K čemu se používá? Hranice, nejvýkonnější a nejrychlejší superpočítač na světě pracující v Oak Ridge National Laboratory? Od modelování reaktoru po předpověď klimatu.
Tato otázka má širší kontext. Často dostávám otázku, proč vůbec stavíme tak výkonné stroje, když každý z nás může mít počítač? Superpočítače jsou samozřejmě velmi drahé stroje, které spotřebují obrovské množství energie, ale to, co z nich získáme, je mnohem cennější. Dnes se to pokusím vysvětlit na příkladu superpočítače Frontier.
Zajímavé také: Historie OpenAI: Co to bylo a co má společnost před sebou
Proč potřebujeme superpočítače?
Superpočítače zkrátka dokážou zpracovat obrovské proudy informací. Náš svět se velmi rychle mění, lidstvo vytvořilo obrovskou databázi, kterou je třeba nakonec zpracovat, analyzovat, seskupit, uložit. To nám pomůže například získat nové, levnější a účinnější léky, odolnější materiály, předvídat klimatické změny na desítky let atd. Superpočítače nám umožňují modelovat chování objektů, které se chystáme postavit, jako jsou fúzní reaktory. A to jsou jen některé příklady použití nejrychlejších superpočítačů. Ano, jejich výroba a údržba jsou velmi drahé, ale stojí za to.
Ale začněme od základů. Co je to vůbec superpočítač? Jasná definice toho zatím neexistuje. Charakteristickým znakem každého aktuálně provozovaného superpočítače je však velmi vysoký výpočetní výkon. Na internetu lze nalézt zjednodušenou definici, podle níž je superpočítač stroj, který může dosáhnout výpočetního výkonu alespoň 1 teraflops, tj. 1012 (bilionů) operací s pohyblivou řádovou čárkou za sekundu. To je ve srovnání s běžnými domácími počítači hodně.
Jestliže se dříve rychlost počítačů měřila v IPS (instrukcích za sekundu), pak musela být pro superpočítače vynalezena nová jednotka - FLOPS, tedy operace s plovoucí desetinnou čárkou za sekundu. Čím je toto číslo vyšší, tím je počítač výkonnější.
Přístup založený na určitém výpočetním prahu samozřejmě docela rychle zastará, protože výkon procesorů, které jsou jádrem těchto strojů, se neustále vyvíjí a roste. S každým vydáním nových procesorů se zvyšuje i produktivita moderních počítačů. Jejich vybudování je však velmi náročné a finančně nákladné.
Přečtěte si také: Human Brain Project: Pokus o napodobení lidského mozku
Které superpočítače jsou nejrychlejší?
Máme nejnovější údaje o tomto problému. V listopadu 2023 webová stránka Top500.org, která již řadu let pravidelně publikuje hodnocení výkonu nejvýkonnějších počítačů na Zemi, zveřejnila nejnovější, 62. vydání žebříčku Top500, který představuje 500 nejvýkonnějších superpočítačů, které v současnosti existují. .
Systém Frontier je stále nejúčinnějším superpočítačem na planetě. Tento superpočítač je prvním exascale výpočetním systémem na světě, to znamená, že jeho rychlost přesáhla 1 exaflops. Samotný Frontier se nachází v National Laboratory, která se nachází v Oak Ridge, Tennessee, USA. Tento superpočítač je aktuálním lídrem se skóre HPL (High Performance LINPACK – speciální test, který hodnotí hrubý výkon superpočítačů) na úrovni 1193 EFlops (exaflop je kvintilion neboli 1018 výpočty s plovoucí desetinnou čárkou za sekundu).
Pro srovnání: rychlost nejvýkonnějšího čipu Apple M1 Ultra je asi 21 teraflopů (jeden bilion FLOPS). Číslo je obrovské, to je fakt. Překvapivě už v roce 2002 existoval počítač, který vyvinul ještě větší rychlost – to je superpočítač Earth Simulator japonského technologického giganta NEC Corporation. Jeho rychlost byla asi 36 teraflopů!
Frontier využívá procesory AMD EPYC 64C 2 GHz a je založen na nejnovější architektuře HPE Cray EX235a. Je sestaven z 9408 procesorů AMD EPYC a 37632 akcelerátorů AMD Instinct MI250x. Celkem má systém 8 699 904 procesorových a grafických jader. Kromě toho má Frontier působivou energetickou účinnost 52,59 GFlops/watt a pro přenos dat využívá síť HPE Slingshot 11. Během testů je tedy schopen vyprodukovat až 1,1 exaflopu. Špičkový výkon dosáhl rekordních 1,686 600 exaflopů. Náklady na zařízení se odhadují na XNUMX milionů dolarů.
Jedná se o první a zatím jediný superpočítač na světě, který pracuje v režimu flops. Frontier se stal lídrem před rokem, ale nedovolil nikomu ani zasáhnout do jeho pozice v žebříčku z června 2023. A zatím, na začátku roku 2024, je americký superpočítač nejproduktivnější na světě.
Vědci už ale naznačují, že možná po nějaké době bude muset přiznat převahu jiného amerického stroje: superpočítače Aurora.
Podle posledního žebříčku je nový superpočítač Aurora s čipy Intel Sapphire Rapids, který běží v Argonne Leadership Computing Facility v Illinois, USA, na druhém místě s výkonem HPL 585,34 PFlops. Přestože je to jen poloviční výkon vlajkového superpočítače Frontier, systém Aurora ještě není kompletní a v současné době je funkční pouze polovina plánovaného finálního systému. Po dokončení předpokládaný výkon Aurory pravděpodobně překročí 2 EFlops. Superpočítač Aurora, vytvořený společností Intel, je založen na architektuře HPE Cray EX - Intel Exascale Compute Blade, používá procesory Intel Xeon CPU Max Series a akcelerátory Intel Data Center GPU Max Series. Stejně jako ve Frontieru je za přenos dat zodpovědná síť HPE Slinghot-11.
Třetím nejúčinnějším superpočítačem je nový cloudový systém s názvem Eagle Microsoft Azure v USA. To je něco jako technologická kuriozita, protože Eagle je cloudový superpočítač a třetí místo v žebříčku Top500 je nejvyšší, jaké kdy cloudový systém dosáhl. Microsoft Eagle se může pochlubit výkonem HPL 561,2 PFlops, výpočetním srdcem jsou procesory Intel Xeon Platinum 8480C a akcelerátory NVIDIA H100.
Zde stojí za zmínku japonský superpočítač Fugaku, jehož výkon je více než třikrát nižší než Frontier, a jeden z nejproduktivnějších superpočítačů minulosti – LUMI. Přestože Číňané stále něco mocného budují, je to všechno v budoucnosti.
Zajímavé také: Technologické předpovědi pro rok 2024: co očekávat?
Proč potřebujeme tolik výpočetního výkonu?
Můžete obdivovat efektivitu nejrychlejších strojů na Zemi, ale výkon, který dosahují, není o překonávání rekordů, ale o získání požadovaných výsledků výpočtů v co nejkratším čase. Žádný uživatel superpočítače nepoužívá tento stroj k psaní e-mailu nebo přípravě prezentace. Bylo by hrozným plýtváním používat takové stroje k provádění úkolů, které můžeme provádět na zařízeních v našich domácnostech. Výpočetní potenciál superpočítačů totiž umožňuje provádět akce, které na běžných počítačích nejsou.
O jakých úkolech mluvíme? Především o těch, které mohou přinést skutečný užitek, a nemusí jít nutně o ty, které lze okamžitě přeměnit na peníze. Stojí za připomenutí, že na vytvoření superpočítače Frontier bylo vynaloženo jen asi 600 milionů amerických dolarů. Nezanedbatelné je samozřejmě i jeho používání a náklady na průběžnou údržbu. Superpočítač zabírá plochu 680 metrů čtverečních a spotřebuje 21 MW elektřiny.
Frontier, stejně jako ostatní superpočítače, se používá mimo jiné pro takové úkoly, jako je modelování klimatu, výzkum a výroba nových léků životně důležitých pro lidstvo, výzkum nových materiálových technologií atd. Rozsah úkolů tohoto typu zařízení je samozřejmě mnohem širší a zahrnuje například analýzu obrovských datových souborů různého typu: finanční, lékařské, satelitní snímky, modelování fyzikálních jevů a mnoho a mnoho dalších. Skutečnost, že Frontier je prvním exascale superpočítačem, mu umožňuje provádět úkoly, které by byly obtížné i na jiných superpočítačích.
Příkladem může být modelování celého životního cyklu termojaderného reaktoru. Ano, toto není chyba. Na světě zatím není jediná fúzní elektrárna, ale výkonný exascale výpočetní výkon Frontieru umožňuje simulovat chování hypotetického fúzního reaktoru a předpovídat chování plazmatu v takovém reaktoru. Samozřejmě, dokud nebude termojaderná energetika komercializována, je těžké přemýšlet o výhodách, ale nikdo na světě nepochybuje o tom, že výpočetní výkon, který přispěje k vytvoření a rozvoji termonukleární energie a zachrání celé lidstvo před nedostatkem energie, stojí za to. investice.
Přečtěte si také: Všechno o Microsoft Kopilot: budoucnost nebo špatná cesta?
Superpočítače a medicína
Jednou z aplikací superpočítačů jsou složité a energeticky náročné výpočty týkající se struktury chemikálií a organických sloučenin. Pečlivá analýza chování jednotlivých látek, která je možná díky schopnosti simulovat chování dané sloučeniny na velmi přesné úrovni, je nástrojem, který umožňuje vývoj nových, účinnějších léků.
V roce 2020, před spuštěním superpočítače Frontier, vědci z Národní laboratoře Oak Ridge, která tehdy disponovala superpočítačem Summit (tento stroj byl nejúčinnějším superpočítačem v roce 2018, stále se používá, a umístil se na 7. místě s účinností 148,8 PFlops) ji použil k vývoji nového typu léku na rakovinu. Nový lék se ukázal být asi o 10 % lepší, v léčbě účinnější než dříve používané prostředky. 10% samozřejmě není tolik, ale to řekněte pacientům, kterým se díky tomu "malému" rozdílu podařilo zachránit život. Lidský život je samozřejmě k nezaplacení, ale každý lék s vyšší účinností může ušetřit obrovské prostředky pro systém zdravotní péče a snížit náklady na léčbu. Tady se může Frontier hodit. Jeho schopnosti jsou mnohem vyšší než u stejného superpočítače Summit.
Přečtěte si také:
- Apple Vision Pro je nejrevolučnější zařízení od dob iPhonu. Ale je tu nuance ©
- Přepnout na Apple MacBook Air s procesorem M2: recenze a moje dojmy
Frontier a nový klimatický model
Modelování klimatu vyžaduje analýzu a zdůvodnění modelu tisícileté historie Země. Samozřejmě se jedná o úkol, který vyžaduje obrovské množství výpočetních zdrojů. Čím přesněji dokážeme modelovat změnu klimatu a předvídat, co se stane v dlouhodobém horizontu, tím rychlejší a výkonnější superpočítače potřebujeme.
Mark Taylor ze Sandia National Laboratories, jeden z výzkumníků pracujících na prvních dlouhodobých klimatických předpovědích na světě pomocí eskalujících výpočtů, jednou poznamenal: "Unikátní výpočetní architektura superpočítače Frontier umožňuje věci, které jsme dříve dělat nemohli." To znamená, že výpočetní výkon tohoto stroje snižuje výpočet, který dříve trval roky na několik dní. Zároveň umožňuje výzkumníkům získat podrobné odhady dlouhodobých dopadů klimatických změn a extrémních povětrnostních podmínek. "Toto je nový zlatý standard pro modelování klimatu," dodává Taylor.
Jaké jsou výhody? Jsou prostě obrovské. Schopnost předvídat katastrofické změny počasí může zachránit desítky tisíc a možná i miliony životů. A analýza pravděpodobného dopadu oteplování klimatu na globální a regionální vodní cykly nám umožňuje připravit se předem na budoucí změny. Moderní prostorové modely existují, ale jsou extrémně výpočetně náročné. Donedávna příliš náročné. Ano, umožňují nám teoreticky předpovídat složitou interakci mezi různými prvky, které tvoří to, čemu říkáme počasí nebo klima, například konvektivní pohyb doprovázející tvorbu mraků, ale tam je potřeba zpracovat obrovský tok informací. a provádět výpočty neuvěřitelně složité.
Přítomnost superpočítače Frontier to již změnila. Projekt Energy Exascale Earth System Model (E3SM) překonává tyto překážky tím, že kombinuje nové softwarové přístupy s masivním výkonem exascale. Sarath Sripathy, spoluautorka studie a koordinátorka projektu E3SM a spoluautorka modelu atmosféry E3SM s názvem SCREAM, vysvětluje: “Komunita modelování klimatu dlouho snila o tom, že bude provozovat modely v měřítku kilometrů dostatečně rychle, aby umožnily předpovědi trvající desítky let, a nyní je to realita.".
Jinými slovy, takový projekt bez Frontier by jednoduše selhal kvůli nedostatku objemů zpracování dat. Sluší se však podotknout, že důležitý není jen základní výpočetní výkon, ale také optimalizace samotných modelů. Peter Caldwell, klimatolog z Lawrence Livermore National Laboratory, a jeho tým strávili posledních pět let budováním nového modelu cloudu od nuly. Bude efektivně fungovat na grafických procesorech (GPU), které jsou dnes velmi důležitou součástí výpočetního výkonu moderních superpočítačů. Sem lze zařadit i zajímavý špičkový vůz ve své třídě.
Představ si. Přizpůsobení kódu pro běh na GPU vedlo k výraznému zvýšení výkonu. SCREAM může běžet na 8192 1,25 Frontier uzlech a simulovat tak globální cloudové formace, které obvykle trvaly déle než rok (přesněji 24 roku) během jediné 30hodinové počítačové relace. Dlouhodobé simulace v rozsahu 40–XNUMX let lze ve Frontieru provést během několika týdnů. Vědci poznamenávají, že dříve bylo téměř nemožné provést takové výpočty. Lidé, kteří mají zájem dozvědět se více o těchto studiích, mohou seznámit se s novou vědeckou publikací Mark Taylor a jeho tým.
Zajímavé také:
- Jak americká armáda sleduje Santa Clause
- Zákaz prodeje Apple Sledujte v USA: Všechny detaily případu
- Posouzení Lenovo Yoga Book 9i: konvertibilní notebook se dvěma displeji
Hraniční a materiálové technologie
Jedním ze zajímavých projektů, který využívá exascale potenciál superpočítače Frontier, je práce v oblasti technologie materiálů. Jedná se o jednu z dosud největších výpočetních simulací slitiny, která díky své výpočetní účinnosti umožnila dosáhnout přesnosti na téměř kvantové úrovni. Tento výzkum, který provedl Vikram Gavini z University of Michigan, je inovativní v tom, že využívá Schrödingerovu rovnici k modelování chování různých materiálů. Masivní výpočetní výkon Frontieru umožnil simulovat systém slitiny hořčíku sestávající ze 75 000 atomů.
Slitiny hořčíku jsou velmi zajímavým materiálem. Je velmi lehký a zároveň pevný. Slitiny hořčíku jsou však citlivé na určité defekty, především dislokace (tj. masivní defekty v krystalové struktuře materiálu), které dramaticky mění jejich mechanické vlastnosti. Tím se ze slibného materiálu stane kus nepoužitelného kovu, protože snadno praská, je křehký a nestabilní. Vědcům se s pomocí výpočetního výkonu Frontier podařilo některé z těchto defektů u hořčíkových slitin napravit. Ale to je jen začátek tvrdé práce.
Zajímavé také:
Budoucnost superpočítačů?
Konvenční počítače nedokážou vyřešit výzvy, které před nás staví některé vědecké a technické problémy. Superpočítače mají mnohem větší výpočetní výkon, což jim umožňuje provádět výpočty, které by na běžných počítačích byly nemožné nebo by zabraly příliš mnoho času. Vytvářením superpočítačů se vědci snaží rozšířit hranice našich znalostí a schopností a také řešit problémy, které mohou mít obrovský reálný dopad na naši budoucnost.
Moorův zákon říká, že výkon počítačů roste exponenciálně. Každé dva roky se rychlost výpočtů zdvojnásobí, inženýrům a vědcům se podaří najít řešení problémů, které byly dříve považovány za nemožné.
Jednoho dne se superpočítače stanou samozřejmostí. Vždyť ještě před deseti lety takové pojmy jako virtuální realita, cloudové hry a metavesmír existovaly jen v představách pár techno expertů a geeků a dnes je to naše realita. Budoucí generace nebude muset získat ani IT vzdělání a práci ve společnosti Google, aby mohla využívat superpočítače: tiše a nepostřehnutelně se stanou součástí každodenního života, stejně jako chytré telefony, notebooky a další věci.
Přečtěte si také: