Was wird es verwendet? Grenze, dem leistungsstärksten und schnellsten Supercomputer der Welt, der im Oak Ridge National Laboratory betrieben wird? Von der Reaktormodellierung bis zur Klimavorhersage.
Diese Frage hat einen größeren Kontext. Ich werde oft gefragt, warum wir überhaupt so leistungsstarke Maschinen bauen, wenn jeder von uns einen Computer haben kann? Natürlich sind Supercomputer sehr teure Maschinen, die viel Energie verbrauchen, aber was wir von ihnen bekommen, ist viel wertvoller. Heute werde ich versuchen, es am Beispiel des Frontier-Supercomputers zu erklären.
Auch interessant: Geschichte von OpenAI: Was es war und was dem Unternehmen bevorsteht
Warum brauchen wir Supercomputer?
Kurz gesagt: Supercomputer können riesige Informationsströme verarbeiten. Unsere Welt verändert sich sehr schnell, die Menschheit hat eine riesige Datenbank erstellt, die verarbeitet, analysiert, gruppiert und schließlich gespeichert werden muss. Dies wird uns beispielsweise dabei helfen, neue, günstigere und wirksamere Medikamente und langlebigere Materialien zu erhalten, Klimaveränderungen für Jahrzehnte vorherzusagen usw. Supercomputer ermöglichen es uns, das Verhalten von Objekten zu modellieren, die wir bauen werden, beispielsweise Fusionsreaktoren. Und das sind nur einige Beispiele für den Einsatz der schnellsten Supercomputer. Ja, ihre Herstellung und Wartung ist sehr teuer, aber sie sind es wert.
Aber fangen wir mit den Grundlagen an. Was ist überhaupt ein Supercomputer? Eine klare Definition hierfür gibt es noch nicht. Charakteristisch für jeden derzeit betriebenen Supercomputer ist jedoch seine sehr hohe Rechenleistung. Eine vereinfachte Definition findet sich im Internet, wonach ein Supercomputer eine Maschine ist, die eine Rechenleistung von mindestens 1 Teraflops erreichen kann, d.h. 1012 (Billionen) Gleitkommaoperationen pro Sekunde. Das ist viel im Vergleich zu gewöhnlichen Heimcomputern.
Wurde früher die Geschwindigkeit von Computern in IPS (Anweisungen pro Sekunde) gemessen, musste für Supercomputer eine neue Einheit erfunden werden – FLOPS, also Gleitkommaoperationen pro Sekunde. Je höher diese Zahl, desto leistungsfähiger ist der Computer.
Natürlich wird ein Ansatz, der auf einer bestimmten Rechenschwelle basiert, ziemlich schnell obsolet, da sich die Leistung der Prozessoren, die den Kern dieser Maschinen bilden, ständig weiterentwickelt und wächst. Mit jeder Veröffentlichung neuer Prozessoren steigt auch die Produktivität moderner Computer. Der Bau ist jedoch sehr schwierig und finanziell kostspielig.
Lesen Sie auch: Human Brain Project: Ein Versuch, das menschliche Gehirn nachzuahmen
Welche Supercomputer sind die schnellsten?
Wir verfügen über die neuesten Daten zu diesem Thema. Im November 2023 veröffentlichte die Website Top500.org, die seit vielen Jahren regelmäßig Leistungsbewertungen der leistungsstärksten Computer der Erde veröffentlicht, die neueste, 62. Ausgabe des Top500-Rankings, das die 500 derzeit effizientesten Supercomputer vorstellt .
Das Frontier-System ist immer noch der effizienteste Supercomputer der Welt. Dieser Supercomputer ist das weltweit erste Exascale-Rechensystem, das heißt, seine Geschwindigkeit übersteigt 1 Exaflops. Frontier selbst befindet sich im National Laboratory in Oak Ridge, Tennessee, USA. Dieser Supercomputer ist derzeit Spitzenreiter mit einem HPL-Score (High Performance LINPACK – ein spezieller Test, der die Rohleistung von Supercomputern bewertet) von 1193 EFlops (ein Exaflop ist eine Trillion oder 10).18 Gleitkommaberechnungen pro Sekunde).
Zum Vergleich: die Geschwindigkeit des leistungsstärksten Chips Apple Der M1 Ultra kommt auf etwa 21 Teraflops (eine Billion FLOPS). Die Zahl ist riesig, das ist eine Tatsache. Überraschenderweise gab es bereits im Jahr 2002 einen Computer, der eine noch höhere Geschwindigkeit entwickelte – das ist der Supercomputer Earth Simulator des japanischen Technologieriesen NEC Corporation. Seine Geschwindigkeit betrug etwa 36 Teraflops!
Der Frontier nutzt AMD EPYC 64C 2GHz-Prozessoren und basiert auf der neuesten HPE Cray EX235a-Architektur. Es besteht aus 9408 AMD EPYC-Prozessoren und 37632 AMD Instinct MI250x-Beschleunigern. Insgesamt verfügt das System über 8 Prozessor- und Grafikkerne. Darüber hinaus verfügt der Frontier über eine beeindruckende Energieeffizienz von 699 GFlops/Watt und nutzt das HPE Slingshot 904 Netzwerk für die Datenübertragung. Während der Tests sind also bis zu 52,59 Exaflops möglich. Die Spitzenleistung erreichte einen Rekordwert von 11 Exaflops. Die Kosten für das Gerät werden auf 1,1 Millionen US-Dollar geschätzt.
Dies ist der erste und bisher einzige Supercomputer der Welt, der im Flops-Modus arbeitet. Frontier wurde vor einem Jahr zum Spitzenreiter, erlaubte aber niemandem, auch nur an seine Position in der Rangliste vom Juni 2023 heranzukommen. Und bislang, Anfang 2024, ist der amerikanische Supercomputer der produktivste der Welt.
Aber Wissenschaftler deuten bereits darauf hin, dass er vielleicht nach einiger Zeit die Überlegenheit einer anderen amerikanischen Maschine anerkennen muss: des Aurora-Supercomputers.
Laut der neuesten Rangliste belegt der neue Aurora-Supercomputer mit Intel Sapphire Rapids-Chips, der in der Argonne Leadership Computing Facility in Illinois, USA, läuft, mit einer HPL-Leistung von 585,34 PFlops den zweiten Platz. Obwohl dies nur die Hälfte der Leistung des Flaggschiff-Supercomputers von Frontier ist, ist das Aurora-System noch nicht fertig und nur die Hälfte des geplanten endgültigen Systems ist derzeit betriebsbereit. Nach der Fertigstellung dürfte die prognostizierte Leistung von Aurora 2 EFlops überschreiten. Der von Intel entwickelte Supercomputer Aurora basiert auf der HPE Cray EX-Architektur – Intel Exascale Compute Blade, verwendet Prozessoren der Intel Xeon CPU Max-Serie und Beschleuniger der Intel Data Center GPU Max-Serie. Für die Datenübertragung ist wie bei Frontier das HPE Slinghot-11-Netzwerk zuständig.
Der dritteffizienteste Supercomputer ist ein neues cloudbasiertes System namens Eagle Microsoft Azure in den USA. Dies ist in gewisser Weise eine technologische Kuriosität, da Eagle ein Cloud-Supercomputer ist und der dritte Platz im Top500-Ranking der höchste ist, den jemals ein Cloud-System erreicht hat. Microsoft Eagle verfügt über eine HPL-Leistung von 561,2 PFlops, das Rechenherz bilden Intel Xeon Platinum 8480C-Prozessoren und Beschleuniger NVIDIA H100.
Erwähnenswert sind hier der japanische Supercomputer Fugaku, dessen Leistung mehr als dreimal geringer ist als die von Frontier, und einer der produktivsten Supercomputer der Vergangenheit – LUMI. Obwohl die Chinesen immer noch etwas Mächtiges bauen, liegt alles in der Zukunft.
Auch interessant: Technologische Prognosen für 2024: Was ist zu erwarten?
Warum brauchen wir so viel Rechenleistung?
Sie mögen die Effizienz der schnellsten Maschinen der Erde bewundern, aber bei der Leistung, die sie erreichen, geht es nicht darum, Rekorde zu brechen, sondern darum, die gewünschten Berechnungsergebnisse in kürzester Zeit zu erhalten. Kein Supercomputer-Benutzer verwendet diese Maschine, um eine E-Mail zu schreiben oder eine Präsentation vorzubereiten. Es wäre eine schreckliche Verschwendung, solche Maschinen für Aufgaben zu verwenden, die wir auf Geräten in unseren Häusern ausführen können. Schließlich ermöglicht Ihnen das Rechenpotenzial von Supercomputern die Ausführung von Aktionen, die auf normalen Computern nicht möglich sind.
Über welche Aufgaben sprechen wir? Zunächst einmal zu denen, die echten Nutzen bringen können, und das sind nicht unbedingt diejenigen, die sich sofort in Geld umwandeln lassen. Es sei daran erinnert, dass für die Entwicklung des Frontier-Supercomputers nur etwa 600 Millionen US-Dollar ausgegeben wurden. Natürlich sind auch die Nutzungs- und laufenden Wartungskosten von Bedeutung. Der Supercomputer nimmt eine Fläche von 680 Quadratmetern ein und verbraucht 21 MW Strom.
Frontier wird wie andere Supercomputer unter anderem für Aufgaben wie Klimamodellierung, Forschung und Produktion neuer, für die Menschheit lebenswichtiger Medikamente, Erforschung neuer Materialtechnologien usw. eingesetzt. Natürlich ist der Aufgabenbereich dieser Art von Geräten viel umfassender und umfasst beispielsweise die Analyse riesiger Datensätze unterschiedlicher Art: Finanzdaten, medizinische Daten, Satellitenbilder, Modellierung physikalischer Phänomene und viele, viele andere. Die Tatsache, dass Frontier der erste Exascale-Supercomputer ist, ermöglicht es ihm, Aufgaben auszuführen, die selbst auf anderen Supercomputern schwierig wären.
Ein Beispiel kann die Modellierung des gesamten Lebenszyklus eines thermonuklearen Reaktors sein. Ja, das ist kein Fehler. Weltweit gibt es noch kein einziges Fusionskraftwerk, aber die leistungsstarke Exascale-Rechenleistung von Frontier ermöglicht es, das Verhalten eines hypothetischen Fusionsreaktors zu simulieren und das Verhalten des Plasmas in einem solchen Reaktor vorherzusagen. Natürlich ist es bis zur Kommerzialisierung der thermonuklearen Energie schwierig, über die Vorteile nachzudenken, aber niemand auf der Welt zweifelt daran, dass die Rechenleistung, die zur Schaffung und Entwicklung der thermonuklearen Energie beitragen und die gesamte Menschheit vor Energieknappheit bewahren wird, überhaupt etwas wert ist Investition.
Lesen Sie auch: Alles über Microsoft Copilot: die Zukunft oder der falsche Weg?
Supercomputer und Medizin
Eine der Anwendungen von Supercomputern sind komplexe und energieintensive Berechnungen zur Struktur von Chemikalien und organischen Verbindungen. Die sorgfältige Analyse des Verhaltens einzelner Substanzen, die durch die Fähigkeit möglich ist, das Verhalten einer bestimmten Verbindung auf einem sehr präzisen Niveau zu simulieren, ist ein Werkzeug, das die Entwicklung neuer, wirksamerer Medikamente ermöglicht.
Bereits im Jahr 2020, vor der Einführung des Frontier-Supercomputers, haben Wissenschaftler des Oak Ridge National Laboratory, das damals über den Summit-Supercomputer verfügte (diese Maschine war 2018 der effizienteste Supercomputer, sie ist immer noch im Einsatz und belegte mit einer Effizienz von auf Platz 7). 148,8 PFlops) hat damit ein neuartiges Krebsmedikament entwickelt. Das neue Medikament erwies sich als etwa 10 % besser und wirksamer in der Behandlung als bisher eingesetzte Mittel. Natürlich sind 10 % nicht so viel, aber sagen Sie das den Patienten, die dank dieses „kleinen“ Unterschieds ihr Leben retten konnten. Natürlich ist das menschliche Leben unbezahlbar, aber jedes Medikament mit höherer Wirksamkeit kann enorme Ressourcen für das Gesundheitssystem einsparen und die Behandlungskosten senken. Hier kann Frontier nützlich sein. Seine Fähigkeiten sind viel höher als die des gleichen Summit-Supercomputers.
Lesen Sie auch:
- Apple Vision Pro ist das revolutionärste Gerät seit dem iPhone. Aber es gibt eine Nuance ©
- Wechseln zu Apple MacBook Air mit M2-Prozessor: Testbericht und meine Eindrücke
Frontier und das neue Klimamodell
Die Klimamodellierung erfordert eine Analyse und Begründung des Modells der tausendjährigen Erdgeschichte. Natürlich ist dies eine Aufgabe, die eine enorme Menge an Rechenressourcen erfordert. Je genauer wir den Klimawandel modellieren und vorhersagen können, was langfristig passieren wird, desto schnellere und leistungsfähigere Supercomputer brauchen wir.
Mark Taylor von den Sandia National Laboratories, einer der Forscher, die an den weltweit ersten langfristigen Klimavorhersagen mithilfe von Escalating Computing arbeiteten, bemerkte einmal: „Die einzigartige Computerarchitektur des Frontier-Supercomputers ermöglicht Dinge, die wir vorher nicht tun konnten.“ Das heißt, die Rechenleistung dieser Maschine reduziert eine Berechnung, die früher Jahre dauerte, auf wenige Tage. Gleichzeitig ermöglicht es den Forschern, detaillierte Schätzungen über die langfristigen Auswirkungen des Klimawandels und extremer Wetterbedingungen zu erhalten. „Das ist der neue Goldstandard für die Klimamodellierung“, fügt Taylor hinzu.
Was sind die Vorteile? Sie sind einfach riesig. Die Fähigkeit, katastrophale Wetterveränderungen vorherzusagen, kann Zehntausende, vielleicht sogar Millionen Leben retten. Und die Analyse der wahrscheinlichen Auswirkungen der Klimaerwärmung auf globale und regionale Wasserkreisläufe ermöglicht es uns, uns im Voraus auf zukünftige Veränderungen vorzubereiten. Es gibt moderne räumliche Modelle, die jedoch äußerst rechenintensiv sind. Bis vor Kurzem zu anspruchsvoll. Ja, sie ermöglichen es uns, theoretisch die komplexe Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Elementen vorherzusagen, aus denen sich das zusammensetzt, was wir Wetter oder Klima nennen, zum Beispiel die Konvektionsbewegung, die mit der Wolkenbildung einhergeht, aber dabei ist es notwendig, einen riesigen Informationsfluss zu verarbeiten und Berechnungen von unglaublicher Komplexität durchführen.
Die Präsenz des Frontier-Supercomputers hat das bereits geändert. Das Energy Exascale Earth System Model (E3SM)-Projekt überwindet diese Hindernisse, indem es neue Softwareansätze mit enormer Exascale-Leistung kombiniert. Sarath Sripathy, Co-Autor der Studie und Koordinator des E3SM-Projekts und Co-Autor des E3SM-Atmosphärenmodells namens SCREAM, erklärt: „Die Gemeinschaft der Klimamodellierer hat lange davon geträumt, Modelle im Kilometermaßstab schnell genug laufen zu lassen, um jahrzehntelange Vorhersagen zu ermöglichen, und jetzt ist dies Realität.“.
Mit anderen Worten: Ein solches Projekt ohne Frontier würde schlichtweg an fehlenden Datenverarbeitungsvolumina scheitern. Es ist jedoch erwähnenswert, dass nicht nur die grundlegende Rechenleistung wichtig ist, sondern auch die Optimierung der Modelle selbst. Peter Caldwell, Klimatologe am Lawrence Livermore National Laboratory, und sein Team haben die letzten fünf Jahre damit verbracht, ein neues Wolkenmodell von Grund auf zu entwickeln. Es wird effizient auf Grafikprozessoren (GPUs) arbeiten, die heute ein sehr wichtiger Bestandteil der Rechenleistung moderner Supercomputer sind. Auch ein interessantes Spitzenauto seiner Klasse darf hier vertreten sein.
Vorstellen. Die Anpassung des Codes für die Ausführung auf GPUs hat zu einer deutlichen Leistungssteigerung geführt. SCREAM kann auf 8192 Frontier-Knoten ausgeführt werden, um in einer einzigen 1,25-Stunden-Rechensitzung globale Wolkenformationen zu simulieren, die normalerweise mehr als ein Jahr (genauer gesagt 24 Jahre) dauerten. Langzeitsimulationen über einen Zeitraum von 30 bis 40 Jahren können bei Frontier innerhalb weniger Wochen durchgeführt werden. Die Forscher weisen darauf hin, dass solche Berechnungen bisher kaum möglich waren. Personen, die daran interessiert sind, mehr über diese Studien zu erfahren, können dies tun Machen Sie sich mit der neuen wissenschaftlichen Publikation vertraut Mark Taylor und sein Team.
Auch interessant:
- Wie die US-Armee den Weihnachtsmann verfolgt
- Verkaufsverbot Apple In den USA ansehen: Alle Details zum Fall
- Überprüfung Lenovo Yoga Book 9i: ein Convertible-Laptop mit zwei Displays
Grenz- und Materialtechnologien
Ein interessantes Projekt, das das Exascale-Potenzial des Frontier-Supercomputers nutzt, sind Arbeiten im Bereich der Materialtechnologie. Dabei handelt es sich um eine der umfangreichsten rechnerischen Simulationen einer Legierung überhaupt, die es dank ihrer Recheneffizienz ermöglicht hat, eine Genauigkeit nahezu auf Quantenebene zu erreichen. Diese von Vikram Gavini von der University of Michigan durchgeführte Forschung ist insofern innovativ, als sie die Schrödinger-Gleichung verwendet, um das Verhalten verschiedener Materialien zu modellieren. Dank der enormen Rechenleistung von Frontier konnte ein Magnesiumlegierungssystem bestehend aus 75 Atomen simuliert werden.
Magnesiumlegierungen sind ein sehr interessantes Material. Es ist sehr leicht und gleichzeitig stark. Allerdings sind Magnesiumlegierungen empfindlich gegenüber bestimmten Defekten, hauptsächlich Versetzungen (d. h. massiven Defekten in der Kristallstruktur des Materials), die ihre mechanischen Eigenschaften dramatisch verändern. Dadurch wird aus einem vielversprechenden Material ein Stück unbrauchbares Metall, denn es bricht leicht, ist spröde und instabil. Mithilfe der Rechenleistung von Frontier gelang es Wissenschaftlern, einige dieser Mängel in Magnesiumlegierungen zu beheben. Aber das ist erst der Anfang harter Arbeit.
Auch interessant:
Die Zukunft der Supercomputer?
Herkömmliche Computer können die Herausforderungen, die uns einige wissenschaftliche und technische Probleme stellen, nicht lösen. Supercomputer verfügen über viel mehr Rechenleistung und können damit Berechnungen durchführen, die auf normalen Computern unmöglich wären oder zu viel Zeit in Anspruch nehmen würden. Durch die Entwicklung von Supercomputern streben Wissenschaftler danach, die Grenzen unseres Wissens und unserer Fähigkeiten zu erweitern und Probleme zu lösen, die einen großen Einfluss auf unsere Zukunft haben können.
Das Mooresche Gesetz besagt, dass die Leistung von Computern exponentiell zunimmt. Alle zwei Jahre verdoppelt sich die Geschwindigkeit der Berechnungen, Ingenieure und Wissenschaftler schaffen es, Lösungen für Probleme zu finden, die zuvor als unmöglich galten.
Eines Tages werden Supercomputer alltäglich sein. Denn noch vor zehn Jahren existierten Konzepte wie Virtual Reality, Cloud Games und Metauniversum nur in der Fantasie einiger weniger Techno-Experten und Geeks, und heute ist es unsere Realität. Die zukünftige Generation muss nicht einmal eine IT-Ausbildung absolvieren und einen Job bei Google annehmen, um die Vorteile von Supercomputern nutzen zu können: Sie werden still und unmerklich zu einem Teil des Alltags werden, genau wie Smartphones, Laptops und andere Dinge.
Lesen Sie auch: