Zgodovina Superračunalništva v Sloveniji

Avtorji: Pavel Tomšič, Jan Jona Javoršek

Uvod

• REWRITE PARAGRAPH / FIX TRANSLATION *

Superračunalništvo je postalo ključen vidik sodobne znanosti in tehnologije, saj omogoča kompleksne simulacije, analize podatkov in reševanje problemov na različnih področjih. Naslednja poglavja predstavijo na kratko zgodovino superračunalništva v Sloveniji, pri čemer poudarjajo ključne dosežke, inovacije in prispevke, ki so oblikovali krajino naprednega računalništva v državi.

Zgodnje računalništvo v Sloveniji

• REWRITE PARAGRAPH / FIX TRANSLATION *

Osnove računalništva v Sloveniji segajo v zgodnja petdeseta leta prejšnjega stoletja, ko so se začeli pojavljati prvi računalniški sistemi. Ustanovitev Nacionalnega računalniškega centra v poznih petdesetih letih je predstavljala pomemben mejnik, ki je spodbujal sodelovanje med akademskimi institucijami in industrijo. To obdobje je prineslo tudi prve digitalne računalnike, ki so igrali ključno vlogo pri znanstvenoraziskovalnem delu in tehnološkem napredku.

• REWRITE PARAGRAPH / FIX TRANSLATION *

V tem času je razvoj zgodnjih računalniških sistemov postavil temelje za kompleksnejše naprave. Raziskovalci so začeli raziskovati potencial računalnikov za različne aplikacije, od matematičnih izračunov do obdelave podatkov. Nekatere inistitucije, npr. Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko in Nuklearni institut "Jožef Stefan" ter, so postale ključni igralci na tem hitro rastočem področju, saj so izvajali raziskave, ki so vplivale na prihodnje napredke v računalništvu.

Hibridni računalniki

• CHECK FACTS *

V šestdesetih letih prejšnjega stoletja je Slovenija doživela pojav hibridnih računalnikov, ki so kombinirali analogne in digitalne zmožnosti. Ti hibridni stroji so izboljšali natančnost in prilagodljivost računalništva ter omogočili učinkovitejše simulacije in obdelavo podatkov. Razvoj analogno-digitalnih in digitalno-analognih pretvornikov je omogočil komunikacijo med različnimi komponentami teh računalnikov, kar je odprlo pot naprednim računalniškim tehnikam.

Hibridni računalniški sistemi so nudili pomembno prednost pred tradicionalnimi analognimi računalniki, saj so omogočali obdelavo kompleksnih matematičnih modelov in podatkov v realnem času. Ta inovacija je raziskovalcem omogočila natančnejše in učinkovitejše simulacije dinamičnih sistemov, kar je privedlo do prebojev na področjih, kot so inženirstvo, fizika in okoljska znanost. Integracija digitalnih zmožnosti je označila prelomnico v razvoju računalništva v Sloveniji, kar je postavilo temelje za prihodnje napredke v superračunalništvu.

Izstopajoč hibridni računalnik HRS-100

V poznih šestdesetih letih so v sodelovanju s sovjetsko zvezo so razvili hibridni računalnik HRS-100. Ta stroj je bil zasnovan za različne znanstvene in tehnične aplikacije ter je prikazoval zmogljivosti hibridnega računalništva. Čeprav je bilo proizvedenih le nekaj enot, je njihova uporaba v Sovjetski zvezi izpostavila prispevke Slovenije k globalnim napredkom v računalništvu.

HRS-100 je imel edinstveno arhitekturo, ki je omogočala ločitev analognih in digitalnih komponent ter optimizirala delovanje obeh sistemov. Njegova zasnova je raziskovalcem omogočila reševanje kompleksnih matematičnih problemov, vključno z diferencialnimi enačbami in simulacijami dinamičnih sistemov. Uporaba tega stroja v različnih znanstvenih disciplinah je pokazala vsestranskost in moč hibridnega računalništva ter okrepila položaj Slovenije kot inovatorja na področju naprednega računalništva.

