369px|miniatura|El supercomputador IBM Blue Gene/P al Laboratori Nacional d'Argonne utilitza més de 250.000 processadors, agrupats en 72 grups connectats per una xarxa òptica d'alta velocitat. Un supercomputador o superordinador és un ordinador amb una capacitat de càlcul i processament molt més elevada que una computadora d'ús comú. El rendiment d'un supercomputador és mesurat en operacions de punt flotant per segon (FLOPS). Durant l'any 2015, els supercomputadors aconseguien un rendiment de bilions de FLOPS (Teraflops) segons el TOP500.
Els supercomputadors tenen un paper important en el camp de la ciència computacional, i s'utilitzen per a una àmplia gamma de tasques de càlcul en diversos camps, incloent la mecànica quàntica, el pronòstic meteorològic, la climatologia, l'exploració de petroli i gas, química computacional (calcular les estructures i propietats de compostos químics, macromolècules biològiques, polímers i vidres), i simulacions físiques (com ara simulacions dels primers moments de l'univers, avions i naus espacials aerodinàmiques, la detonació d'armes nuclears, i la fusió nuclear). A més, al llarg de la seva història, han estat essencials en el camp del criptoanàlisi.
Els sistemes amb un nombre massiu de processadors generalment prenen un dels dos camins possibles. El primer és l'enfocament (per exemple, a la computació distribuïda) de centenars o milers d'ordinadors discrets (com ara ordinadors portàtils) distribuïts a través d'una xarxa (per exemple Internet) on dediquen una part o tot el seu temps a la solució d'un problema comú; cada equip individual (client) rep i processa una gran quantitat de petites tasques, on finalment informa dels resultats a un servidor central que integra els resultats de la tasca de tots els clients en la solució global.
En l'altre camí, també hi ha la possibilitat de considerar milers de processadors dedicats (per exemple, en les arquitectures de xarxa en malla), que s'instal·len a una distància molt propera entre si (per exemple, en un clúster d'ordinadors). Això comporta un estalvi de temps considerable quant a la transmissió de dades, i fa possible que els processadors treballin junts (en lloc de tasques separades).
L'ús de processadors de múltiples nuclis combinat amb la centralització és una tendència emergent; un pot pensar en això com un petit grup (per exemple un processador multinucli en un telèfon intel·ligent, tauleta, ordinador portàtil, etc.) que tant depèn com contribueix al núvol.
Història miniatura|Un Cray-1 preservat al Museu Deutsches Les primeres màquines classificables com a supercomputadors es varen introduir a la dècada de 1960 i van ser dissenyats en la seva majoria per Seymour Cray a la companyia nord-americana Control Data Corporation, que va liderar el mercat fins a la dècada del 1970. Va ser aleshores quan Cray va abandonar l'empresa per fundar la seva pròpia companyia, Cray Research, que va passar a ser líder del mercat amb els seus nous dissenys, arribant a fabricar els supercomputadors més ràpids durant cinc anys (1985–1990).
Mentre que els superordinadors de la dècada de 1980 utilitzen només uns pocs processadors, a la dècada de 1990, van començar a aparèixer les màquines amb milers de processadors tant als Estats Units com el Japó, establint nous records de rendiment computacional. El supercomputador Fujitsu's Numerical Wind Tunnel utilitzava 166 processadors vectorials per guanyar-se el primer lloc dels millors supercomputadors al 1994 amb una velocitat màxima de 1,7 Gigaflops (GFLOPS) per processador. El Hitachi SR2201 va obtenir un rendiment màxim de 600 GFLOPS l'any 1996 utilitzant 2048 processadors connectats mitjançant una ràpida xarxa travessera en tres dimensions. El processador Intel Paragon podia tenir de 1000 a 4000 processadors Intel i860 en diverses configuracions, i va ser classificat com el més ràpid del món l'any 1993. El Paragon era una màquina MIMD, que connectava els processadors a través d'una malla d'alta velocitat de dues dimensions, permetent executar processos en nodes separats i comunicant-se a través de la interfície de pas de missatges.
Disseny de maquinari miniatura|Un armari Blue Gene/L que mostra les "targetes"(blades) apilades, cadascuna amb molts processadors Les primeres arquitectures de superordinador iniciades per Seymour Cray es van basar en dissenys compactes, innovadors i de paral·lelisme local per aconseguir el màxim rendiment computacional. No obstant això, amb el temps, la demanda de més potència de càlcul va marcar el començament de l'era dels sistemes massivament paral·lels (sistemes que treballen majoritàriament de forma paral·lela).
A la fi del , la norma general eren superordinadors en paral·lel amb desenes de milers de processadors. Els superordinadors del poden utilitzar més de 100.000 processadors (pocs d'ells són unitats gràfiques) connectats per connexions ràpides.
Al llarg de les dècades, la gestió de la densitat de calor ha seguit sent un tema clau per als superordinadors més centralitzats. La gran quantitat de calor generada per un sistema també pot tenir altres efectes, per exemple, reduir el temps de vida d'altres components del sistema. Hi ha hagut diversos enfocaments per a la gestió de la calor, com l'ús d'un sistema de refrigeració d'aire-líquid híbrid o d'aire de refrigeració amb temperatures d'aire condicionat normals. miniatura|Les famílies de CPU del TOP500 Els sistemes amb un nombre massiu de processadors generalment prenen un de dos camins. En un primer camí podem destacar la computació per núvols, on la potència de processament de molts ordinadors organitzats de forma distribuïda i diversos dominis administratius s'utilitza de forma oportunista sempre que un equip està disponible. En un altre enfocament, un gran nombre de processadors s'utilitzen en proximitat entre si, per exemple, en un clúster d'ordinadors. En un sistema centralitzat paral·lel la velocitat i la flexibilitat de la interconnexió es torna molt important i els superordinadors moderns han utilitzat diversos enfocaments que van des de sistemes millorats per InfiniBand fins a sistemes connectats tridimensionalment segons la topologia Torus. L'ús de processadors multinuclis combinat amb la centralització és una opció emergent utilitzada per exemple en el sistema Cyclops64.
A mesura que l'eficiència de preu, rendiment i energia dels processadors gràfics de propòsit general (GPGPU) han millorat, una sèrie de superordinadors petaflop com Tianhe-I i Nebulae han començat a confiar-hi. No obstant això, altres sistemes com la computadora K segueixen utilitzant processadors convencionals, com ara dissenys basats en SPARC i l'aplicabilitat general de GPGPUs en aplicacions de computació d'alt rendiment d'ús general ha estat objecte de debat, en què sent un GPGPU pot ser sintonitzat per obtenir una bona puntuació en punts de referència específics, la seva aplicabilitat general als algoritmes més habituals pot estar limitada a menys que s'apliqui un esforç significatiu per sintonitzar específicament l'aplicació. No obstant això, les GPU estan guanyant terreny i el 2012 el superordinador Jaguar es va transformar en Cray Titan mitjançant l'adaptació de la Unitat central de processament amb una Unitat de procés gràfic (GPU).
Els ordinadors d'alt rendiment tenen un cicle de vida útil d'uns tres anys.
Un nombre de sistemes específics s'han dissenyat, dedicats a resoldre un sol problema concret. Això permet l'ús de xips FPGA específicament programats o fins i tot xips amb circuits integrats a molt gran escala (VLSI) personalitzats, permeten una millor relació preu / rendiment a costa de sacrificar la generalitat. Alguns exemples de superordinadors per a usos específics són Belle, Deep Blue, i Hydra, per jugar a escacs, Gravity Pipe per a l'astrofísica, i Deep crac, per trencar el xifrat DES.
Ús d'energia i gestió de la calor Un superordinador típic consumeix grans quantitats d'energia elèctrica, gairebé tota es converteix en calor, i aquest fet comporta que li cal sistemes de refredament. Un exemple de cost energètic, és el de Tianhe-1A que consumeix 4,04 megawatts (MW) d'electricitat. El cost de l'energia i el sistema de refrigeració del sistema pot ser significant. En el cas de Tianhe-1A, considerant un cost de 0,10 € per kWh, pot arribar a ascendir a 3,5 milions d'euros l'any.
La gestió de calor és un problema molt important dels dispositius electrònics complexos i afecta els sistemes informàtics de gran abast de diverses maneres. La potència de disseny de la unitat central de processament (CPU) i els problemes de dissipació d'energia tèrmica a la supercomputació superen els de les tecnologies de refrigeració de l'ordinador tradicional. Els premis de supercomputació per a la computació verda (baix consum energétic) reflecteixen aquest assumpte.
L'embalatge de milers de processadors junts genera inevitablement quantitats significatives de densitat de calor que necessiten ser tractades. El Cray-2 va ser refrigerat per líquid, i s'utilitza un Fluorinert "cascada de refredament", que va ser forçat a través dels mòduls sota pressió. No obstant això, l'enfocament de refrigeració per líquid submergit no era pràctic per als sistemes multi-gabinet basats en processadors "off-the-shelf", i en el Sistema X va ser desenvolupat un sistema de refredament especial que combina aire condicionat amb refrigeració líquida en conjunt amb l'empresa Liebert.
En el sistema Blue Gene, IBM va utilitzar deliberadament processadors de baix consum per fer front a la densitat de calor. L'IBM Power 775, llançat al 2011, té elements que requereixen refrigeració per aigua. El sistema IBM Aquasar utilitza refrigeració per aigua calenta per aconseguir l'eficiència energètica, i aquesta aigua s'utilitza també per escalfar els edificis.
L'eficiència energètica dels sistemes informàtics es mesura generalment en termes de "FLOPS per watt". El 2008, el Roadrunner d'IBM operaba a 3,76 MFLOPS / W. Al novembre de 2010, el Blue Gene / Q va assolir 1684 MFLOPS / W. El juny de 2011 els dos primers llocs de la llista verda 500 estaven ocupats per màquines Blue Gene a Nova York (una aconseguint 2097 MFLOPS / p) amb el clúster DEGIMA a Nagasaki posant tercer amb 1375 MFLOPS / W.
La capacitat dels sistemes de refrigeració per eliminar la calor residual és un factor limitant, ja que és possible que els cables de coure d'un superordinador transfereixin energia amb densitats de potència molt més elevades que l'aire forçat o que la capacitat dels circuits refrigerants en poder eliminar la calor de residus. A partir de 2015, molts superordinadors tenen més capacitat d'infraestructura que el pic de demanda real de la màquina - els dissenyadors generalment dissenyen de manera conservadora la infraestructura d'energia i refredament per manejar més de la potència elèctrica màxima teòrica consumida pel superordinador.
Els dissenys per a futurs superordinadors són d'energia limitada - la potència de disseny tèrmic del superordinador en el seu conjunt, la quantitat d'energia i refredament que la infraestructura pot manejar, és alguna cosa més que el consum d'energia normal esperat, però menor que el consum teòric de potència màxima del maquinari electrònic.
Islàndia pot ser un punt de referència per al futur amb el primer superordinador de zero emissions del món. Situat al Centre de Dades Thor a Reykjavik, Islàndia, aquest superordinador es recolza completament en fonts renovables per la seva potència en lloc dels combustibles fòssils. El clima fred també redueix la necessitat de refrigeració activa, pel que és una de les instal·lacions més verdes del món.
Programari i gestió del sistema Tanmateix, per tal que un supercomputador sigui efectiu, el programari s'ha de dissenyar de tal manera que s'eviti al màxim les interdependències de dades, i així pugui ser disposat en paral·lel eficientment d'acord amb la llei d'Amdahl.
Sistemes operatius