stroj zvící
jednoho fotbalového hřiště. Superpočítače v novějším pojetí již nejsou
monolitním systémem, jako tomu bylo dříve, i když rozměr basketbalového hřiště
ani zdaleka neztratily. Místo toho jsou tvořeny velkým množstvím desek, z nichž
každá je technicky vzato počítačem sama o sobě. Obsahuje totiž základní
sběrnici, procesor, část paměti a komunikační prvky, které ji propojují s
ostatními částmi celého zařízení. Výsledkem je, že výpočetní kapacita takové
desky je propojena s výpočetní kapacitou všech ostatních a vzniká zařízení,
které se opět navenek chová, jako by šlo o jediný počítač, nicméně v něm
dochází ke slučování výkonu všech komponent, které jej tvoří.
Superpočítač je, jak již doufejme vyplynulo z jeho popisu, nesmírně složitou a
proto i nesmírně drahou záležitostí. Takové stroje se až na výjimky nestaví
sériově. Každý je vlastně originálem, který je konstruován některou ze
specializovaných firem na zakázku pro každého jednotlivého zákazníka zvlášť.
Zákazníky, kteří si mohou podobné stroje dovolit, jsou především vlády, armády,
některé vysoké školy a instituce, které potřebují vysoký výkon k provozování
své činnosti, například řízení leteckého provozu nebo meteorologická služba.
Jinak řečeno, superpočítač je vynikající věc, ale ani omylem není pro každého.
Kromě toho jsou tyto stroje také mimořádně náročné na provoz, investice do
jejich stavby a oživení nejsou všechno. Superpočítače potřebují obrovské
množství elektrické energie. Kromě toho musí být chlazeny, protože provozem
velkého počtu výpočetních jednotek s vyšší výkonností než běžné PC vzniká velké
množství zbytkového, odpadního tepla. Až donedávna musely být (a některé musejí
být dodnes) umisťovány do speciálního prostředí, kde se dbalo a dbá na velmi
nízkou míru prašnosti, na čistotu ovzduší a na striktně udržovanou teplotu.
Potřebují také specializovanou obsluhu náročnost a tedy i cena jejich údržby je
ve srovnání s klasickým stolním PC nesrovnatelná. To ovšem ještě ani zdaleka
nejsme u otázky cenové náročnosti softwaru pro takové přístroje. Základní
operačním systémem jsou různé specializované verze UNIXu, na nichž běží
zvláštní aplikace určené pro úlohy, kvůli nimž byl daný počítač sestaven.
Jejich administrace se sice podobá řízení běžných unixových systémů, nicméně je
ve skutečnosti mnohem náročnější, jak z hlediska nároků na erudici obsluhy, tak
i z hlediska samotného řídícího a programovacího prostředí.

Rozdělená úloha
Již poměrně dávno přišel kdosi s myšlenkou, jak vyřešit úlohy určené pro
superpočítače i bez jejich asistence. Byla to vlastně z nouze ctnost, ale
znamenala počátek nápadu, který pak našel své naplnění až s masivním nasazením
internetu. Tímto nápadem bylo suplovat funkci superpočítače v "moderním"
pojetí, tedy složeného z velkého množství relativně menších jader v síti
vytvořené z obyčejných počítačů. Klíčovou podmínkou je, aby obrovskou úlohu,
která stojí na začátku celého procesu, bylo možné rozdělit na velké množství
relativně jednodušších úloh. Jednodušších v tom smyslu, že jejich výpočty je
možné provést pomocí zařízení o běžně dostupné výpočetní síle v rozumném čase
několika hodin, maximálně několika desítek hodin čistého početního výkonu, při
zatížení daného stroje blížícímu se maximu jeho možností. Ne všechny úlohy
určené pro superpočítače (jež se ve výsledku mohou chovat jako jediná logická
jednotka) lze takto upravit, nicméně ty typické, postavené na velkém počtu
opakování relativně konstantní úlohy, takto možné přepracovat je. Dalším krokem
je vytvoření systému, jenž umí "porcovat" výchozí úlohu na ony menší části a
prostřednictvím nějakého komunikačního média, obvykle počítačové sítě (ale není
to podmínkou), ji distribuovat obyčejným počítačům. Ty pak úlohu
prostřednictvím speciálně naprogramované aplikace, tzv. klienta distribuovaného
počítání, v nastavené době, tedy tehdy, nejsou-li právě používány pro něco
jiného, řeší. Jakmile je počítačem uzlem sítě distribuovaného počítání
jednotlivá úloha dokončena, je její výsledek pomocí stejného média, jakým byla
získána vstupní data, opět předán distribučnímu systému, který se postará o
jeho správné zařazení do kontextu ostatních výsledků. Jakmile je tato operace
provedena, zajistí odeslání dalšího zatím nezpracovaného balíku dat uvolněnému
uzlu.
Protože v takovém prostředí záleží vlastně jen na výkonu distribučního systému
a mimo něj mohou na jednotlivých úlohách zcela nezávisle na sobě pracovat
stovky, tisíce a miliony samostatných a různě výkonných jednotek, je tak
vlastně možné dosáhnout nejen početní síly blížící se superpočítačům, ale
výkonnost mnohých z nich dokonce i několikanásobně překročit. Jak ale přinutit
majitele, správce klasických počítačů, obyčejných PC, aby se tohoto účastnili?
Snadno. Žádné obyčejné PC není využíváno po celou dobu, kdy je zapnuto. V
naprosté většině případů má systém definovaný spořič obrazovky, který je
aktivován po určité době neaktivity, tedy pokud je zřejmé, že u stolního
počítače už několik minut nesedí uživatel, nebo na tomto počítači nic nedělá. V
takovém případě se spouští rybičky v akváriu, elegantní geometrické tvary nebo
sled kreslených vtipů a výpočetní výkon stroje je bez užitku. Právě v tomto
okamžiku ale může být aktivován systém distribuovaného počítání.
Již před lety byly provedeny pokusy spočívající ve vytvoření jakéhosi
amatérského superpočítače tak, že bylo například v univerzitní tělocvičně
sesíťováno několik stovek klasických PC a pomocí speciálního softwaru bylo
dosaženo koordinace jejich činnosti. Systém, který vznikl, se sice
superpočítačům podobal, ale pravá síť distribuovaného počítání to nebyla,
protože o všechny tyto stroje se bylo nutné starat.
V souvislosti s rozvojem internetu a jeho proniknutím i do běžných domácností a
na méně náročná a zatížená pracoviště se pro systémy distribuovaného počítání
otevřelo nové pole působnosti, na němž mohou teprve předvést vše, co doopravdy
umí. Projekt Seti@Home se dnes stal již legendou. Kromě něj ale existuje
množství dalších, podobných systémů, které se zabývají jinými, rovněž velmi
složitými úkoly z oblasti biologie, fyziky, medicíny, ale také například
kryptografie. Díky systémům distribuovaného počítání se staly služby
superpočítačů dostupnějšími než dříve a mohou být tudíž nasazeny i pro takové
úlohy, které by, ač jsou zajímavé, nikdo nikdy na klasickém superpočítači
nepustil prostě proto, že jsou pro něj spekulativní a poněkud zbytečnou
záležitostí jejich okamžitý potenciální přínos nemusí být nutně roven
vynaloženým nákladům.

Superpočítač versus distribuované počítání
Co je to superpočítač?
- jedno speciální zařízení pro extrémně náročné výpočty,
- může být složen z množství menších "jader", tedy z malých počítačů,
- používá speciální verze obvykle UNIXových systémů,
- jeho součástí je speciální software,
- jedná se o náročnou a velmi drahou záležitost.
Co je to distribuované počítání?
- vyřešení úlohy pro superpočítač tím, že jeúloha rozdělena na větší množství
malých úkolů,
- tyto "malé úkoly" mohou řešit i standardně výkonné stanice propojené sítí,
- na těchto stanicích je instalován speciální software,
- jednotlivé úlohy jsou přidělovány jednotlivým stanicím distribučním centrem,
- výsledky jsou pak předávány zpět do distribučního centra,
- jednotlivé stanice či prvky sítě distribuovaného počítání, která tak vzniká,
mají různý výkon a kapacitu, jsou schopny zpracovávat výsledky svých částí
výpočtu s různou frekvencí,
- protože tak ale činí současně, může síť o několika tisících uzlů vygenerovat
během krátké doby několik tisíc hodin čistého výpočetního času, který by se na
jednom stroji vytvářel velmi dlouho,
- výsledkem je tak vyřešení srovnatelně těžké úlohy jako pro superpočítač, a
navíc v krátkém čase.

Zajímavé systémy distribuovaného počítání

Seti@Home
http://setiathome.berkeley.edu
Seti@Home je nejstarším nepřetržitě běžícím globálním projektem distribuovaného
počítání. Smyslem tohoto projektu je pomocí analýzy rádiových signálů
získávaných prostřednictvím radioteleskopu v Arecibu v Novém Mexiku hledat
možné stopy mimozemské inteligence, přesněji její snahy komunikovat s naší
civilizací. Seti@Home bylo založeno univerzitou v Berkeley, nicméně na jeho
provozu se podílí řada velkých společností, které tímto způsobem testují svůj
hardware i software v podmínkách největšího systému distribuovaného počítání na
světě. Je v provozu již čtyři roky a zřejmě ještě v provozu nějakou dobu bude,
nicméně žádné signály, které by k nám vysílal E.T., se prozatím nepodařilo
objevit, byť existují vážní kandidáti z některých částí hvězdné oblohy.

Evolution@Home
http://www.evolutionary-research.org
Tento projekt se podobá předchozímu pouze svým názvem, jeho smyslem je totiž
něco zcela odlišného. Účelem je zjistit, jak funguje matka příroda, konkrétně
evoluce. Pomocí speciálních simulátorů jsou zde s využitím počítačů
dobrovolníků simulovány procesy, ke kterým docházelo v přírodě po miliony let.
Díky tomu je možné lépe pochopit v mnoha ohledech vývoj života na Zemi a v
důsledku toho i potenciálně na jiných místech této a jiných slunečních soustav.
Protože evoluce je nesmírně složitým procesem, je stejně složité i její
matematické modelování, které se opět děje pomocí speciálního klienta určeného
pro několik různých systémových platforem.
Nedostatkem tohoto systému je menší míra automatizace než v případě Seti@Home,
mnoho věcí je zde nutné dělat ručně, především se pak jedná o dodávání dalších
pracovních jednotek. Také samotná aplikace není tak hezká a jak se můžete
přesvědčit z obrázku, běží v konzolovém režimu. Přesto dělá velmi zajímavou
práci její výsledky na internetu vás mohou přesvědčit.

Climate Prediction
http://www.climateprediction.net
Také projekt Climate Prediction patří stejně jako předchozí do rodiny systémů
enviromentálního počítání. Účelem v tomto případě není pochopit fungování
evoluce, ale pokusit se předpovědět vývoj klimatu na příštích padesát let. Data
jsou sbírána na základě současných globálních map světového klimatu a
analyzována s ohledem na různé možné tendence a směry vývoje. Výsledkem tohoto
procesu má být dosažení přehledné a dynamické mapy vývoje planetárního klimatu
v perspektivě následujících padesáti let. Klient funguje jako spořič obrazovky,
nabízí možnost výběru projektu (a nejen to), je poměrně obsáhle
konfigurovatelný, má integrovanou službu zasílání zpráv uživatelům a několik
dalších užitečných funkcí. Bohužel, čas od času ve Windows XP/SP2 padá nebo má
tendenci fungovat nekorektně, což je škoda.

Stavba urychlovače částic
http://stephenbrooks.org/muon1

Z enviromentálních věd se přesuňme na chvíli do oblasti techniky. Nejmodernější
fyzika vyžaduje nejnovější vybavení. Jeho konstrukce již dávno není jen otázkou
inženýrů, ale i superpočítačů. V rámci projektu MUON1 se můžete účastnit vývoje
urychlovače částic, který je konstruován opět pomocí dobrovolnických počítačů
po celém světě. Jedná se o docela zajímavý a ve světle hledačů mimozemšťanů
nebo evoluce mnohem praktičtější projekt, který však také vyniká poměrně
velkými ambicemi konstrukce funkčního urychlovače. Bohužel, s klientem tohoto
systému jsme měli trochu problémy. Pokud byste si jej chtěli vyzkoušet,
doporučujeme určitou opatrnost, nicméně na Windows typu NT jej lze docela dobře
zvládnout.

Hledání léků
http://www.find-a-drug.org
Hledání léků je projekt, který se pomocí služeb distribuovaného počítání snaží
přispět k nalezení léků na běžné, avšak smrtelné a zničující choroby, jako je
například malárie a další. Je provozován nezávislou neziskovou skupinou.
Zajímavostí je, že Find-a-Drug se mimo jiné snaží najít i kvalitnější
protilátky proti jedům a toxinům, které by mohly být potenciálně využity
teroristy pro bioteroristické útoky. Projekt je rozdělen do několika dílčích
částí, v rámci kterých se pracuje na jednotlivých úkolech. Smyslem je analýza
velmi složitých molekul a jejich možných kombinací. Klient tohoto systému má
standardní instalátor pro systém Windows. Jeho konfigurace je spojena s
jednoduchou registrací. Ovládání klienta je realizováno přes ikonku v systémové
oblasti Windows a přes okno, na němž je také zobrazována grafika, funkce
systému je jinak řízena zcela automaticky. Nedostatkem byla v tomto případě
kromě místy pochybné stability také skutečnost, že systém dokázal velmi rychle
spotřebovat veškerý výpočetní výkon i poměrně silného počítače za jeho plného
chodu, a tak bylo nutné jej ručně pomocí správce úloh "usměrnit". Nakonec se to
ovšem podařilo, a tak mohlo distribuované počítání hledání léků probíhat
relativně bez problémů.

Výběr je větší
Představili jsme pět projektů distribuovaného počítání, nicméně jich existuje
mnohem více. Za pozornost stojí mimo jiné ještě například jeden, který se
pokouší odhadovat sekvence lidského genomu z již známých částí a výrazně tak
napomoci poznání genetické stavby člověka a vlastně i dalších živých organismů
(http://www.grid.org/ projects/ hpf).Pomoci hledání léků se snaží i jeden z
projektů Standfordské univerzity (http://cmgm. stanford.
edu/~cparnot/xgrid-stanford/ index.html). Jiným zajímavým pokusem je snaha
počítat proteinové sekvence pomocí projektu Predictor@ Home
(http://predictor.scripps. edu). Zajímavostí tohoto projektu je, že rozměrově
se jedná o jednoznačně největšího klienta pro distribuované počítání, s nímž se
můžete dnes na veřejném internetu setkat (jeho provoz zabere něco přes sto
megabajtů na pevném disku). Zajímavé je i to, že tento systém používá
standardizovanou platformu (tj. klient server) pro distribuované počítání, s
níž se je možné setkat i u dalších podobných projektů.

Možnosti distribuovaného počítání na internetu

V současné době existují díky internetu desítky sítí distribuovaného počítání.
Některé z nich jsou určeny pro širokou veřejnost, jiné pracují pouze v daném
prostředí, například ve školách, nemocnicích nebo společnostech, které tak
efektivně využívají volného času a prostředků svých počítačů k pozitivním
účelům. Některé z veřejně dostupných sítí jsou dobrovolnou záležitostí a každý
uživatel, který se těchto projektů účastní, tak činí vědomě bez nároku na
odměnu. Existovaly ale i takové, které slibovaly za investované hodiny
procesorového času zaplatit určitou finanční částku. Sítě jsou realizovány jako
spořiče obrazovky (i v tomto ohledu bylo průkopníkem Seti@Home), nicméně mohou
fungovat i nepřetržitě jako jeden z procesů hostitelského počítače. V minulosti
se objevila přinejmenším jedna síť (Altnet), která fungovala na spywarovém
základu. Jejím klientem se stal každý, kdo si nainstaloval výměnný program
KaZaA Media Desktop (plnou, nikoliv pirátskou "Lite" verzi) a byla určena k
prodeji výpočetního času svých členů třetím stranám. Přestože oficiálně tato
síť nebyla použita a její klienti dnes slouží k něčemu jinému (šíří
prostřednictvím KaZaA chráněný obsah, soubory vybavené zlatou ikonkou), ukázala
i ona možnosti distribuovaného počítání v kombinaci s jinými technologiemi, v
tomto konkrétním případě s malwarem, tedy s nežádoucím softwarem bundlovaným
sponzorskou formou s jinými aplikacemi.

Co tedy potřebuji, pokud chci pracovat v distribuční síti?
Pokud máte dojem, že váš počítač většinu svého času zahálí a pouze živí více či
méně nudný spořič obrazovky, pak není důvod, proč byste se nemohli stát
aktivním prvkem některé ze sítí distribuovaného počítání. Co k tomu
potřebujete? Nic zvláštního, vlastně jen základní věci:
- dostatek výpočetního výkonu, procesor Intel PII a vyšší, Celerony, včetně
kompatibilních,
- operační systém Windows konfigurovaný tak, že v době, kdy běží spořič
obrazovky, nefunguje na pozadí jiná služba, která by podstatným způsobem
konzumovala výkon (například nepřetržitý antivirový skener, nekonečná
optimalizace disku či trvale využívaný server),
- minimální připojení k internetu, nemusí být trvalé (i když pro lepší výsledky
se pochopitelně doporučuje) pro stahování zdrojových balíčků dat a odesílání
výsledků,
- alespoň přibližnou představu, čemu vlastně byste chtěli výkon svého PC
věnovat (na výběr je stále poměrně dost různých projektů),
- konfiguraci nastavenou tak, aby se systém aktivoval po rozumné době
neaktivity počítače, přesněji neaktivity jeho hlavních aplikací.
Ještě je třeba říci, že existují placené systémy distribuovaného počítání.
Nicméně není u nich příliš dobré počítat s nějakým horentním výdělkem, protože
tak vysoký početní výkon, aby výdělku dosáhl, našinec stejně v naprosté většině
případů nesežene, a pokud ano, pak je pravděpodobné, že by náklady v konečném
důsledku bohužel byly vyšší než možný zisk.

Podívejte se na seznam aktivních projektů
http://www.aspenleaf.com/distributed/distrib-projects.html

Tipy pro vás
Už jste si vybrali systém distribuovaného počítání, který vám vyhovuje? Nyní
pro vás máme několik tipů, kterých je moudré se držet (ale v žádném případě to
není povinné).
- Nechte svůj počítač pracovat nepřetržitě. Neustálý provoz PC nijak nevadí a
rychleji dosáhnete zajímavých výsledků.
- Nechte systém distribuovaného počítání běžet kdykoliv, kdy je to možné, ale
jen tak, aby vás jeho činnost nijak neomezovala při práci. Pamatujte, že to je
sekundární úloha vašeho počítače a jako takový byl i navržen. Nemá smysl kvůli
němu omezovat práci nebo hru a stavět vlastní počítač jen kvůli takovému
systému mohou pouze ti největší nadšenci (ačkoliv i takoví zde jsou).
- Nepoužívejte současně více než jeden systém. Smysl by to mělo jedině v
případě, že byste měli opravdu extrémně rychlý počítač, který by neměl co
dělat. A to nepředpokládáme.
- Pravidelně sledujte novinky. Navštěvujte web provozovatele systému
distribuovaného počítání, pročítejte si, na jakých úkolech se momentálně
pracuje či momentálně pracujete, jak je celá věc daleko a co vše ještě zbývá
vypočítat. Vyplatí se to.
- Pokud je to možné, nechte se zapsat na newsletter. Budete tak pravidelně
informováni o novinkách. I to velmi oceníte.
Distribuované počítání představuje velmi zajímavou oblast využívání internetu a
elektronické komunikace v moderním světě vůbec. Pokud se pro ně rozhodnete,
můžete se stát součástí obrovského a potenciálně užitečného systému. Pouze je
potřeba si opatrně a dobře vybírat a kvůli jedné aplikaci navíc rozhodně
nepřestat dodržovat zásady bezpečného používání počítače a výměnných
komunikačních systémů, jimiž aplikace pro distribuované počítání prakticky
vzato jsou. Je třeba si také uvědomit, že jde o aplikace, které fungují
nepřetržitě, využívají výkon počítače a mají přístup k jeho obsahu stejně jako
ke komunikaci s internetem. Instalujte jen to, čemu důvěřujete.












Komentáře

K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.