Čemu služi? Granica, najmoćnije i najbrže superračunalo na svijetu koje radi u Nacionalnom laboratoriju Oak Ridge? Od modeliranja reaktora do klimatskih prognoza.
Ovo pitanje ima širi kontekst. Često me pitaju zašto uopće gradimo tako moćne strojeve, ako svatko od nas može imati računalo? Naravno, superračunala su vrlo skupi strojevi koji troše ogromnu količinu energije, ali ono što od njih dobivamo puno je vrjednije. Danas ću to pokušati objasniti na primjeru superračunala Frontier.
Također zanimljivo: Povijest OpenAI-ja: što je to bilo i što je pred tvrtkom
Zašto su nam potrebna superračunala?
Ukratko, superračunala mogu obraditi ogromne tokove informacija. Naš svijet se jako brzo mijenja, čovječanstvo je stvorilo ogromnu bazu podataka koju treba obraditi, analizirati, grupirati, sačuvati, konačno. To će nam pomoći, primjerice, da dobijemo nove, jeftinije i učinkovitije lijekove, trajnije materijale, predvidimo klimatske promjene za desetljeća itd. Superračunala nam omogućuju modeliranje ponašanja objekata koje ćemo graditi, kao što su fuzijski reaktori. A ovo su samo neki primjeri primjene najbržih superračunala. Da, vrlo su skupi za proizvodnju i održavanje, ali su vrijedni toga.
Ali krenimo s osnovama. Što je uopće superračunalo? Još nema jasne definicije ovoga. Međutim, karakteristična značajka svakog trenutno operativnog superračunala je vrlo velika računalna snaga. Na internetu se može pronaći pojednostavljena definicija prema kojoj je superračunalo stroj koji može postići računalni učinak od najmanje 1 teraflopsa, tj. 1012 (bilijun) operacija s pomičnim zarezom u sekundi. To je puno u usporedbi s običnim kućnim računalima.
Ako se ranije brzina računala mjerila u IPS-u (instrukcije u sekundi), tada je za superračunala morala biti izmišljena nova jedinica - FLOPS, odnosno operacije s pomičnim zarezom u sekundi. Što je taj broj veći, to je računalo moćnije.
Naravno, pristup koji se temelji na određenom računskom pragu vrlo brzo zastarijeva, jer se performanse procesora koji su jezgra ovih strojeva neprestano razvijaju i rastu. Sa svakim izdanjem novih procesora povećava se i produktivnost modernih računala. Međutim, njihova izgradnja je vrlo teška i financijski skupa.
Pročitajte također: Projekt ljudskog mozga: pokušaj oponašanja ljudskog mozga
Koja su superračunala najbrža?
Imamo najnovije podatke o ovom pitanju. U studenom 2023. web stranica Top500.org, koja već dugi niz godina redovito objavljuje ocjene performansi najjačih računala na Zemlji, objavila je najnovije, 62. izdanje ljestvice Top500 koja predstavlja 500 najučinkovitijih superračunala koja trenutno postoje. .
Sustav Frontier i dalje je najučinkovitije superračunalo na planetu. Ovo superračunalo prvi je računalni sustav u exascale svijetu, odnosno njegova brzina premašila je 1 exaflops. Sam Frontier nalazi se u Nacionalnom laboratoriju koji se nalazi u Oak Ridgeu, Tennessee, SAD. Ovo superračunalo trenutno je vodeće s HPL rezultatom (High Performance LINPACK - poseban test koji ocjenjuje sirovu izvedbu superračunala) od 1193 EFlopsa (exaflop je kvintilijun ili 1018 izračuni s pomičnim zarezom po sekundi).
Za usporedbu: brzina najjačeg čipa Apple M1 Ultra ima oko 21 teraflops (jedan trilijun FLOPS-a). Brojka je ogromna, to je činjenica. Začudo, davne 2002. godine postojalo je računalo koje je razvilo još veću brzinu - to je superračunalo Earth Simulator japanskog tehnološkog diva NEC Corporation. Njegova brzina bila je oko 36 teraflopsa!
Frontier koristi procesore AMD EPYC 64C 2GHz i temelji se na najnovijoj HPE Cray EX235a arhitekturi. Sastavljen je od 9408 AMD EPYC procesora i 37632 AMD Instinct MI250x akceleratora. Ukupno, sustav ima 8 procesora i grafičkih jezgri. Osim toga, Frontier ima impresivnu energetsku učinkovitost od 699 GFlops/watt i koristi HPE Slingshot 904 umrežavanje za prijenos podataka. Dakle, tijekom testova je u stanju proizvesti do 52,59 exaflops. Vrhunska izvedba dosegla je rekordnih 11 exaflopsa. Cijena uređaja procjenjuje se na 1,1 milijuna dolara.
Ovo je prvo i za sada jedino superračunalo na svijetu koje radi u flops modu. Frontier je postao vodeći prije godinu dana, ali nikome nije dopustio ni da posegne u njegovu poziciju na ljestvici iz lipnja 2023. godine. A do sada, početkom 2024. godine, američko superračunalo najproduktivnije je na svijetu.
Ali znanstvenici već sugeriraju da će možda nakon nekog vremena morati priznati superiornost još jednog američkog stroja: superračunala Aurora.
Prema najnovijem poretku, novo superračunalo Aurora s čipovima Intel Sapphire Rapids, koje radi u Argonne Leadership Computing Facility u Illinoisu, SAD, zauzima drugo mjesto s HPL performansama od 585,34 PFlops. Iako je ovo samo polovica performansi Frontierovog vodećeg superračunala, sustav Aurora još nije dovršen, a trenutno je u funkciji samo polovica planiranog konačnog sustava. Po završetku, predviđena izvedba Aurore vjerojatno će premašiti 2 EFlop-a. Superračunalo Aurora, koje je stvorio Intel, temelji se na HPE Cray EX arhitekturi - Intel Exascale Compute Blade, koristi Intel Xeon CPU Max Series procesore i Intel Data Center GPU Max Series akceleratore. Kao iu Frontieru, za prijenos podataka zadužena je mreža HPE Slinghot-11.
Treće najučinkovitije superračunalo je novi sustav temeljen na oblaku nazvan Eagle Microsoft Azure u SAD-u. Ovo je neka vrsta tehnološke zanimljivosti, budući da je Eagle superračunalo u oblaku, a treća pozicija na ljestvici Top500 najviša je ikad postignuta u sustavu u oblaku. Microsoft Eagle se može pohvaliti HPL performansama od 561,2 PFlops, računalno srce su Intel Xeon Platinum 8480C procesori i akceleratori NVIDIA H100.
Ovdje vrijedi spomenuti japansko superračunalo Fugaku, čije su performanse više od tri puta manje od Frontiera, te jedno od najproduktivnijih superračunala u prošlosti - LUMI. Iako Kinezi tek grade nešto moćno, sve je to u budućnosti.
Također zanimljivo: Tehnološke prognoze za 2024.: što očekivati?
Zašto nam treba tolika računalna snaga?
Možete se diviti učinkovitosti najbržih strojeva na Zemlji, ali performanse koje postižu ne odnose se na obaranje rekorda, već na postizanje željenih rezultata izračuna u najkraćem mogućem vremenu. Nijedan korisnik superračunala ne koristi taj stroj za pisanje e-pošte ili pripremu prezentacije. Bio bi užasan gubitak koristiti takve strojeve za obavljanje zadataka koje možemo obavljati na uređajima u našim domovima. Uostalom, računalni potencijal superračunala omogućuje izvođenje radnji koje nisu dostupne na običnim računalima.
O kojim zadacima govorimo? Prije svega o onima koji mogu donijeti stvarnu korist, a to nisu nužno oni koji se odmah mogu pretvoriti u novac. Vrijedno je podsjetiti da je samo oko 600 milijuna američkih dolara potrošeno na stvaranje Frontier superračunala. Naravno, značajni su i troškovi njegove upotrebe i tekućeg održavanja. Superračunalo zauzima površinu od 680 četvornih metara i troši 21 MW električne energije.
Frontier se, kao i druga superračunala, između ostalog koristi za zadaće kao što su klimatsko modeliranje, istraživanje i proizvodnja novih lijekova vitalnih za čovječanstvo, istraživanje novih materijalnih tehnologija itd. Naravno, opseg zadataka koje obavlja ova vrsta opreme je mnogo širi i uključuje, na primjer, analizu ogromnih skupova podataka raznih vrsta: financijskih, medicinskih, satelitskih slika, modeliranje fizikalnih fenomena i mnoge, mnoge druge. Činjenica da je Frontier prvo exascale superračunalo omogućuje mu obavljanje zadataka koji bi bili teški čak i na drugim superračunalima.
Primjer može biti modeliranje cijelog životnog ciklusa termonuklearnog reaktora. Da, ovo nije pogreška. U svijetu još ne postoji niti jedna fuzijska elektrana, ali Frontierova moćna računalna snaga u eksaskalnoj mjeri omogućuje simulaciju ponašanja hipotetskog fuzijskog reaktora i predviđanje ponašanja plazme u takvom reaktoru. Naravno, dok se termonuklearna energija ne komercijalizira, teško je razmišljati o koristima, ali nitko u svijetu ne sumnja da je računalna snaga koja će doprinijeti stvaranju i razvoju termonuklearne energije i spasiti cijelo čovječanstvo od nestašice energije vrijedna bilo čega. ulaganje.
Pročitajte također: Sve o Microsoft Kopilot: budućnost ili krivi put?
Superračunala i medicina
Jedna od primjena superračunala su složeni i energetski intenzivni proračuni vezani uz strukturu kemikalija i organskih spojeva. Pažljiva analiza ponašanja pojedinih tvari, koja je moguća zahvaljujući mogućnosti simulacije ponašanja danog spoja na vrlo preciznoj razini, alat je koji omogućuje razvoj novih, učinkovitijih lijekova.
Još 2020. godine, prije lansiranja superračunala Frontier, znanstvenici Nacionalnog laboratorija Oak Ridge, koji je tada imao superračunalo Summit (ovaj stroj je bio najučinkovitije superračunalo 2018., još uvijek je u uporabi, i na 7. mjestu s učinkovitošću od 148,8 PFlops) iskoristili su ga za razvoj nove vrste lijeka protiv raka. Pokazalo se da je novi lijek oko 10% bolji, učinkovitiji u liječenju od prethodno korištenih sredstava. Naravno, 10% nije puno, ali recite to pacijentima koji su zahvaljujući toj "maloj" razlici uspjeli spasiti svoje živote. Ljudski život je, naravno, neprocjenjiv, ali svaki lijek veće učinkovitosti može uštedjeti ogromna sredstva zdravstvenom sustavu i smanjiti troškove liječenja. Ovdje Frontier može dobro doći. Njegove mogućnosti mnogo su veće od istog superračunala Summit.
Pročitajte također:
- Apple Vision Pro je najrevolucionarniji uređaj od iPhonea. Ali postoji nijansa ©
- Prebaciti na Apple MacBook Air s M2 procesorom: recenzija i moji dojmovi
Frontier i novi klimatski model
Modeliranje klime zahtijeva analizu i opravdanje modela tisućljetne povijesti Zemlje. Naravno, to je zadatak koji zahtijeva ogromnu količinu računalnih resursa. Što točnije možemo modelirati klimatske promjene i predvidjeti što će se dugoročno dogoditi, potrebna su nam brža i snažnija superračunala.
Mark Taylor iz Sandia National Laboratories, jedan od istraživača koji radi na prvim dugoročnim klimatskim predviđanjima u svijetu koristeći rastuće računalstvo, jednom je primijetio: "Jedinstvena računalna arhitektura Frontier superračunala omogućuje stvari koje prije nismo mogli." Odnosno, računalna snaga ovog stroja smanjuje izračun koji je prije trajao godinama na nekoliko dana. Istodobno, omogućuje istraživačima dobivanje detaljnih procjena dugoročnih učinaka klimatskih promjena i ekstremnih vremenskih uvjeta. "Ovo je novi zlatni standard za klimatsko modeliranje", dodaje Taylor.
Koje su prednosti? Jednostavno su ogromni. Sposobnost predviđanja katastrofalnih vremenskih promjena može spasiti desetke tisuća, a možda čak i milijune života. A analiza vjerojatnog utjecaja klimatskog zatopljenja na globalne i regionalne vodene cikluse omogućuje nam da se unaprijed pripremimo za buduće promjene. Moderni prostorni modeli postoje, ali su računalno izuzetno zahtjevni. Donedavno prezahtjevno. Da, oni nam omogućuju da teoretski predvidimo složenu interakciju između različitih elemenata koji čine ono što nazivamo vremenom ili klimom, na primjer, konvektivno kretanje koje prati stvaranje oblaka, ali tu je potrebno obraditi ogroman protok informacija i napraviti izračune nevjerojatne složenosti.
Prisutnost Frontier superračunala je to već promijenila. Projekt Energy Exascale Earth System Model (E3SM) nadilazi ove prepreke kombiniranjem novih softverskih pristupa s masivnim performansama u eksaskali. Sarath Sripathy, koautorica studije i koordinatorica projekta E3SM i koautorica modela atmosfere E3SM pod nazivom SCREAM, objašnjava: “Zajednica koja se bavi modeliranjem klime dugo je sanjala o pokretanju modela na kilometraži dovoljno brzim da olakšaju predviđanja duga desetljeća, a sada je to stvarnost.".
Drugim riječima, takav projekt bez Frontiera jednostavno bi propao zbog nedostatka količine podataka za obradu. No, valja napomenuti da nije važna samo osnovna računalna snaga, već i optimizacija samih modela. Peter Caldwell, klimatolog iz Nacionalnog laboratorija Lawrence Livermore, i njegov tim proveli su proteklih pet godina stvarajući novi model oblaka od nule. Učinkovito će raditi na grafičkim procesorima (GPU), koji su danas vrlo važna komponenta računalne snage modernih superračunala. Tu se može ubrojiti i zanimljiv vrhunski automobil u klasi.
Zamisliti. Prilagodba koda za rad na GPU-u dovela je do značajnog povećanja performansi. SCREAM može raditi na 8192 Frontier čvora za simulaciju globalnih formacija oblaka za koje je obično trebalo više od godinu dana (točnije 1,25 godina) u jednoj 24-satnoj sesiji računanja. Dugoročne simulacije koje obuhvaćaju 30-40 godina mogu se napraviti u Frontieru za nekoliko tjedana. Istraživači napominju da je ranije bilo gotovo nemoguće napraviti takve izračune. Ljudi koji žele saznati više o ovim studijama mogu upoznajte se s novom znanstvenom publikacijom Mark Taylor i njegov tim.
Također zanimljivo:
- Kako američka vojska prati Djeda Mraza
- Zabrana prodaje Apple Pogledajte u SAD-u: Svi detalji slučaja
- Pregled Lenovo Yoga Book 9i: konvertibilno prijenosno računalo s dva zaslona
Granice i materijalne tehnologije
Jedan zanimljiv projekt koji iskorištava exascale potencijal superračunala Frontier je rad u području tehnologije materijala. Ovo je jedna od najvećih ikada računalnih simulacija legure, koja je, zahvaljujući svojoj računskoj učinkovitosti, omogućila postizanje točnosti koja je dostigla gotovo kvantnu razinu. Ovo istraživanje, koje je proveo Vikram Gavini sa Sveučilišta u Michiganu, inovativno je po tome što koristi Schrödingerovu jednadžbu za modeliranje ponašanja različitih materijala. Frontierova ogromna računalna snaga omogućila mu je simulaciju sustava od legure magnezija koji se sastoji od 75 000 atoma.
Magnezijeve legure vrlo su zanimljiv materijal. Vrlo je lagan, au isto vrijeme jak. Međutim, legure magnezija osjetljive su na određene nedostatke, uglavnom dislokacije (tj. masivne nedostatke u kristalnoj strukturi materijala), koji dramatično mijenjaju njihova mehanička svojstva. Time se obećavajući materijal pretvara u komad neupotrebljivog metala, jer lako puca, krt je i nestabilan. Znanstvenici su uz pomoć Frontierove računalne snage uspjeli ispraviti neke od tih nedostataka u legurama magnezija. Ali ovo je tek početak teškog rada.
Također zanimljivo:
Budućnost superračunala?
Konvencionalna računala ne mogu riješiti izazove koje nam postavljaju neki znanstveni i tehnički problemi. Superračunala imaju puno više računalne snage, što im omogućuje izvođenje izračuna koji bi bili nemogući ili bi oduzimali previše vremena na običnim računalima. Stvaranjem superračunala znanstvenici nastoje proširiti granice našeg znanja i sposobnosti, kao i riješiti probleme koji mogu imati veliki stvarni utjecaj na našu budućnost.
Mooreov zakon kaže da se snaga računala eksponencijalno povećava. Svake dvije godine brzina izračuna se udvostručuje, inženjeri i znanstvenici uspijevaju pronaći rješenja za probleme koji su se prije smatrali nemogućima.
Jednog će dana superračunala postati uobičajena pojava. Uostalom, prije samo desetak godina koncepti poput virtualne stvarnosti, igara u oblaku i metasvemira postojali su samo u mašti nekolicine techno stručnjaka i geekova, a danas je to naša stvarnost. Buduća generacija neće morati ni informatičko se obrazovati i zaposliti u Googleu da bi iskoristila prednosti superračunala: ona će tiho i neprimjetno postati dio svakodnevice, poput pametnih telefona, prijenosnih računala i ostalih stvari.
Pročitajte također: