تمام اسرار ابرکامپیوتر Frontier

آن برای چه کاری استفاده می شود؟ مرز، قوی ترین و سریع ترین ابررایانه جهان که در آزمایشگاه ملی اوک ریج کار می کند؟ از مدل سازی راکتور تا پیش بینی آب و هوا.

این سوال زمینه وسیع تری دارد. اغلب از من می پرسند که چرا ما اصلاً چنین ماشین های قدرتمندی می سازیم، اگر هر یک از ما می توانیم یک رایانه داشته باشیم؟ البته ابررایانه ها ماشین های بسیار گران قیمتی هستند که انرژی زیادی مصرف می کنند، اما آنچه از آنها به دست می آوریم بسیار ارزشمندتر است. امروز سعی خواهم کرد آن را با استفاده از مثال ابررایانه Frontier توضیح دهم.

همچنین جالب: تاریخچه OpenAI: چه چیزی بود و چه چیزی در انتظار شرکت است

چرا ما به ابر رایانه ها نیاز داریم؟

به طور خلاصه، ابر رایانه ها می توانند جریان های عظیمی از اطلاعات را پردازش کنند. دنیای ما به سرعت در حال تغییر است، بشریت یک پایگاه داده عظیم ایجاد کرده است که باید پردازش، تجزیه و تحلیل، گروه بندی، ذخیره و در نهایت انجام شود. این به ما کمک می‌کند، برای مثال، داروهای جدید، ارزان‌تر و مؤثرتر، مواد بادوام‌تر، پیش‌بینی تغییرات آب و هوایی برای دهه‌ها و غیره را به دست آوریم. ابررایانه ها به ما اجازه می دهند تا رفتار اجسامی را که می خواهیم بسازیم، مانند راکتورهای همجوشی، مدل سازی کنیم. و اینها تنها نمونه هایی از کاربرد سریعترین ابر رایانه ها هستند. بله، ساخت و نگهداری آنها بسیار گران است، اما ارزش آن را دارند.

اما بیایید با اصول اولیه شروع کنیم. به هر حال ابر کامپیوتر چیست؟ هنوز تعریف روشنی از این موضوع وجود ندارد. با این حال، یکی از ویژگی های هر ابرکامپیوتر فعلی، قدرت محاسباتی بسیار بالا است. یک تعریف ساده را می توان در اینترنت یافت که بر اساس آن یک ابر رایانه ماشینی است که می تواند عملکرد محاسباتی حداقل 1 ترافلاپس را به دست آورد. یعنی 10¹² (تریلیون) عملیات ممیز شناور در ثانیه. این در مقایسه با کامپیوترهای خانگی معمولی بسیار زیاد است.

اگر قبلاً سرعت رایانه ها با IPS (دستورالعمل در ثانیه) اندازه گیری می شد ، باید واحد جدیدی برای ابر رایانه ها اختراع شود - FLOPS ، یعنی عملیات ممیز شناور در ثانیه. هر چه این عدد بیشتر باشد، کامپیوتر قدرتمندتر است.

البته، رویکرد مبتنی بر یک آستانه محاسباتی خاص به سرعت منسوخ می‌شود، زیرا عملکرد پردازنده‌هایی که هسته اصلی این ماشین‌ها هستند دائما در حال تغییر و رشد است. با هر عرضه پردازنده های جدید، بهره وری رایانه های مدرن نیز افزایش می یابد. با این حال، ساخت آنها بسیار دشوار و از نظر مالی پرهزینه است.

همچنین بخوانید: پروژه مغز انسان: تلاشی برای تقلید از مغز انسان

کدام ابررایانه‌ها سریع‌ترین هستند؟

ما آخرین داده ها را در مورد این موضوع داریم. در نوامبر 2023، وب‌سایت Top500.org، که برای سال‌ها مرتباً رتبه‌بندی عملکرد قوی‌ترین رایانه‌های روی زمین را منتشر می‌کند، آخرین و شصت و دومین نسخه از رتبه‌بندی Top62 را منتشر کرد که 500 ابرکامپیوتر کارآمد موجود در حال حاضر را ارائه می‌کند. .

سیستم Frontier هنوز هم کارآمدترین ابر رایانه روی کره زمین است. این ابر رایانه اولین سیستم محاسباتی مقیاس اگزا در جهان است، یعنی سرعت آن از 1 اگزافلاپس فراتر رفت. خود فرانتیر در آزمایشگاه ملی واقع در اوک ریج، تنسی، ایالات متحده آمریکا واقع شده است. این ابررایانه با امتیاز HPL (High Performance LINPACK - آزمون ویژه ای که عملکرد خام ابررایانه ها را ارزیابی می کند) در 1193 EFlops (یک اگزافلوپ یک کوینتیلیون یا 10 است) رهبر فعلی است.¹⁸ محاسبات ممیز شناور در ثانیه).

برای مقایسه: سرعت قدرتمندترین تراشه Apple M1 Ultra حدود 21 ترافلاپس (یک تریلیون فلاپ) است. تعداد بسیار زیاد است، این یک واقعیت است. با کمال تعجب ، در سال 2002 رایانه ای وجود داشت که سرعت بیشتری را توسعه داد - این ابر رایانه شبیه ساز زمین غول فناوری ژاپنی NEC Corporation است. سرعتش حدود 36 ترافلاپ بود!

Frontier از پردازنده های AMD EPYC 64C 2GHz استفاده می کند و بر اساس آخرین معماری HPE Cray EX235a ساخته شده است. این پردازنده از 9408 پردازنده AMD EPYC و 37632 شتاب دهنده AMD Instinct MI250x مونتاژ شده است. در مجموع، این سیستم دارای 8،699،904 پردازنده و هسته گرافیکی است. علاوه بر این، Frontier دارای راندمان انرژی قابل توجه 52,59 GFlops/وات است و از شبکه HPE Slingshot 11 برای انتقال داده استفاده می کند. بنابراین، در طول آزمایشات، قادر است تا 1,1 اگزافلاپس تولید کند. اوج عملکرد به رکورد 1,686 اگزافلاپس رسید. قیمت این دستگاه 600 میلیون دلار برآورد شده است.

این اولین و تا کنون تنها ابر رایانه در جهان است که در حالت فلاپ کار می کند. Frontier یک سال پیش رهبر شد، اما به کسی اجازه نداد حتی به موقعیت خود در رتبه بندی ژوئن 2023 تجاوز کند. و تا کنون، در آغاز سال 2024، ابررایانه آمریکایی پربازده ترین در جهان است.

اما دانشمندان در حال حاضر پیشنهاد می کنند که شاید پس از مدتی او مجبور شود برتری یک ماشین آمریکایی دیگر را بپذیرد: ابررایانه Aurora.

بر اساس آخرین رتبه بندی، ابرکامپیوتر جدید Aurora با تراشه های Intel Sapphire Rapids که در مرکز محاسباتی رهبری Argonne در ایلینوی ایالات متحده اجرا می شود، با عملکرد HPL 585,34 PFlops در رتبه دوم قرار دارد. اگرچه این تنها نیمی از عملکرد ابررایانه پرچمدار Frontier است، سیستم Aurora هنوز کامل نشده است و تنها نیمی از سیستم نهایی برنامه ریزی شده در حال حاضر عملیاتی است. پس از تکمیل، عملکرد پیش بینی شده Aurora احتمالاً از 2 EFlops فراتر خواهد رفت. ابررایانه Aurora که توسط اینتل ساخته شده است، بر اساس معماری HPE Cray EX - Intel Exascale Compute ساخته شده است. Blade، از پردازنده های Intel Xeon CPU Max Series و Intel Data Center GPU Max Series استفاده می کند. همانند Frontier، شبکه HPE Slinghot-11 وظیفه انتقال داده ها را بر عهده دارد.

سومین ابر رایانه کارآمد، یک سیستم جدید مبتنی بر ابر به نام ایگل است Microsoft لاجوردی در آمریکا این یک نوع کنجکاوی فناوری است، زیرا Eagle یک ابر رایانه ابری است و رتبه سوم در رتبه بندی Top500 بالاترین رتبه ای است که تاکنون توسط یک سیستم ابری به دست آمده است. Microsoft Eagle دارای عملکرد HPL 561,2 PFlops است، قلب محاسباتی پردازنده ها و شتاب دهنده های Intel Xeon Platinum 8480C است. NVIDIA H100

در اینجا باید به ابر رایانه ژاپنی Fugaku اشاره کرد که عملکرد آن بیش از سه برابر کمتر از Frontier است و یکی از سازنده ترین ابر رایانه های گذشته - LUMI است. اگرچه چینی ها هنوز در حال ساختن چیزی قدرتمند هستند، اما همه چیز در آینده است.

همچنین جالب: پیش‌بینی‌های فناوری برای سال 2024: چه انتظاری داریم؟

چرا به قدرت محاسباتی زیادی نیاز داریم؟

ممکن است کارایی سریع‌ترین ماشین‌های روی زمین را تحسین کنید، اما عملکردی که آن‌ها به دست می‌آورند شکستن رکورد نیست، بلکه به دست آوردن نتایج محاسباتی مورد نظر در کوتاه‌ترین زمان ممکن است. هیچ کاربر ابررایانه ای از آن ماشین برای نوشتن ایمیل یا تهیه یک ارائه استفاده نمی کند. استفاده از چنین ماشین‌هایی برای انجام کارهایی که می‌توانیم روی دستگاه‌های خانه‌مان انجام دهیم، هدر دادن وحشتناکی است. از این گذشته، پتانسیل محاسباتی ابررایانه ها به شما امکان می دهد اقداماتی را انجام دهید که در رایانه های معمولی در دسترس نیستند.

در مورد چه وظایفی صحبت می کنیم؟ اول از همه، در مورد آنهایی که می توانند سود واقعی داشته باشند، و اینها لزوماً آنهایی نیستند که می توانند بلافاصله به پول تبدیل شوند. شایان ذکر است که تنها حدود 600 میلیون دلار آمریکا برای ساخت ابررایانه Frontier هزینه شده است. البته استفاده از آن و هزینه های نگهداری مداوم نیز قابل توجه است. این ابر کامپیوتر مساحتی معادل 680 متر مربع را اشغال کرده و 21 مگاوات برق مصرف می کند.

Frontier، مانند سایر ابررایانه‌ها، از جمله برای کارهایی مانند مدل‌سازی آب و هوا، تحقیق و تولید داروهای جدید حیاتی برای بشریت، تحقیق در مورد فناوری‌های جدید مواد و غیره استفاده می‌شود. البته، دامنه وظایف انجام شده توسط این نوع تجهیزات بسیار گسترده تر است و برای مثال، شامل تجزیه و تحلیل مجموعه داده های عظیم از انواع مختلف: مالی، پزشکی، تصاویر ماهواره ای، مدل سازی پدیده های فیزیکی و بسیاری، بسیاری دیگر است. این واقعیت که Frontier اولین ابررایانه اگزا اسکیل است به آن اجازه می دهد تا کارهایی را انجام دهد که حتی در سایر ابر رایانه ها نیز دشوار است.

یک مثال می تواند مدل سازی کل چرخه حیات یک راکتور گرما هسته ای باشد. بله، این یک خطا نیست. هنوز یک نیروگاه همجوشی در جهان وجود ندارد، اما قدرت محاسباتی قدرتمند فرامقیاس فرانتیر، شبیه سازی رفتار یک راکتور همجوشی فرضی و پیش بینی رفتار پلاسما در چنین راکتوری را ممکن می سازد. البته تا زمانی که انرژی حرارتی هسته‌ای تجاری نشده است، فکر کردن به مزایای آن دشوار است، اما هیچ کس در جهان شک ندارد که قدرت محاسباتی که به ایجاد و توسعه انرژی گرما هسته‌ای کمک می‌کند و تمام بشریت را از کمبود انرژی نجات می‌دهد، ارزشش را دارد. سرمایه گذاری.

همچنین بخوانید: همه چیز درباره Microsoft کمک خلبان: آینده یا راه اشتباه؟

سوپر کامپیوتر و پزشکی

یکی از کاربردهای ابررایانه ها محاسبات پیچیده و انرژی بر مربوط به ساختار مواد شیمیایی و ترکیبات آلی است. تجزیه و تحلیل دقیق رفتار هر یک از مواد، که به دلیل توانایی شبیه سازی رفتار یک ترکیب معین در سطح بسیار دقیق امکان پذیر است، ابزاری است که امکان توسعه داروهای جدید و موثرتر را فراهم می کند.

در سال 2020، قبل از راه اندازی ابررایانه Frontier، دانشمندان آزمایشگاه ملی Oak Ridge، که در آن زمان ابررایانه Summit را داشت (این ماشین کارآمدترین ابررایانه در سال 2018 بود، هنوز در حال استفاده است، و با بازدهی در رتبه 7 قرار گرفت. 148,8 PFlops) از آن برای توسعه نوع جدیدی از داروی سرطان استفاده کرد. معلوم شد که داروی جدید حدود 10 درصد بهتر است و در درمان مؤثرتر از داروهای قبلی است. البته 10 درصد زیاد نیست، اما این را به بیمارانی بگویید که به لطف آن تفاوت «کوچک» توانستند جان خود را نجات دهند. زندگی انسان بی‌ارزش است، اما هر دارویی با اثربخشی بالاتر می‌تواند منابع عظیمی را برای سیستم مراقبت‌های بهداشتی صرفه‌جویی کند و هزینه‌های درمان را کاهش دهد. این جایی است که Frontier می تواند مفید باشد. توانایی های آن بسیار بالاتر از همان ابررایانه Summit است.

همچنین بخوانید:

• Apple ویژن پرو انقلابی ترین دستگاه از زمان آیفون است. اما یک نکته ظریف وجود دارد ©
• تغییر به Apple مک بوک ایر با پردازنده M2: بررسی و برداشت های من

مرز و مدل جدید آب و هوا

مدل سازی آب و هوا مستلزم تحلیل و توجیه مدل تاریخ هزار ساله زمین است. البته این کاری است که به حجم عظیمی از منابع محاسباتی نیاز دارد. هرچه بتوانیم تغییرات اقلیمی را دقیق‌تر مدل‌سازی کنیم و پیش‌بینی کنیم که در بلندمدت چه اتفاقی می‌افتد، به ابررایانه‌های سریع‌تر و قدرتمندتری نیاز داریم.

مارک تیلور از آزمایشگاه‌های ملی ساندیا، یکی از محققانی که بر روی اولین پیش‌بینی‌های بلندمدت آب و هوا با استفاده از محاسبات در حال افزایش کار می‌کند، اظهار داشت: «معماری محاسباتی منحصربه‌فرد ابرکامپیوتر Frontier کارهایی را امکان‌پذیر می‌کند که قبلاً نمی‌توانستیم انجام دهیم». یعنی قدرت محاسباتی این ماشین محاسبه‌ای را که سال‌ها طول می‌کشید به چند روز کاهش می‌دهد. در عین حال، به محققان این امکان را می دهد که برآوردهای دقیقی از اثرات بلندمدت تغییرات آب و هوایی و شرایط آب و هوایی شدید بدست آورند. تیلور می افزاید: «این استاندارد طلایی جدید برای مدل سازی آب و هوا است.

مزایای آن چیست؟ آنها فقط بزرگ هستند. توانایی پیش بینی تغییرات فاجعه بار آب و هوا می تواند جان ده ها هزار و شاید حتی میلیون ها نفر را نجات دهد. و تجزیه و تحلیل تأثیر احتمالی گرم شدن آب و هوا بر چرخه آب جهانی و منطقه ای به ما امکان می دهد از قبل برای تغییرات آینده آماده شویم. مدل‌های فضایی مدرن وجود دارند، اما از نظر محاسباتی بسیار نیازمندند. تا همین اواخر، بیش از حد خواستار. بله، آنها به ما اجازه می دهند تا از لحاظ نظری تعامل پیچیده بین عناصر مختلفی را که آنچه را که ما آب و هوا یا آب و هوا می نامیم تشکیل می دهند، پیش بینی کنیم، به عنوان مثال، حرکت همرفتی که با تشکیل ابرها همراه است، اما در آنجا لازم است جریان عظیمی از اطلاعات پردازش شود. و محاسباتی با پیچیدگی باور نکردنی انجام دهید.

وجود ابررایانه Frontier قبلاً این وضعیت را تغییر داده است. پروژه Energy Exascale Earth System Model (E3SM) با ترکیب رویکردهای نرم‌افزاری جدید با عملکرد عظیم مقیاس بزرگ بر این موانع غلبه می‌کند. ساراث سریپاتی، یکی از نویسندگان مطالعه و هماهنگ کننده پروژه E3SM و یکی از نویسندگان مدل جوی E3SM به نام SCREAM، توضیح می دهد: “جامعه مدل‌سازی آب و هوا مدت‌هاست که رویای اجرای مدل‌های کیلومتری را با سرعت کافی برای تسهیل پیش‌بینی‌های چندین دهه در سر می‌پروراند و اکنون این یک واقعیت است.".

به عبارت دیگر، چنین پروژه ای بدون Frontier به سادگی به دلیل کمبود حجم پردازش داده ها شکست می خورد. با این حال، شایان ذکر است که نه تنها قدرت محاسباتی اساسی مهم است، بلکه بهینه سازی خود مدل ها نیز مهم است. پیتر کالدول، اقلیم شناس در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور، و تیمش پنج سال گذشته را صرف ساختن یک مدل ابر جدید از ابتدا کرده اند. این به طور موثر بر روی پردازنده های گرافیکی (GPU) که ​​امروزه جزء بسیار مهمی از قدرت محاسباتی ابرکامپیوترهای مدرن هستند، کار خواهد کرد. یک ماشین برتر جالب در کلاس خود را نیز می توان در اینجا گنجاند.

تصور کن. تطبیق کد برای اجرا در GPU منجر به افزایش قابل توجه عملکرد شده است. SCREAM می تواند روی 8192 گره مرزی اجرا شود تا تشکیلات ابری جهانی را شبیه سازی کند که معمولاً بیش از یک سال (دقیقاً 1,25 سال) در یک جلسه محاسباتی 24 ساعته طول می کشد. شبیه سازی های بلندمدت 30 تا 40 سال را می توان در Frontier در عرض چند هفته انجام داد. محققان خاطرنشان می کنند که قبلاً انجام چنین محاسباتی تقریباً غیرممکن بود. افرادی که علاقه مند به کسب اطلاعات بیشتر در مورد این مطالعات هستند می توانند با انتشارات علمی جدید آشنا شوید مارک تیلور و تیمش

همچنین جالب:

• چگونه ارتش ایالات متحده بابانوئل را ردیابی می کند
• ممنوعیت فروش Apple تماشا در ایالات متحده: تمام جزئیات پرونده
• مرور Lenovo Yoga Book 9i: یک لپ تاپ قابل تبدیل با دو نمایشگر

فن آوری های مرزی و مواد

یکی از پروژه های جالبی که از پتانسیل اگزااسکال ابرکامپیوتر Frontier بهره می برد، کار در زمینه فناوری مواد است. این یکی از بزرگترین شبیه سازی های محاسباتی یک آلیاژ است که به لطف کارایی محاسباتی آن، دستیابی به دقت نزدیک به سطح کوانتومی را ممکن کرده است. این تحقیق که توسط ویکرام گاوینی از دانشگاه میشیگان انجام شده است، از این جهت نوآورانه است که از معادله شرودینگر برای مدل‌سازی رفتار مواد مختلف استفاده می‌کند. قدرت محاسباتی عظیم فرانتیر به آن اجازه داد تا یک سیستم آلیاژ منیزیم متشکل از 75 اتم را شبیه سازی کند.

آلیاژهای منیزیم ماده بسیار جالبی هستند. بسیار سبک و در عین حال قوی است. با این حال، آلیاژهای منیزیم به عیوب خاصی حساس هستند، عمدتاً نابجایی (یعنی نقص عظیم در ساختار کریستالی مواد)، که به طور چشمگیری خواص مکانیکی آنها را تغییر می دهد. این یک ماده امیدوارکننده را به یک قطعه فلز غیرقابل استفاده تبدیل می کند، زیرا به راحتی ترک می خورد، شکننده و ناپایدار است. دانشمندان با کمک قدرت محاسباتی Frontier موفق به اصلاح برخی از این عیوب در آلیاژهای منیزیم شدند. اما این تنها آغاز کار سخت است.

همچنین جالب: 

• شبکه های عصبی چیست و چگونه کار می کنند؟
• درباره کامپیوترهای کوانتومی به زبان ساده

آینده ابر رایانه ها؟

رایانه های معمولی نمی توانند چالش هایی را که برخی از مشکلات علمی و فنی برای ما ایجاد می کنند حل کنند. ابررایانه ها قدرت محاسباتی بسیار بیشتری دارند و به آنها امکان می دهد محاسباتی را انجام دهند که در رایانه های معمولی غیرممکن است یا زمان زیادی را می گیرد. با ایجاد ابررایانه‌ها، دانشمندان تلاش می‌کنند تا مرزهای دانش و توانایی‌های ما را گسترش دهند و همچنین مشکلاتی را حل کنند که می‌توانند تأثیر واقعی عظیمی بر آینده ما داشته باشند.

قانون مور می گوید که قدرت کامپیوترها به طور تصاعدی افزایش می یابد. هر دو سال، سرعت محاسبات دو برابر می‌شود، مهندسان و دانشمندان موفق می‌شوند راه‌حل‌هایی برای مشکلاتی بیابند که قبلا غیرممکن تلقی می‌شدند.

یک روز، ابر رایانه ها عادی خواهند شد. از این گذشته، تنها ده سال پیش مفاهیمی مانند واقعیت مجازی، بازی‌های ابری و فراجهان تنها در تخیل چند متخصص و گیک‌های تکنو وجود داشت و امروز واقعیت ماست. نسل آینده برای بهره مندی از ابررایانه ها حتی مجبور به دریافت آموزش فناوری اطلاعات و استخدام در گوگل نخواهند بود: آنها بی سر و صدا و نامحسوس بخشی از زندگی روزمره خواهند شد، درست مانند گوشی های هوشمند، لپ تاپ ها و چیزهای دیگر.

همچنین بخوانید: 

• نحوه حذف رمز ورود به ویندوز 11
• 7 جالب ترین استفاده از ChatGPT