Osrednji računalniki

V šestdesetih letih je podjetje Intertrade začelo uvažati računalnike podjetja IBM, ki so jih umeščali predvsem v poslovno okolje. Ti sistemi so se razširili in postali zelo pomembni šele proti koncu desetletja, ko so leta 1968 postali dostopni prvi računalniki IBM/360, prvi pravi osrednji računalniki, ki so predstavljali začetek uspešne verige med seboj združljivih, izredno zanesljivih in vedno močnejših sistemov. S tehnologijo hibridnih vezij SLT so pri družbi IBM nadomestii arhitekturo diskretnih tranzsitorjev in diod ter dosegli dvajsetkratno zmanjšanje ter velikansko izboljšanje zanesljivosti. Arhitekura operacijskega sistema pa je omogočila prenosljivost in uporabo stare programske opreme na novih modelih.

Univerza v Ljubljani pa se je v šestdesetih na pobudo NIJS povezala z ZP Iskro, Izvršnim svetom SRS, Republiškim zavodom za statistiko ter Raziskovalno skupnostjo in Izobraževalno skupnostjo Slovenije kot financerji univerze in raziskovalne sfere (prim. Janez Grad: Razvoj računalništva in informatike na Univerzi v Ljubljani, s poudarkom na pomenu RRC in RCU). Sprva so uporabljali računalnik IBM 705 na Zveznem zavodu za statistiko v Beogradu, potem pa so poskušali pridobiti svoj lastni sistem: to je postal ZUSE Z-23.

ZUSE Z-23

Skupni računalnik ZUSE Z-23 sta v novem Računskem centru IMFM v sodelovanju z ZP Iskro vzpostavila Inštitut za matematiko, fiziko in mehaniko Univerze v Ljubljani (IMFM) in NIJS, tedaj še kot inštitut zunaj univerze. S tem se je razvoj praktičnega računalništva, programiranja in računalniške kulture v Sloveniji in Jugoslaviji močno pospešil.

Sistem je bil izdelek nemškega podjetja Zuse KG company. Izdelali so 98 sistemov, ki so jih prodajali do leta 1969. Uporabljal je bobenski pomnilnik s 40-bitnimi besedami in kapaciteto 8192 besed, poleg tega pa je imel še 256 besed hitrega feritnega pomnilnika. Podpiral je fiksno aritmetiko in aritmetiko s plavajočo vejico ter prevajalnik Algol 60. Pri delovni frekvenci 150 kHz je imel porabo 4 kW. Danes računalnik ZUSE Z-23 hranijo v Tehnološkem muzeju Bistra.

Računski center IMFM je postal zaradi nove opreme osrednji organ, zadolžen za razvoj računalništva ter za raziskovalno in izobraževalno delo. Hkrati je razvijal rešitve za tehnične izzive naročnikov. Sodeloval je s Fakulteto za elektroteniko, NIJS in podjetjem Iskra. V Iskri tedaj že dokaj daleč razvili koncept lastnega univerzalnega elektronskega računalnika, a zaradi uspešnosti sistema ZUSE Z-23 so se odločili za licenčno proizvodnjo računalnikov Z-23. Žal so izdelali le štiri. Univerziteni raziskovalci na IMFM in NIJS so sodelovali z Iskro pri razvoju sistemske programske opreme za njene računalnike ter razvoju programske opreme za uporabnike.

Ključni projekti in inovacije

Eden od pomembnih projektov na področju superračunalništva je bila implementacija avtomatizacijskih sistemov pri raziskovalnem jedrskem reaktorju Triga v Podgorici. Ekipa Instituta "Jožef Stefan" in Fakultete za elektrotehniko je razvila ključne vmesnike in nadzorne sisteme ter za upravljanje reaktorja uporabila mini računalnik CDC 1700. Ta pionirski napor je postavil temelje za prihodnje napredke na področju procesnega nadzora in avtomatizacije ter prikazal praktične aplikacije računalništva v kritičnih sistemih.

Računalnik CDC 1700 za zbiranje in obdelavo eksperimentalnih podatkov (Arhiv IJS)

Sodelovanje med akademskimi institucijami je spodbujalo okolje inovacij, ki je raziskovalcem omogočilo reševanje kompleksnih problemov v realnih scenarijih. Poleg tega je Fakulteta za elektrotehniko igrala ključno vlogo v razvoju računalništva z nabavo pomembne strojne opreme, vključno s hibridnim računalnikom EAI-580 leta 1968. Ta stroj je olajšal simulacije matematičnih funkcij in služil kot dragoceno izobraževalno orodje. Sodelovanje z Institutom "Jožef Stefan" je raziskovalcem omogočilo reševanje praktičnih izzivov na področju telekomunikacij in energetskih sistemov s pomočjo simulacij in modeliranja.

RRS in OERC

Ti sistemi si bili zelo dragi, zato je bil pomemben cilj, da bi jih naredili bolj dostopne in zato bolje izkoriščene. Leta 1968 so Univerza v Ljubljani, NIJS, ZP Iskra ter Izvršni svet SRS ustanovili Republiški računski center (RRS). V njegovem okviru je začel delovati Operativni elektronski računalniški center (OERC) kot enota NIJS, ki jo je vodil Janez Grad.

Prvi osrednji računalnik OERC je bil CDC 3100. Računalnik je izdelalo ameriško podjetje Control Data Corporation, eno od devetih največjih računalnških podjetij v ZDA v tem času, v katerem je delal izredno prodorni inženir Seymour Cray. CDC 3100 je bil 24-biten sistem z germanijevimi tranzistorji, frekvenco 571 kHz ter 96 kB pomnilnika z magentnimi jedri. Kasneje so kupili CDC 3300, namočnejši 24-bitni model s frekvenco 800 kHz in kar 768 kB pomnilnika. Ti sistemi so bili nameščeni v zgradbi Iskre v Stegnah, daleč od objektov Univerze v Ljubljani. Zato so vzpostavili terminale za daljinski dostop, Univerza pa je za pedagoške potrebe nabavila še računalnik IBM 1130, tako rekoč neposredno konkurecno sistemom CDC, ki je bil postavljen na Inštitutu za matematiko, fiziko in mehaniko.

Za koordinacijo dela med visokošolskimi zavodi, IJS in RRC je Univerza v Ljubljani leta 1971 ustanovila Računalniški center Univerze v Ljubljani (RCU), njegovo vodenje pa je prevezel dr. Janez Grad z OERC.

CDC 6400 in CDC Cyber 72

Še bolj odmevna je bila naslednja nadgradnja v Republiškem računskem centru, ko so svoj CDC 3300 zamenjali za CDC 6400.

Ko je leta 1964 prišel na trg prvi sistem CDC 6600, je bil 6 -- 10-krat hitrejši od konkurenčnih sistemov IBM, ker je imel izredno inovativno arhitekturo. Sistem, ki ga je razvil Seymour Cray s svojo ekipo, je bil med prvimi računalniki, ki so uprabljali silikonske transistorje, ki so bili hitrejši, zanesljivejši in so se manj greli od germanijevih transistorjev, kakršne so uporabljali prejšnji sistemi. Tako je lahko tekel s frekvenco 10 MHz (cikli na 100 ns), kar desetkrat hitreje od konkurenčnih sistemov. Sistem je bil oblikovan kot križ (gledano od zgoraj), da so bili vodniki čim krajši in niso povzročali težav pri hitrem prenosu podatkov.

V tistem času so bili procesorji počasnejši od pomnilnika, toda CDC 6600 je imel inventiven pristop z majhnim naborom ukazov (danes bi mu rekli RISC, reduced instruction set), tako da je sicer opravil manj na posamezen ukaz, a je bilo mogoče natančno določati delo s pomnilnikom. Cray je namreč simplificiral osrednji procesor in vse sekundarne naloge, zlasti delo s pomnilnikom, prenesel v podporne enote. Periferni vhodno/izhodni procesorji so skrbeli za komunikacijo s pomnilnikom in maksimalni izkoristek, vzporedne računske enote pa so omogočale boljši izkoristek glavnemu procesorju. Arhitektura je bila tako inventivna, da je CDC 6600 obveljal kot prvi uspešen superračunalnik.

Sistem CDC 6400 je sicer uporabljal počasnejši proceso 6400 brez vzporednih matematičnih enot, a je pomenil izredno povečanje računske moči. Poleg tega je nakup tega sistema omogočil oblikovanje prve terminalske mreže v Jugoslaviji. To je spodbudilo sodelovanje in omogočilo boljši izkoristek sistema.

Manj kot leto kasneje je CDC 6400 leta 1971 nadomestil še večji sistem CDC Cyber 72, takrat največji računalnik v jugovzhodni Evropi. Sistem je imel podobno arhitekturo kot CDC 6600, vendar je imel dodatno enoto za primerjanje in kopiranje 6-bitnih podatkov (Compare and Move Unit, CMU), kar je močno pospešilo obdelavo 6-bitnih podatkov, ki niso bili poravnani v 24-bitne besede. Sistemi CDC Cyber so bili najzmogljivejši sistemi pred prehodo od diskretnih elektroskih komponent in magnetnega pomnilnika na integrirana vezja ter polprevodniški pomnilnik.

V RRC se je vključilo veliko število gospodarskih družb, največ jih je bilo kar 22, in tako so lahko računalnik zelo dobro izkoristili.

XXX Tu manjka: CDC v MB

Napredki v avtomatizaciji

Sedemdeseta leta so predstavljala obdobje hitrega napredka v računalništvu, zlasti na področju avtomatizacije. IBM System 7 in Aritma Meda 41T sta bila pomembna dodatka na Fakulteti za strojništvo, ki sta omogočila simulacijo in modeliranje avtomatiziranih sistemov. Ti računalniki so izboljšali sposobnost analize in nadzora procesov ter postavili temelje za moderno industrijsko avtomatizacijo.

Ker je povpraševanje po avtomatizaciji naraščalo, so raziskovalci začeli raziskovati potencial digitalnega računalništva za procesno upravljanje. Kombinacija analognih in digitalnih zmožnosti je omogočila natančnejše in učinkovitejše simulacije kompleksnih sistemov. Razvoj specializirane programske opreme je inženirjem omogočil oblikovanje in optimizacijo avtomatiziranih procesov, kar je privedlo do večje produktivnosti v različnih industrijah. Uporaba računalnikov v industrijskih okoljih je revolucionirala proizvodnjo, logistiko in nadzor kakovosti ter postavila Slovenijo kot ključnega igralca na področju avtomatizacije.

Omreženi in osebni računalniki

V začetku osemdesetih se je pojavljala vse večja potreba po dostopu do računalnika za študente, za kar pa sistem CDC Cyber ni bil najbolj primeren. Na Univerzi v Ljubljani so zasnovali novo računalniško omrežje ter se odločili za prehod na računalnike podjetja DEC (Digital Equipment Corporation), ki so prinašali napredno arhitekturo virtualnega pomnilnika ter večuporabniški operacijski sistem. Prvi sistem je bil DEC system-10 (prej bolj znan kot PDP-10). V drugi polovici osemdesetih so ga zamenjali z dvema sistemoma VAX 8550. Na njiju je iblo priključenih več kot 200 terminalov, preko sistema JUPAK, ki ga je vzpostavila mreža organizacij PPT Jugoslavije, pa je bil sistemo povezan z drugimi računalniki po Jugoslaviji in drugod po Evropi, kar je omogočilo izmenjavo elektronske pošte, uporabo forumov ter skupnih baz podatkov. Posamezni sistemi VAX so bili nameščeni po fakultetah, raziskovalnih organizacijah in gospodarskih družbah, kjer so sobivali s sistemi IBM in prvimi osebnimi računalniki, medtem ko so se v domovih začeli pojavljati mikroračunalniki.

Razvoj superračunalnikov

XXX Tu manjka:

• začetek superračunalništva v svetu
• superračunalniki v Sloveniji v 90-ih
• gruče in GRID v začetku tisočletja (IJS, Vrana, Turboinstitut, FMF)
• HPC in HTC, EGI
• začetek SLING z računalniki:
• Arnes
• NSC
• IJS F9
• superračunalniški sestavom FS, PRACE
• Arctur, MB, Rudolf v NM
• konzorcij SLING
• Ažmanov center KI

SLING in Vega: Mejniki v superračunalništvu

• REWRITE PARAGRAPH *

V zadnjih letih je Slovenija doživela pomembne napredke na področju superračunalništva z uvedbo superračunalnikov mreže SLING in superračunalnika Vega. Ti stroji predstavljajo vrhunec slovenske računalniške tehnologije in so ključni za znanstveno raziskovanje ter industrijske aplikacije.

• REWRITE PARAGRAPH *

Slovensko nacionalno superračunalniško omrežje SLING je bilo ustanovljeno z osredotočenostjo na računalništvo z visoko zmogljivostjo in se je odzvala na naraščajoče povpraševanje po zmogljivih računalniških virih. Uporaba superračunalnika je ključena na področjih, kot so računalniška dinamika tekočin, modeliranje podnebja in bioinformatika, kar raziskovalcem omogoča izvajanje kompleksnih simulacij in analizo obsežnih količin podatkov. S svojo impresivno vsestranskostjo je infrastuktura konzorcija SLING postal dragocena pridobitev za slovenske raziskovalce in institucije, kar omogoča pionirske študije in sodelovanja.

• REWRITE PARAGRAPH *

Vega, izstopajoč superračunalnik, še dodatno izboljšuje zmogljivosti slovenskega superračunalništva. Zagnan leta 2020, je Vega eden najnaprednejših superračunalnikov v regiji in zmožen izvajati širok spekter računalniških nalog z veliko hitrostjo. Ta superračunalnik se uporablja v različnih znanstvenih disciplinah, vključno z umetno inteligenco, znanostjo o materialih in visokoenergijsko fiziko, kar raziskovalcem zagotavlja orodja, potrebna za reševanje kompleksnih izzivov.

• REWRITE PARAGRAPH *

Konzorcij SLING in superračunalnik Vega predstavljata zavezanost Slovenije k napredku superračunalniške tehnologije in spodbujanju inovacij v raziskavah in razvoju. Ti stroji ne le da povečujejo znanstvene zmogljivosti države, temveč tudi prispevajo k globalni skupnosti z omogočanjem sodelovanja in izmenjave znanja.

Zaključek

• REWRITE PARAGRAPH *

Pot superračunalništva v Sloveniji odraža bogato zgodovino inovacij, sodelovanja in tehnološkega napredka. Od zgodnjih računalniških sistemov do sofisticiranih hibridnih strojev je Slovenija dosegla pomembne korake pri napredovanju računalniških zmogljivosti. Ko gledamo v prihodnost, zapuščina teh dosežkov še naprej navdihuje nove generacije raziskovalcev in inženirjev, kar spodbuja naslednji val odličnosti v superračunalništvu.

Časovnica Superračunalništva v Sloveniji

1950. leta

Začetki Računalništva: Temelj za računalništvo v Sloveniji je postavljen z ustanovitvijo Nacionalnega računalniškega centra. Ta center spodbuja sodelovanje med univerzami, raziskovalnimi inštituti in industrijo ter postavlja temelje za prihodnje razvojne dosežke na področju računalništva in tehnologije.

1960. leta

1962: Institut "Jožef Stefan" pridobi ZUSE Z-23, kar označuje uvedbo prvega digitalnega elektronskega računalnika v Sloveniji. Ta pridobitev predstavlja pomemben korak naprej v računalniških zmogljivostih za raziskave in razvoj na različnih področjih.

1966: Raziskovalni jedrski reaktor Triga v Podgorici uvaja avtomatizacijske sisteme z uporabo mini računalnika CDC 1700. To je eden prvih projektov v Sloveniji, kjer se procesni računalnik uporablja za upravljanje delovanja jedrskega reaktorja, kar prikazuje zgodnje aplikacije računalništva v kompleksnih sistemih.

1968: Republiški računski center (RRS) na Operativni elektronski računalniški center (OERC), enoto NIJS, umesti prvi osrednji računalnik CDC 3100.

1968: Fakulteta za elektrotehniko kupi hibridni računalnik EAI-580 v sodelovanju z Institutom "Jožef Stefan". Ta napredna naprava raziskovalcem omogoča izvajanje simulacij in avtomatizacijo procesov, kar povezuje analogno in digitalno računalništvo za večjo natančnost in učinkovitost.

1970. leta

1970, 1971: Republiški računski center CDC 3300 zamenja za CDC 6400, potem za CDC Cyber 72, največji računalnik v jugovzhodni Evropi. Začetek terminalskega omrežja v Jugoslaviji.

Začetek 1970. let: Fakulteta za strojništvo ustanovi Laboratorij za tehnično kibernetiko, kjer pridobijo računalnik IBM System 7 in Aritma Meda 41T. Ti sistemi olajšajo simulacijo avtomatiziranih procesov in povečajo tehnološke raziskovalne zmogljivosti na področju obdelave materialov in nadzornih sistemov.

1977: Hibridni računalnik EAI-580 se poveže z računalnikom DEC PDP-11/34, kar dodatno integrira računalniške vire za bolj kompleksne simulacije in analize.

Konec 1970. let: Razvoj hibridnega računalnika HRS-100 na Inštitutu Mihajlo Pupin v sodelovanju z ruskimi inženirji je zaključen. Ta vsestranski računalnik ima ločene analogne in digitalne enote ter je zasnovan za različne znanstvene in industrijske aplikacije.

1980. leta

1980. leta: Napredki na področju mikroelektronike vodijo do bolj zmogljivih računalniških naprav in sistemov. Prehod od analognega do digitalnega računalništva postane vse bolj izrazit, univerze pa se osredotočajo na digitalne sisteme za raziskovanje in izobraževanje.

• ADD DEC *

1990. leta

1990. leta: Po neodvisnosti Slovenije se nadaljujejo naložbe v računalniško tehnologijo in izobraževanje, kar vodi do ustanovitve novih raziskovalnih objektov in sodelovanja z mednarodnimi institucijami. Poudarek na digitalnem računalništvu raste, kar odraža globalne trende v tehnologiji.

• ADD Convex *

2000. leta

2000. leta: Uvedba sistemov visokozmogljivega računalništva (HPC) v slovenskih raziskovalnih institucijah se začne. Ti sistemi podpirajo vrsto znanstvenih raziskav, od simulacij v fiziki do kompleksnih analiz podatkov v bioinformatiki.

2010. leta

2016: Ustanovitev superračunalniškega centra na Univerzi v Ljubljani, katerega cilj je zagotoviti raziskovalcem dostop do naprednih računalniških virov in strokovnega znanja.

2018: Slovenija začne sodelovati z evropskimi partnerji v različnih projektih HPC, kar povečuje njene zmogljivosti na področju raziskav in razvoja.

2019: Ustanovljen Ažmanov računski center (ARC), sodobno zasnovan center za visoko zmogljivo računanje na Kemijskem inštitutu v Ljubljani.

2020. leta

2020: Superračunalnik Vega je zagnan in priznan kot eden najnaprednejših superračunalnikov v regiji. Vega znatno povečuje Slovenijine zmogljivosti na področju visokozmogljivega računalništva ter zagotavlja bistveno podporo znanstvenim raziskavam, tehnološkemu razvoju in industrijskim aplikacijam.

2022: Nadaljnje naložbe v infrastrukturo superračunalništva in izobraževalne programe zagotavljajo, da Slovenija ostaja konkurenčna na hitro razvijajočem se področju računalniške tehnologije.