Hvad bruges det til? Frontier, verdens mest kraftfulde og hurtigste supercomputer, der opererer på Oak Ridge National Laboratory? Fra reaktormodellering til klimaprognose.
Dette spørgsmål har en bredere sammenhæng. Jeg bliver ofte spurgt, hvorfor vi overhovedet bygger så kraftfulde maskiner, hvis vi hver især kan have en computer? Selvfølgelig er supercomputere meget dyre maskiner, der forbruger en enorm mængde energi, men det, vi får fra dem, er meget mere værdifuldt. I dag vil jeg prøve at forklare det ved at bruge eksemplet med Frontier-supercomputeren.
Også interessant: Historien om OpenAI: Hvad det var, og hvad der ligger forude for virksomheden
Hvorfor har vi brug for supercomputere?
Kort sagt kan supercomputere behandle enorme strømme af information. Vores verden ændrer sig meget hurtigt, menneskeheden har skabt en enorm database, der skal behandles, analyseres, grupperes, gemmes, endelig. Det vil hjælpe os til for eksempel at få ny, billigere og mere effektiv medicin, mere holdbare materialer, forudsige klimaændringer i årtier mv. Supercomputere giver os mulighed for at modellere adfærden af objekter, som vi skal bygge, såsom fusionsreaktorer. Og dette er kun nogle eksempler på anvendelsen af de hurtigste supercomputere. Ja, de er meget dyre at fremstille og vedligeholde, men de er det værd.
Men lad os starte med det grundlæggende. Hvad er en supercomputer overhovedet? Der er endnu ingen klar definition af dette. Et karakteristisk træk ved hver aktuelt fungerende supercomputer er dog meget høj computerkraft. En forenklet definition kan findes på internettet, ifølge hvilken en supercomputer er en maskine, der kan opnå en computerydelse på mindst 1 teraflops, dvs. 1012 (billioner) flydende kommaoperationer pr. sekund. Det er meget sammenlignet med almindelige hjemmecomputere.
Hvis computeres hastighed tidligere blev målt i IPS (instruktioner per sekund), så skulle der opfindes en ny enhed til supercomputere - FLOPS, dvs. flydende kommaoperationer per sekund. Jo højere dette tal er, jo stærkere er computeren.
Selvfølgelig bliver en tilgang baseret på en vis beregningstærskel ret hurtigt forældet, da ydeevnen af de processorer, der er kernen i disse maskiner, konstant udvikler sig og vokser. Med hver udgivelse af nye processorer øges ydeevnen af moderne computere også. Men at bygge dem er meget vanskeligt og økonomisk dyrt.
Læs også: Human Brain Project: Et forsøg på at efterligne den menneskelige hjerne
Hvilke supercomputere er de hurtigste?
Vi har de seneste data om dette spørgsmål. I november 2023 udgav hjemmesiden Top500.org, som regelmæssigt har offentliggjort ydeevnevurderinger af de mest kraftfulde computere på Jorden i mange år, den seneste, 62. udgave af Top500-ranglisten, som præsenterer de 500 mest effektive supercomputere, der eksisterer i øjeblikket .
Frontier-systemet er stadig den mest effektive supercomputer på planeten. Denne supercomputer er verdens første exascale computersystem, det vil sige, dens hastighed oversteg 1 exaflops. Selve Frontier ligger ved National Laboratory, som ligger i Oak Ridge, Tennessee, USA. Denne supercomputer er den nuværende førende med en HPL-score (High Performance LINPACK - en speciel test, der evaluerer supercomputeres rå ydeevne) på 1193 EFlops (en exaflop er en kvintillion eller 1018 flydende kommaberegninger pr. sekund).
Til sammenligning: hastigheden på den mest kraftfulde chip Apple M1 Ultra er omkring 21 teraflops (en trillion FLOPS). Antallet er enormt, det er et faktum. Overraskende nok var der tilbage i 2002 en computer, der udviklede en endnu større hastighed - dette er Earth Simulator supercomputeren fra den japanske teknologigigant NEC Corporation. Dens hastighed var omkring 36 teraflops!
Frontier bruger AMD EPYC 64C 2 GHz-processorer og er baseret på den nyeste HPE Cray EX235a-arkitektur. Den er samlet af 9408 AMD EPYC-processorer og 37632 AMD Instinct MI250x-acceleratorer. I alt har systemet 8 processor- og grafikkerner. Derudover har Frontier en imponerende strømeffektivitet på 699 GFlops/watt og bruger HPE Slingshot 904-netværk til dataoverførsel. Så under testene er den i stand til at producere op til 52,59 exaflops. Peak performance nåede rekord på 11 exaflops. Prisen på enheden er anslået til $1,1 millioner.
Dette er den første og hidtil eneste supercomputer i verden, der fungerer i flop-tilstand. Frontier blev lederen for et år siden, men tillod ikke nogen at gribe ind i dets position i juni 2023-ranglisten. Og indtil videre, i begyndelsen af 2024, er den amerikanske supercomputer den mest produktive i verden.
Men videnskabsmænd foreslår allerede, at han måske efter nogen tid bliver nødt til at indrømme, at en anden amerikansk maskine er overlegen: Aurora-supercomputeren.
Ifølge den seneste rangering ligger den nye Aurora-supercomputer med Intel Sapphire Rapids-chips, der kører på Argonne Leadership Computing Facility i Illinois, USA, på andenpladsen med en HPL-ydelse på 585,34 PFlops. Selvom dette kun er halvdelen af ydeevnen af Frontiers flagskibssupercomputer, er Aurora-systemet endnu ikke færdigt, og kun halvdelen af det planlagte endelige system er i øjeblikket operationelt. Efter færdiggørelsen vil Auroras forventede ydeevne sandsynligvis overstige 2 EFlops. Aurora-supercomputeren, skabt af Intel, er baseret på HPE Cray EX-arkitekturen - Intel Exascale Compute Blade, bruger Intel Xeon CPU Max Series processorer og Intel Data Center GPU Max Series acceleratorer. Ligesom i Frontier er HPE Slinghot-11 netværket ansvarlig for dataoverførsel.
Den tredje mest effektive supercomputer er et nyt skybaseret system kaldet Eagle Microsoft Azure i USA. Dette er en slags teknologisk kuriosum, da Eagle er en cloud-supercomputer, og den tredje placering i Top500-ranglisten er den højeste nogensinde opnået af et cloud-system. Microsoft Eagle kan prale af HPL-ydelse på 561,2 PFlops, computerhjertet er Intel Xeon Platinum 8480C-processorer og acceleratorer NVIDIA H100.
Her er det værd at nævne den japanske supercomputer Fugaku, hvis ydeevne er mere end tre gange mindre end Frontier, og en af de mest produktive supercomputere i fortiden - LUMI. Selvom kineserne stadig bygger noget magtfuldt, ligger det hele i fremtiden.
Også interessant: Teknologiske prognoser for 2024: hvad kan man forvente?
Hvorfor har vi brug for så meget computerkraft?
Du kan beundre effektiviteten af de hurtigste maskiner på Jorden, men den ydeevne, de opnår, handler ikke om at slå rekorder, men om at få de ønskede beregningsresultater på kortest mulig tid. Ingen supercomputerbruger bruger den maskine til at skrive en e-mail eller forberede en præsentation. Det ville være et frygteligt spild at bruge sådanne maskiner til at udføre opgaver, som vi kan udføre på enheder i vores hjem. Når alt kommer til alt, giver supercomputeres beregningspotentiale dig mulighed for at udføre handlinger, der ikke er tilgængelige på almindelige computere.
Hvilke opgaver taler vi om? Først og fremmest om dem, der kan give reel fordel, og det er ikke nødvendigvis dem, der umiddelbart kan konverteres til penge. Det er værd at huske på, at der kun blev brugt omkring 600 millioner amerikanske dollars på oprettelsen af Frontier-supercomputeren. Naturligvis er dets brug og løbende vedligeholdelsesomkostninger også betydelige. Supercomputeren optager et areal på 680 kvadratmeter og forbruger 21 MW elektricitet.
Frontier bruges, ligesom andre supercomputere, blandt andet til opgaver som klimamodellering, forskning og produktion af nye lægemidler, vitale for menneskeheden, forskning i nye materialeteknologier mv. Selvfølgelig er omfanget af opgaver udført af denne type udstyr meget bredere og inkluderer for eksempel analyse af enorme datasæt af forskellige typer: finansielle, medicinske, satellitbilleder, modellering af fysiske fænomener og mange, mange andre. Det faktum, at Frontier er den første exascale supercomputer, gør det muligt for den at udføre opgaver, der ville være vanskelige selv på andre supercomputere.
Et eksempel kan være modelleringen af hele livscyklussen for en termonuklear reaktor. Ja, dette er ikke en fejl. Der er ikke et eneste fusionskraftværk i verden endnu, men Frontiers kraftige exascale computerkraft gør det muligt at simulere adfærden af en hypotetisk fusionsreaktor og forudsige plasmaets adfærd i en sådan reaktor. Indtil termonuklear energi er kommercialiseret, er det selvfølgelig svært at tænke på fordelene, men ingen i verden tvivler på, at den computerkraft, der vil bidrage til skabelsen og udviklingen af termonuklear energi og redde hele menneskeheden fra energimangel, er noget værd. investering.
Læs også: Alt om Microsoft Copilot: fremtiden eller den forkerte vej?
Supercomputere og medicin
En af anvendelserne af supercomputere er komplekse og energikrævende beregninger relateret til strukturen af kemikalier og organiske forbindelser. Den omhyggelige analyse af individuelle stoffers adfærd, som er mulig på grund af evnen til at simulere en given forbindelses adfærd på et meget præcist niveau, er et værktøj, der tillader udvikling af nye, mere effektive lægemidler.
Tilbage i 2020, før lanceringen af Frontier-supercomputeren, var forskere ved Oak Ridge National Laboratory, som dengang havde Summit-supercomputeren (denne maskine var den mest effektive supercomputer i 2018, den er stadig i brug og rangeret 7 med en effektivitet på 148,8 PFlops) brugte det til at udvikle en ny type kræftlægemiddel. Det nye lægemiddel viste sig at være omkring 10% bedre, mere effektivt i behandling end tidligere anvendte midler. 10% er selvfølgelig ikke så meget, men fortæl det til de patienter, der formåede at redde deres liv takket være den "lille" forskel. Menneskeliv er selvfølgelig uvurderligt, men ethvert lægemiddel med højere effekt kan spare enorme ressourcer for sundhedssystemet og reducere behandlingsomkostningerne. Det er her, Frontier kan komme til nytte. Dens kapacitet er meget højere end den samme Summit-supercomputer.
Læs også:
- Apple Vision Pro er den mest revolutionerende enhed siden iPhone. Men der er en nuance ©
- Skifte til Apple MacBook Air med M2-processor: anmeldelse og mine indtryk
Frontier og den nye klimamodel
Klimamodellering kræver analyse og begrundelse af modellen for Jordens tusindårige historie. Det er selvfølgelig en opgave, der kræver en enorm mængde computerressourcer. Jo mere præcist vi kan modellere klimaændringer og forudsige, hvad der vil ske på lang sigt, jo hurtigere og kraftigere supercomputere har vi brug for.
Mark Taylor fra Sandia National Laboratories, en af forskerne, der arbejder på verdens første langsigtede klimaforudsigelser ved hjælp af eskalerende databehandling, bemærkede engang: "Den unikke computerarkitektur i Frontier-supercomputeren muliggør ting, vi ikke kunne gøre før." Det vil sige, at denne maskines regnekraft reducerer en beregning, der plejede at tage år til et par dage. Samtidig giver det forskere mulighed for at få detaljerede skøn over de langsigtede virkninger af klimaændringer og ekstreme vejrforhold. "Dette er den nye guldstandard for klimamodellering," tilføjer Taylor.
Hvad er fordelene? De er simpelthen enorme. Evnen til at forudsige katastrofale vejrændringer kan redde titusinder og måske endda millioner af liv. Og analysen af klimaopvarmningens sandsynlige indvirkning på globale og regionale vandkredsløb giver os mulighed for på forhånd at forberede os på fremtidige ændringer. Moderne rumlige modeller findes, men de er ekstremt beregningskrævende. Indtil for nylig for krævende. Ja, de giver os mulighed for teoretisk at forudsige det komplekse samspil mellem de forskellige elementer, der udgør det, vi kalder vejr eller klima, for eksempel den konvektive bevægelse, der ledsager dannelsen af skyer, men der er det nødvendigt at behandle en enorm informationsstrøm og lav beregninger af utrolig kompleksitet.
Tilstedeværelsen af Frontier-supercomputeren har allerede ændret det. Energy Exascale Earth System Model (E3SM) projektet overvinder disse forhindringer ved at kombinere nye softwaretilgange med massiv exascale ydeevne. Sarath Sripathy, medforfatter af undersøgelsen og koordinator af E3SM-projektet og medforfatter af E3SM-atmosfæremodellen kaldet SCREAM, forklarer: "Klimamodelleringssamfundet har længe drømt om at køre modeller i kilometerskala hurtigt nok til at muliggøre årtier lange forudsigelser, og nu er det en realitet.".
Med andre ord ville et sådant projekt uden Frontier simpelthen mislykkes på grund af manglende databehandlingsmængder. Det er dog værd at bemærke, at ikke kun den grundlæggende regnekraft er vigtig, men også optimeringen af selve modellerne. Peter Caldwell, en klimatolog ved Lawrence Livermore National Laboratory, og hans team har brugt de sidste fem år på at bygge en ny skymodel fra bunden. Det vil fungere effektivt på grafikprocessorer (GPU'er), som i dag er en meget vigtig komponent i moderne supercomputeres computerkraft. En interessant topbil i sin klasse kan også indgå her.
Forestille. Tilpasning af koden til at køre på GPU'er har ført til en betydelig stigning i ydeevnen. SCREAM kan køre på 8192 Frontier-noder for at simulere globale skyformationer, der typisk tog mere end et år (1,25 år for at være præcis) i en enkelt 24-timers computersession. Langsigtede simuleringer, der strækker sig over 30-40 år, kan udføres på Frontier i løbet af få uger. Forskerne bemærker, at det tidligere var næsten umuligt at foretage sådanne beregninger. Folk, der er interesserede i at lære mere om disse undersøgelser, kan stifte bekendtskab med den nye videnskabelige publikation Mark Taylor og hans team.
Også interessant:
- Hvordan den amerikanske hær sporer julemanden
- Forbud mod salg Apple Se i USA: Alle detaljer i sagen
- Anmeldelse Lenovo Yoga Book 9i: en konvertibel bærbar computer med to skærme
Grænse- og materialeteknologier
Et interessant projekt, der drager fordel af Frontier-supercomputerens exascale potentiale, er arbejde inden for materialeteknologi. Dette er en af de største beregningssimuleringer af en legering nogensinde, som takket være dens beregningseffektivitet har gjort det muligt at opnå næsten kvante-niveau nøjagtighed. Denne forskning, udført af Vikram Gavini fra University of Michigan, er innovativ ved, at den bruger Schrödingers ligning til at modellere forskellige materialers opførsel. Frontiers enorme computerkraft tillod den at simulere et magnesiumlegeringssystem bestående af 75 atomer.
Magnesiumlegeringer er et meget interessant materiale. Den er meget let og samtidig stærk. Imidlertid er magnesiumlegeringer følsomme over for visse defekter, hovedsageligt dislokationer (dvs. massive defekter i materialets krystalstruktur), som dramatisk ændrer deres mekaniske egenskaber. Dette forvandler et lovende materiale til et stykke ubrugeligt metal, fordi det let revner, er skørt og ustabilt. Forskere ved hjælp af Frontiers computerkraft formåede at rette nogle af disse defekter i magnesiumlegeringer. Men dette er kun begyndelsen på hårdt arbejde.
Også interessant:
Fremtiden for supercomputere?
Konventionelle computere kan ikke løse de udfordringer, som nogle videnskabelige og tekniske problemer giver os. Supercomputere har meget mere computerkraft, hvilket giver dem mulighed for at udføre beregninger, der ville være umulige eller tage for meget tid på almindelige computere. Ved at skabe supercomputere stræber forskerne efter at udvide grænserne for vores viden og evner, samt løse problemer, der kan have en enorm reel indflydelse på vores fremtid.
Moores lov siger, at computerens kraft øges eksponentielt. Hvert andet år fordobles hastigheden af beregninger, ingeniører og videnskabsmænd formår at finde løsninger på problemer, der tidligere blev anset for umulige.
En dag vil supercomputere blive almindelige. For kun ti år siden eksisterede sådanne begreber som virtual reality, cloud-spil og metaunivers kun i fantasien hos nogle få techno-eksperter og nørder, og i dag er det vores virkelighed. Den fremtidige generation skal ikke engang tage en it-uddannelse og få et job hos Google for at udnytte supercomputere: De vil stille og umærkeligt blive en del af hverdagen ligesom smartphones, bærbare computere og andre ting.
Læs også: