Mihin sitä käytetään? Raja, maailman tehokkain ja nopein supertietokone, joka toimii Oak Ridge National Laboratoryssa? Reaktorimallintamisesta ilmaston ennustamiseen.
Tällä kysymyksellä on laajempi konteksti. Minulta kysytään usein, miksi ylipäänsä rakennetaan niin tehokkaita koneita, jos jokaisella meistä voi olla tietokone? Tietenkin supertietokoneet ovat erittäin kalliita koneita, jotka kuluttavat valtavasti energiaa, mutta se, mitä saamme niistä, on paljon arvokkaampaa. Tänään yritän selittää sen Frontier-supertietokoneen esimerkillä.
Mielenkiintoista myös: OpenAI:n historia: Mitä se oli ja mitä yritystä odottaa
Miksi tarvitsemme supertietokoneita?
Lyhyesti sanottuna supertietokoneet voivat käsitellä valtavia tietovirtoja. Maailmamme muuttuu erittäin nopeasti, ihmiskunta on luonut valtavan tietokannan, joka täytyy käsitellä, analysoida, ryhmitellä, tallentaa, lopulta. Tämä auttaa meitä saamaan esimerkiksi uusia, halvempia ja tehokkaampia lääkkeitä, kestävämpiä materiaaleja, ennustamaan ilmastonmuutoksia vuosikymmeniksi jne. Supertietokoneiden avulla voimme mallintaa rakennettavien kohteiden, kuten fuusioreaktorien, käyttäytymistä. Ja nämä ovat vain muutamia esimerkkejä nopeimpien supertietokoneiden sovelluksista. Kyllä, ne ovat erittäin kalliita valmistaa ja ylläpitää, mutta ne ovat sen arvoisia.
Mutta aloitetaan perusasioista. Mikä muuten on supertietokone? Tälle ei ole vielä selkeää määritelmää. Jokaiselle tällä hetkellä toimivalle supertietokoneelle on kuitenkin ominaista erittäin korkea laskentateho. Internetistä löytyy yksinkertaistettu määritelmä, jonka mukaan supertietokone on kone, joka pystyy saavuttamaan vähintään 1 teraflopsin laskentatehon, eli 1012 (biljoonaa) liukulukuoperaatiota sekunnissa. Tämä on paljon verrattuna tavallisiin kotitietokoneisiin.
Jos aiemmin tietokoneiden nopeus mitattiin IPS:llä (käskyä sekunnissa), niin supertietokoneille jouduttiin keksimään uusi yksikkö - FLOPS eli liukulukuoperaatiot sekunnissa. Mitä suurempi tämä luku, sitä tehokkaampi tietokone.
Tiettyyn laskennalliseen kynnykseen perustuva lähestymistapa vanhenee tietysti melko nopeasti, sillä näiden koneiden ytimenä olevien prosessorien suorituskyky kehittyy ja kasvaa jatkuvasti. Jokaisen uusien prosessorien julkaisun myötä myös nykyaikaisten tietokoneiden tuottavuus kasvaa. Niiden rakentaminen on kuitenkin erittäin vaikeaa ja taloudellisesti kallista.
Lue myös: Human Brain Project: Yritys jäljitellä ihmisaivoja
Mitkä supertietokoneet ovat nopeimpia?
Meillä on viimeisimmät tiedot tästä aiheesta. Marraskuussa 2023 Top500.org-verkkosivusto, joka on säännöllisesti julkaissut teholuokituksia maapallon tehokkaimmista tietokoneista useiden vuosien ajan, julkaisi viimeisimmän, 62. painoksen Top500-rankingista, joka esittelee tällä hetkellä 500 tehokkainta supertietokonetta. .
Frontier-järjestelmä on edelleen planeetan tehokkain supertietokone. Tämä supertietokone on maailman ensimmäinen eksamittakaavainen laskentajärjestelmä, eli sen nopeus ylitti 1 eksaflopsin. Itse Frontier sijaitsee National Laboratoryssa, joka sijaitsee Oak Ridgessä, Tennesseessä, Yhdysvalloissa. Tämä supertietokone on tällä hetkellä johtava HPL-pistemäärä (High Performance LINPACK - erityinen testi, joka arvioi supertietokoneiden raakaa suorituskykyä) 1193 EFlopsilla (exaflop on kvintiljoona tai 1018 liukulukulaskelmat sekunnissa).
Vertailun vuoksi: tehokkaimman sirun nopeus Apple M1 Ultra on noin 21 teraflopsia (triljoona FLOPSia). Luku on valtava, se on tosiasia. Yllättäen vuonna 2002 oli tietokone, joka kehitti vieläkin suuremman nopeuden - tämä on japanilaisen teknologiajätin NEC Corporationin Earth Simulator -supertietokone. Sen nopeus oli noin 36 teraflopsia!
Frontier käyttää AMD EPYC 64C 2 GHz -suorittimia ja perustuu uusimpaan HPE Cray EX235a -arkkitehtuuriin. Se on koottu 9408 AMD EPYC -prosessorista ja 37632 AMD Instinct MI250x -kiihdyttimistä. Yhteensä järjestelmässä on 8 699 904 prosessori- ja grafiikkaydintä. Lisäksi Frontierin tehokkuus on vaikuttava 52,59 GFlops/watti, ja se käyttää HPE Slingshot 11 -verkkoa tiedonsiirtoon. Joten testien aikana se pystyy tuottamaan jopa 1,1 exaflopsia. Huippusuorituskyky saavutti ennätysmäärän 1,686 600 exaflopia. Laitteen hinnaksi on arvioitu XNUMX miljoonaa dollaria.
Tämä on ensimmäinen ja toistaiseksi ainoa supertietokone maailmassa, joka toimii flops-tilassa. Frontier nousi johtajaksi vuosi sitten, mutta ei antanut kenenkään edes loukata asemaansa kesäkuun 2023 rankingissa. Ja toistaiseksi, vuoden 2024 alussa, amerikkalainen supertietokone on maailman tuottavin.
Mutta tiedemiehet ehdottavat jo, että ehkä jonkin ajan kuluttua hänen on myönnettävä toisen amerikkalaisen koneen: Aurora-supertietokoneen paremmuus.
Uusimman luokituksen mukaan uusi Aurora-supertietokone Intel Sapphire Rapids -siruilla, joka toimii Argonne Leadership Computing Facilityssä Illinoisissa, Yhdysvalloissa, on toisella sijalla HPL-suorituskyvyllä 585,34 PFlops. Vaikka tämä on vain puolet Frontierin lippulaiva-supertietokoneen suorituskyvystä, Aurora-järjestelmä ei ole vielä valmis, ja vain puolet suunnitellusta lopullisesta järjestelmästä on tällä hetkellä toiminnassa. Valmistuttuaan Auroran ennustettu suorituskyky ylittää todennäköisesti 2 EFlopsia. Intelin luoma Aurora-supertietokone perustuu HPE Cray EX -arkkitehtuuriin - Intel Exascale Compute Blade, käyttää Intel Xeon CPU Max -sarjan prosessoreita ja Intel Data Center GPU Max -sarjan kiihdyttimiä. Kuten Frontierissa, HPE Slinghot-11 -verkko vastaa tiedonsiirrosta.
Kolmanneksi tehokkain supertietokone on uusi pilvipohjainen järjestelmä nimeltä Eagle Microsoft Azure Yhdysvalloissa. Tämä on eräänlainen teknologinen uteliaisuus, sillä Eagle on pilvisupertietokone, ja Top500-listan kolmas sija on korkein pilvijärjestelmän koskaan saavuttama. Microsoft Eaglen HPL-suorituskyky on 561,2 PFlops, laskentasydän on Intel Xeon Platinum 8480C -prosessorit ja -kiihdytit NVIDIA H100.
Tässä kannattaa mainita japanilainen supertietokone Fugaku, jonka suorituskyky on yli kolme kertaa pienempi kuin Frontier, ja yksi tuottavimmista supertietokoneista menneisyydessä - LUMI. Vaikka kiinalaiset rakentavat edelleen jotain voimakasta, se kaikki on tulevaisuudessa.
Mielenkiintoista myös: Tekniset ennusteet vuodelle 2024: mitä odottaa?
Miksi tarvitsemme niin paljon laskentatehoa?
Voit ihailla maapallon nopeimpien koneiden tehokkuutta, mutta niiden saavuttama suorituskyky ei tarkoita ennätysten rikkomista, vaan haluttujen laskentatulosten saamista mahdollisimman lyhyessä ajassa. Yksikään supertietokoneen käyttäjä ei käytä tätä konetta sähköpostin kirjoittamiseen tai esityksen valmisteluun. Olisi kauheaa tuhlausta käyttää tällaisia koneita suorittamaan tehtäviä, joita voimme suorittaa kodeissamme olevilla laitteilla. Loppujen lopuksi supertietokoneiden laskennallinen potentiaali antaa sinun suorittaa toimintoja, jotka eivät ole käytettävissä tavallisissa tietokoneissa.
Mistä tehtävistä puhumme? Ensinnäkin niistä, jotka voivat tuoda todellista hyötyä, eivätkä ne välttämättä ole niitä, jotka voidaan muuttaa välittömästi rahaksi. On syytä muistaa, että Frontier-supertietokoneen luomiseen käytettiin vain noin 600 miljoonaa dollaria. Tietysti myös sen käyttö- ja ylläpitokustannukset ovat merkittäviä. Supertietokoneen pinta-ala on 680 neliömetriä ja se kuluttaa 21 MW sähköä.
Frontieria, kuten muitakin supertietokoneita, käytetään muun muassa ilmastomallinnukseen, ihmiskunnalle elintärkeiden uusien lääkkeiden tutkimukseen ja tuotantoon, uusien materiaalitekniikoiden tutkimukseen jne. Tietenkin tämän tyyppisten laitteiden suorittamien tehtävien laajuus on paljon laajempi ja sisältää esimerkiksi valtavien erityyppisten tietokokonaisuuksien analysoinnin: taloudellinen, lääketieteellinen, satelliittikuva, fyysisten ilmiöiden mallintaminen ja monet, monet muut. Se, että Frontier on ensimmäinen eksakokoinen supertietokone, mahdollistaa tehtävien suorittamisen, jotka olisivat vaikeita jopa muilla supertietokoneilla.
Esimerkkinä voi olla lämpöydinreaktorin koko elinkaaren mallintaminen. Kyllä, tämä ei ole virhe. Maailmassa ei ole vielä ainuttakaan fuusiovoimalaa, mutta Frontierin tehokas eksamittakaavainen laskentateho mahdollistaa hypoteettisen fuusioreaktorin käyttäytymisen simuloinnin ja plasman käyttäytymisen ennustamisen sellaisessa reaktorissa. Tietenkin, ennen kuin lämpöydinenergiaa kaupallistetaan, on vaikea ajatella hyötyjä, mutta kukaan maailmassa ei epäile, että laskentateho, joka edistää lämpöydinenergian luomista ja kehittämistä ja pelastaa koko ihmiskunnan energiapulalta, on minkään arvoinen. investointi.
Lue myös: Kaikki Microsoft Ohjaaja: tulevaisuus vai väärä tapa?
Supertietokoneet ja lääketiede
Yksi supertietokoneiden sovelluksista on monimutkaiset ja energiaintensiiviset laskelmat, jotka liittyvät kemikaalien ja orgaanisten yhdisteiden rakenteeseen. Yksittäisten aineiden käyttäytymisen huolellinen analysointi, joka on mahdollista johtuen kyvystä simuloida tietyn yhdisteen käyttäytymistä erittäin tarkasti, on työkalu, joka mahdollistaa uusien, tehokkaampien lääkkeiden kehittämisen.
Vuonna 2020, ennen Frontier-supertietokoneen julkaisua, tutkijat Oak Ridge National Laboratoryssa, jossa tuolloin oli Summit-supertietokone (tämä kone oli tehokkain supertietokone vuonna 2018, se on edelleen käytössä ja sijoittui 7. tehokkuudella 148,8 PFlops) käytti sitä uudentyyppisen syöpälääkkeen kehittämiseen. Uusi lääke osoittautui noin 10 % paremmaksi, tehokkaammaksi hoidossa kuin aiemmin käytetyt lääkkeet. 10 % ei tietenkään ole paljoa, mutta kerro se potilaille, jotka onnistuivat pelastamaan henkensä tuon "pienen" eron ansiosta. Ihmiselämä on tietysti korvaamaton, mutta mikä tahansa tehokkaampi lääke voi säästää valtavia resursseja terveydenhuoltojärjestelmälle ja vähentää hoitokustannuksia. Tässä Frontier voi olla hyödyllinen. Sen ominaisuudet ovat paljon korkeammat kuin saman Summit-supertietokoneen.
Lue myös:
- Apple Vision Pro on vallankumouksellisin laite sitten iPhonen. Mutta on vivahde ©
- Vaihtaa Apple MacBook Air M2-prosessorilla: arvostelu ja vaikutelmani
Frontier ja uusi ilmastomalli
Ilmastomallinnus edellyttää Maan tuhatvuotisen historian mallin analysointia ja perusteluja. Tietenkin tämä on tehtävä, joka vaatii valtavasti laskentaresursseja. Mitä tarkemmin voimme mallintaa ilmastonmuutosta ja ennustaa, mitä tapahtuu pitkällä aikavälillä, sitä nopeampia ja tehokkaampia supertietokoneita tarvitsemme.
Mark Taylor Sandia National Laboratoriesista, yksi tutkijoista, jotka työskentelevät maailman ensimmäisten pitkän aikavälin ilmastoennusteiden parissa eskaloituvan laskennan avulla, huomautti kerran: "Frontier-supertietokoneen ainutlaatuinen laskenta-arkkitehtuuri mahdollistaa asioita, joita emme voineet tehdä aiemmin." Toisin sanoen tämän koneen laskentateho vähentää aiemmin vuosia kestäneen laskelman muutamaan päivään. Samalla tutkijat voivat saada yksityiskohtaisia arvioita ilmastonmuutoksen ja äärimmäisten sääolosuhteiden pitkän aikavälin vaikutuksista. "Tämä on ilmastomallinnuksen uusi kultastandardi", Taylor lisää.
Mitä hyötyä siitä on? Ne ovat yksinkertaisesti valtavia. Kyky ennustaa katastrofaalisia sään muutoksia voi säästää kymmeniä tuhansia ja ehkä jopa miljoonia ihmishenkiä. Ja analysoimalla ilmaston lämpenemisen todennäköisiä vaikutuksia maailmanlaajuisiin ja alueellisiin vesikiertoihin voimme valmistautua etukäteen tuleviin muutoksiin. Nykyaikaisia tilamalleja on olemassa, mutta ne ovat laskennallisesti erittäin vaativia. Viime aikoihin asti liian vaativa. Kyllä, niiden avulla voimme teoreettisesti ennustaa monimutkaisen vuorovaikutuksen eri elementtien välillä, jotka muodostavat sään tai ilmaston, esimerkiksi konvektiivisen liikkeen, joka seuraa pilvien muodostumista, mutta siellä on tarpeen käsitellä valtava tietovirta ja tehdä uskomattoman monimutkaisia laskelmia.
Frontier-supertietokoneen läsnäolo on jo muuttanut sen. Energy Exascale Earth System Model (E3SM) -projekti voittaa nämä esteet yhdistämällä uusia ohjelmistolähestymistapoja massiiviseen exascale-suorituskykyyn. Sarath Sripathy, tutkimuksen toinen kirjoittaja ja E3SM-projektin koordinaattori ja SCREAM-nimisen E3SM-ilmapiirimallin toinen kirjoittaja, selittää: "Ilmastomallinnusyhteisö on pitkään haaveillut kilometrimittakaavaisten mallien ajamisesta riittävän nopeasti vuosikymmeniä kestävien ennusteiden helpottamiseksi, ja nyt se on totta.".
Toisin sanoen tällainen projekti ilman Frontieria epäonnistuisi tietojenkäsittelymäärien puutteen vuoksi. On kuitenkin syytä huomata, että paitsi peruslaskentateho on tärkeää, myös itse mallien optimointi. Lawrence Livermore National Laboratoryn ilmastotieteilijä Peter Caldwell ja hänen tiiminsä ovat rakentaneet viimeiset viisi vuotta uutta pilvimallia tyhjästä. Se toimii tehokkaasti grafiikkaprosessoreissa (GPU), jotka ovat nykyään erittäin tärkeä osa nykyaikaisten supertietokoneiden laskentatehoa. Myös luokkansa mielenkiintoinen huippuauto voidaan sisällyttää tähän.
Kuvitella. Koodin mukauttaminen toimimaan GPU:illa on parantanut merkittävästi suorituskykyä. SCREAM voi toimia 8192 1,25 Frontier-solmulla simuloidakseen globaaleja pilvimuodostelmia, jotka tyypillisesti kestivät yli vuoden (tarkkalleen 24 vuotta) yhdessä 30 tunnin laskenta-istunnossa. Pitkäaikaiset 40-XNUMX vuoden simulaatiot voidaan tehdä Frontierilla muutamassa viikossa. Tutkijat huomauttavat, että aiemmin tällaisia laskelmia oli lähes mahdotonta tehdä. Ihmiset, jotka ovat kiinnostuneita oppimaan lisää näistä opinnoista, voivat tutustu uuteen tieteelliseen julkaisuun Mark Taylor ja hänen tiiminsä.
Mielenkiintoista myös:
- Kuinka Yhdysvaltain armeija jäljittää joulupukkia
- Myynnin kielto Apple Katso Yhdysvalloissa: Kaikki tapauksen yksityiskohdat
- Arvostelu Lenovo Yoga Book 9i: vaihdettava kannettava tietokone kahdella näytöllä
Raja- ja materiaaliteknologiat
Yksi mielenkiintoinen projekti, joka hyödyntää Frontier-supertietokoneen eksamittakaavaista potentiaalia, on työ materiaalitekniikan alalla. Tämä on yksi kaikkien aikojen suurimmista metalliseoksen laskennallisista simulaatioista, joka on laskentatehonsa ansiosta mahdollistanut lähes kvanttitason tarkkuuden saavuttamisen. Tämä Michiganin yliopiston Vikram Gavinin suorittama tutkimus on innovatiivinen siinä mielessä, että se mallintaa eri materiaalien käyttäytymistä Schrödingerin yhtälön avulla. Frontierin massiivinen laskentateho mahdollisti sen simuloimaan 75 000 atomista koostuvaa magnesiumseosjärjestelmää.
Magnesiumlejeeringit ovat erittäin mielenkiintoinen materiaali. Se on erittäin kevyt ja samalla vahva. Magnesiumlejeeringit ovat kuitenkin herkkiä tietyille vaurioille, pääasiassa dislokaatioille (eli materiaalin kiderakenteen massiivisille vaurioille), jotka muuttavat dramaattisesti niiden mekaanisia ominaisuuksia. Tämä muuttaa lupaavan materiaalin käyttökelvottomaksi metallipalaksi, koska se halkeilee helposti, on hauras ja epävakaa. Tiedemiehet onnistuivat Frontierin laskentatehon avulla korjaamaan joitain näistä magnesiumseosten vioista. Mutta tämä on vasta kovan työn alkua.
Mielenkiintoista myös:
Supertietokoneiden tulevaisuus?
Perinteiset tietokoneet eivät pysty ratkaisemaan haasteita, joita jotkut tieteelliset ja tekniset ongelmat aiheuttavat meille. Supertietokoneissa on paljon enemmän laskentatehoa, joten ne voivat suorittaa laskelmia, jotka olisivat mahdottomia tai vievät liian paljon aikaa tavallisissa tietokoneissa. Luomalla supertietokoneita tutkijat pyrkivät laajentamaan tietämyksemme ja kykyjemme rajoja sekä ratkaisemaan ongelmia, joilla voi olla valtava todellinen vaikutus tulevaisuutemme.
Mooren lain mukaan tietokoneiden teho kasvaa eksponentiaalisesti. Joka toinen vuosi laskennan nopeus kaksinkertaistuu, insinöörit ja tiedemiehet onnistuvat löytämään ratkaisuja ongelmiin, joita aiemmin pidettiin mahdottomina.
Eräänä päivänä supertietokoneista tulee yleisiä. Loppujen lopuksi vasta kymmenen vuotta sitten sellaiset käsitteet kuin virtuaalitodellisuus, pilvipelit ja metauniversumi olivat vain muutaman tekno-asiantuntijan ja nörtin mielikuvituksessa, ja nykyään se on meidän todellisuutemme. Tulevan sukupolven ei tarvitse edes hankkia IT-koulutusta ja työllistyä Googleen hyödyntääkseen supertietokoneita: niistä tulee hiljaa ja huomaamattomasti osa jokapäiväistä elämää, kuten älypuhelimet, kannettavat tietokoneet ja muut asiat.
Lue myös: