За какво се използва? Граница, най-мощният и бърз суперкомпютър в света, работещ в Националната лаборатория в Оук Ридж? От моделиране на реактор до прогнозиране на климата.
Този въпрос има по-широк контекст. Често ме питат защо изобщо създаваме толкова мощни машини, ако всеки от нас може да има компютър? Разбира се, суперкомпютрите са много скъпи машини, които консумират огромно количество енергия, но това, което получаваме от тях, е много по-ценно. Днес ще се опитам да го обясня на примера на суперкомпютъра Frontier.
Също интересно: История на OpenAI: какво беше и какво предстои за компанията
Защо се нуждаем от суперкомпютри?
Накратко, суперкомпютрите могат да обработват огромни потоци от информация. Нашият свят се променя много бързо, човечеството е създало огромна база данни, която трябва да бъде обработена, анализирана, групирана, спасена, накрая. Това ще ни помогне например да получим нови, по-евтини и по-ефективни лекарства, по-издръжливи материали, да прогнозираме климатичните промени за десетилетия и т.н. Суперкомпютрите ни позволяват да моделираме поведението на обекти, които ще изградим, като термоядрени реактори. И това са само някои примери за приложението на най-бързите суперкомпютри. Да, те са много скъпи за производство и поддръжка, но си заслужават.
Но да започнем с основите. Какво изобщо е суперкомпютър? Все още няма ясна дефиниция за това. Въпреки това, характерна черта на всеки работещ в момента суперкомпютър е много високата изчислителна мощност. В интернет може да се намери опростена дефиниция, според която суперкомпютърът е машина, която може да постигне изчислителна производителност от поне 1 терафлопс, т.е. 1012 (трилиона) операции с плаваща запетая в секунда. Това е много в сравнение с обикновените домашни компютри.
Ако по-рано скоростта на компютрите се измерваше в IPS (инструкции за секунда), тогава трябваше да се измисли нова единица за суперкомпютри - FLOPS, т.е. операции с плаваща запетая за секунда. Колкото по-високо е това число, толкова по-мощен е компютърът.
Разбира се, подход, базиран на определен изчислителен праг, остарява доста бързо, тъй като производителността на процесорите, които са ядрото на тези машини, непрекъснато се развива и расте. С всяко пускане на нови процесори производителността на съвременните компютри също се увеличава. Изграждането им обаче е много трудно и финансово скъпо.
Прочетете също: Проект за човешки мозък: опит за имитиране на човешкия мозък
Кои суперкомпютри са най-бързи?
Имаме най-новите данни по този въпрос. През ноември 2023 г. уебсайтът Top500.org, който редовно публикува оценки на производителността на най-мощните компютри на Земята от много години, публикува последното, 62-ро издание на класацията Top500, която представя 500-те най-ефективни суперкомпютри, съществуващи в момента .
Системата Frontier все още е най-ефективният суперкомпютър на планетата. Този суперкомпютър е първата в света изчислителна система с екзамащаб, тоест скоростта му надвишава 1 екзафлопс. Самата Frontier се намира в Националната лаборатория, която се намира в Оук Ридж, Тенеси, САЩ. Този суперкомпютър е текущият лидер с HPL резултат (High Performance LINPACK - специален тест, който оценява грубата производителност на суперкомпютрите) при 1193 EFlops (един екзафлоп е квинтилион, или 1018 изчисления с плаваща запетая за секунда).
За сравнение: скоростта на най-мощния чип Apple M1 Ultra е около 21 терафлопа (един трилион FLOPS). Цифрата е огромна, това е факт. Изненадващо през 2002 г. имаше компютър, който развиваше още по-голяма скорост - това е суперкомпютърът Earth Simulator на японския технологичен гигант NEC Corporation. Скоростта му беше около 36 терафлопа!
Frontier използва процесори AMD EPYC 64C 2GHz и е базиран на най-новата архитектура HPE Cray EX235a. Той е сглобен от 9408 процесора AMD EPYC и 37632 ускорителя AMD Instinct MI250x. Общо системата има 8 699 904 процесорни и графични ядра. В допълнение, Frontier има впечатляваща енергийна ефективност от 52,59 GFlops/watt и използва HPE Slingshot 11 мрежа за пренос на данни. Така по време на тестовете той е в състояние да произведе до 1,1 екзафлопа. Пиковата производителност достигна рекордните 1,686 екзафлопа. Цената на устройството се оценява на 600 милиона долара.
Това е първият и засега единствен суперкомпютър в света, който работи в режим на провал. Frontier стана лидер преди година, но не позволи на никого дори да посегне на позицията му в класацията за юни 2023 г. И досега, в началото на 2024 г., американският суперкомпютър е най-производителният в света.
Но учените вече предполагат, че може би след известно време той ще трябва да признае превъзходството на друга американска машина: суперкомпютърът Aurora.
Според последното класиране, новият суперкомпютър Aurora с чипове Intel Sapphire Rapids, работещ в Argonne Leadership Computing Facility в Илинойс, САЩ, се нарежда на второ място с HPL производителност от 585,34 PFlops. Въпреки че това е само половината от производителността на водещия суперкомпютър на Frontier, системата Aurora все още не е завършена и само половината от планираната окончателна система работи в момента. След завършване прогнозираната производителност на Aurora вероятно ще надхвърли 2 EFlops. Суперкомпютърът Aurora, създаден от Intel, е базиран на архитектурата HPE Cray EX - Intel Exascale Compute Blade, използва процесори Intel Xeon CPU Max Series и Intel Data Center GPU Max Series ускорители. Както при Frontier, мрежата HPE Slinghot-11 отговаря за преноса на данни.
Третият най-ефективен суперкомпютър е нова облачна система, наречена Eagle Microsoft Azure в САЩ. Това е нещо като технологично любопитство, тъй като Eagle е облачен суперкомпютър, а третата позиция в класацията Top500 е най-високата, достигана някога от облачна система. Microsoft Eagle може да се похвали с HPL производителност от 561,2 PFlops, изчислителното сърце е процесорите и ускорителите Intel Xeon Platinum 8480C NVIDIA Н100.
Тук си струва да споменем японския суперкомпютър Fugaku, чиято производителност е повече от три пъти по-малка от Frontier и един от най-производителните суперкомпютри в миналото - LUMI. Въпреки че китайците все още строят нещо мощно, всичко е в бъдещето.
Също интересно: Технологични прогнози за 2024 г.: какво да очакваме?
Защо се нуждаем от толкова много изчислителна мощност?
Може да се възхищавате на ефективността на най-бързите машини на Земята, но производителността, която постигат, не е за чупене на рекорди, а за получаване на желаните резултати от изчисленията за възможно най-кратко време. Никой потребител на суперкомпютър не използва тази машина, за да напише имейл или да подготви презентация. Би било ужасна загуба да използваме такива машини за изпълнение на задачи, които можем да изпълняваме на устройства в домовете си. В края на краищата, изчислителният потенциал на суперкомпютрите ви позволява да извършвате действия, които не са налични на обикновените компютри.
За какви задачи говорим? На първо място, за тези, които могат да донесат реална полза и това не е непременно тези, които могат веднага да бъдат превърнати в пари. Струва си да припомним, че само около 600 милиона щатски долара бяха изразходвани за създаването на суперкомпютъра Frontier. Разбира се, разходите за неговото използване и текуща поддръжка също са значителни. Суперкомпютърът заема площ от 680 квадратни метра и консумира 21 MW електроенергия.
Frontier, подобно на други суперкомпютри, се използва, наред с други неща, за задачи като климатично моделиране, изследване и производство на нови лекарства, жизненоважни за човечеството, изследване на нови материални технологии и др. Разбира се, обхватът на задачите, изпълнявани от този тип оборудване, е много по-широк и включва например анализ на огромни масиви от различни видове данни: финансови, медицински, сателитни изображения, моделиране на физически явления и много, много други. Фактът, че Frontier е първият суперкомпютър в екзамащаб, му позволява да изпълнява задачи, които биха били трудни дори на други суперкомпютри.
Пример може да бъде моделирането на целия жизнен цикъл на термоядрен реактор. Да, това не е грешка. В света все още няма нито една термоядрена електроцентрала, но мощната изчислителна мощ на Frontier в екзамащаб позволява да се симулира поведението на хипотетичен термоядреен реактор и да се предвиди поведението на плазмата в такъв реактор. Разбира се, докато термоядрената енергия не бъде комерсиализирана, е трудно да се мисли за ползите, но никой в света не се съмнява, че изчислителната мощност, която ще допринесе за създаването и развитието на термоядрената енергия и ще спаси цялото човечество от енергиен недостиг, си заслужава инвестиции.
Прочетете също: Всичко за Microsoft Вторият пилот: бъдещето или грешният път?
Суперкомпютри и медицина
Едно от приложенията на суперкомпютрите са сложните и енергоемки изчисления, свързани със структурата на химикалите и органичните съединения. Внимателният анализ на поведението на отделните вещества, който е възможен благодарение на способността да се симулира поведението на дадено съединение на много прецизно ниво, е инструмент, който позволява разработването на нови, по-ефективни лекарства.
Още през 2020 г., преди пускането на суперкомпютъра Frontier, учени от Националната лаборатория Оук Ридж, която тогава разполагаше със суперкомпютъра Summit (тази машина беше най-ефективният суперкомпютър през 2018 г., все още се използва и се класира на 7 с ефективност от 148,8 Pflops) го използва, за да разработи нов тип лекарство за рак. Новото лекарство се оказа с около 10% по-добро, по-ефективно в лечението от използваните преди това средства. Разбира се, 10% не са много, но го кажете на пациентите, които са успели да спасят живота си благодарение на тази "малка" разлика. Човешкият живот, разбира се, е безценен, но всяко лекарство с по-висока ефикасност може да спести огромни средства за здравната система и да намали разходите за лечение. Тук Frontier може да бъде полезен. Неговите възможности са много по-високи от тези на същия суперкомпютър Summit.
Прочетете също:
- Apple Vision Pro е най-революционното устройство след iPhone. Но има нюанс ©
- Преминат към Apple MacBook Air с процесор M2: преглед и моите впечатления
Frontier и новият климатичен модел
Моделирането на климата изисква анализ и обосновка на модела на хилядолетната история на Земята. Разбира се, това е задача, която изисква огромно количество изчислителни ресурси. Колкото по-точно можем да моделираме изменението на климата и да предвидим какво ще се случи в дългосрочен план, толкова по-бързи и по-мощни суперкомпютри са ни необходими.
Марк Тейлър от Sandia National Laboratories, един от изследователите, работещи върху първите в света дългосрочни климатични прогнози, използващи ескалиращи изчисления, веднъж отбеляза: „Уникалната изчислителна архитектура на суперкомпютъра Frontier позволява неща, които не можехме да правим преди.“ Това означава, че изчислителната мощност на тази машина намалява изчислението, което отнемаше години, до няколко дни. В същото време това позволява на изследователите да получат подробни оценки на дългосрочните ефекти от изменението на климата и екстремните климатични условия. „Това е новият златен стандарт за климатично моделиране“, добавя Тейлър.
Какви са предимствата? Просто са огромни. Способността да се предсказват катастрофални промени във времето може да спаси десетки хиляди и може би дори милиони животи. А анализът на вероятното въздействие на затоплянето на климата върху глобалните и регионалните водни цикли ни позволява да се подготвим предварително за бъдещи промени. Съществуват съвременни пространствени модели, но те изискват изключително много изчисления. Доскоро твърде взискателен. Да, те ни позволяват теоретично да предвидим сложното взаимодействие между различните елементи, които изграждат това, което наричаме време или климат, например конвективното движение, което придружава образуването на облаци, но там е необходимо да се обработи огромен поток от информация и прави изчисления с невероятна сложност.
Присъствието на суперкомпютъра Frontier вече промени това. Проектът Energy Exascale Earth System Model (E3SM) преодолява тези препятствия чрез комбиниране на нови софтуерни подходи с масивна производителност в екзаскала. Сарат Шрипати, съавтор на изследването и координатор на проекта E3SM и съавтор на атмосферния модел E3SM, наречен SCREAM, обяснява: “Общността за моделиране на климата отдавна мечтае да управлява километрични модели достатъчно бързо, за да улесни прогнозите за десетилетия, и сега това е реалност.".
С други думи, такъв проект без Frontier просто би се провалил поради липса на обеми за обработка на данни. Заслужава обаче да се отбележи, че не само основната изчислителна мощност е важна, но и оптимизацията на самите модели. Питър Колдуел, климатолог от Националната лаборатория на Лорънс Ливърмор, и неговият екип прекараха последните пет години в изграждането на нов облачен модел от нулата. Той ще работи ефективно върху графични процесори (GPU), които днес са много важен компонент от изчислителната мощ на съвременните суперкомпютри. Тук може да се причисли и един интересен топ автомобил в своя клас.
Представете си. Адаптирането на кода за работа на графични процесори доведе до значително увеличение на производителността. SCREAM може да работи на 8192 Frontier възли, за да симулира глобални облачни образувания, които обикновено отнемат повече от година (1,25 години, за да бъдем точни) в една 24-часова изчислителна сесия. Дългосрочни симулации, обхващащи 30-40 години, могат да бъдат направени в Frontier за няколко седмици. Изследователите отбелязват, че преди е било почти невъзможно да се направят подобни изчисления. Хората, които се интересуват да научат повече за тези проучвания, могат запознайте се с новата научна публикация Марк Тейлър и неговия екип.
Също интересно:
- Как американската армия проследява Дядо Коледа
- Забрана за продажба Apple Гледайте в САЩ: Всички подробности по случая
- Преглед Lenovo Yoga Book 9i: конвертируем лаптоп с два дисплея
Гранични и материални технологии
Един интересен проект, който се възползва от ексамащабния потенциал на суперкомпютъра Frontier, е работата в областта на технологията на материалите. Това е една от най-големите досега изчислителни симулации на сплав, която, благодарение на изчислителната си ефективност, позволи да се постигне точност, достигаща почти квантово ниво. Това изследване, проведено от Викрам Гавини от Мичиганския университет, е иновативно, тъй като използва уравнението на Шрьодингер за моделиране на поведението на различни материали. Огромната изчислителна мощност на Frontier му позволи да симулира система от магнезиева сплав, състояща се от 75 000 атома.
Магнезиевите сплави са много интересен материал. Много е лек и в същото време здрав. Въпреки това, магнезиевите сплави са чувствителни към определени дефекти, главно дислокации (т.е. масивни дефекти в кристалната структура на материала), които драстично променят техните механични свойства. Това превръща един обещаващ материал в парче неизползваем метал, защото лесно се напуква, чуплив е и нестабилен. Учените с помощта на изчислителната мощност на Frontier успяха да коригират някои от тези дефекти в магнезиевите сплави. Но това е само началото на упорита работа.
Също интересно:
Бъдещето на суперкомпютрите?
Конвенционалните компютри не могат да решат предизвикателствата, които ни поставят някои научни и технически проблеми. Суперкомпютрите имат много по-голяма изчислителна мощност, което им позволява да извършват изчисления, които биха били невъзможни или отнемат твърде много време на обикновени компютри. Създавайки суперкомпютри, учените се стремят да разширят границите на нашите знания и способности, както и да разрешават проблеми, които могат да имат огромно реално въздействие върху нашето бъдеще.
Законът на Мур гласи, че мощността на компютрите нараства експоненциално. На всеки две години скоростта на изчисленията се удвоява, инженерите и учените успяват да намерят решения на проблеми, които преди са се смятали за невъзможни.
Един ден суперкомпютрите ще станат нещо обичайно. В края на краищата само преди десет години такива концепции като виртуална реалност, облачни игри и метавселена съществуваха само във въображението на няколко техно експерти и маниаци, а днес това е нашата реалност. Бъдещото поколение дори няма да трябва да получи ИТ образование и да си намери работа в Google, за да се възползва от суперкомпютрите: те тихо и неусетно ще станат част от ежедневието, точно както смартфоните, лаптопите и други неща.
Прочетете също: