למה זה משמש? גבול, מחשב העל החזק והמהיר ביותר בעולם הפועל במעבדה הלאומית של Oak Ridge? ממודלים של כור לחיזוי אקלים.
לשאלה זו יש הקשר רחב יותר. הרבה פעמים שואלים אותי למה אנחנו בכלל בונים מכונות חזקות כל כך, אם לכל אחד מאיתנו יכול להיות מחשב? כמובן שמחשבי-על הם מכונות יקרות מאוד שצורכות כמות עצומה של אנרגיה, אבל מה שאנחנו מקבלים מהם הוא הרבה יותר יקר. היום אנסה להסביר זאת באמצעות הדוגמה של מחשב העל Frontier.
מעניין גם: היסטוריה של OpenAI: מה זה היה ומה צפוי לחברה
למה אנחנו צריכים מחשבי על?
בקיצור, מחשבי-על יכולים לעבד זרמי מידע עצומים. העולם שלנו משתנה במהירות רבה, האנושות יצרה מסד נתונים ענק שצריך לעבד, לנתח, לקבץ, לשמור, סוף סוף. זה יעזור לנו, למשל, להשיג תרופות חדשות, זולות ויעילות יותר, חומרים עמידים יותר, לחזות שינויי אקלים במשך עשרות שנים וכו'. מחשבי-על מאפשרים לנו ליצור מודל להתנהגות של עצמים שאנו הולכים לבנות, כמו כורי היתוך. ואלה רק כמה דוגמאות ליישום של מחשבי העל המהירים ביותר. כן, הם מאוד יקרים לייצור ולתחזוקה, אבל הם שווים את זה.
אבל בואו נתחיל עם הבסיס. מה זה בכלל מחשב על? אין הגדרה ברורה לכך עדיין. עם זאת, תכונה אופיינית של כל מחשב-על נוכחי היא כוח מחשוב גבוה מאוד. באינטרנט ניתן למצוא הגדרה פשוטה, לפיה מחשב-על הוא מכונה שיכולה להשיג ביצועי מחשוב של לפחות 1 טרה-פלופ, כלומר 1012 (טריליון) פעולות נקודה צפה בשנייה. זה הרבה בהשוואה למחשבים ביתיים רגילים.
אם מוקדם יותר מהירות המחשבים נמדדה ב-IPS (הוראות לשנייה), אז היה צריך להמציא יחידה חדשה עבור מחשבי-על - FLOPS, כלומר פעולות נקודה צפה בשנייה. ככל שמספר זה גבוה יותר, המחשב חזק יותר.
כמובן שגישה המבוססת על סף חישובי מסוים מתיישנת די מהר, שכן הביצועים של המעבדים שהם הליבה של המכונות הללו מתפתחים וגדלים כל הזמן. עם כל מהדורה של מעבדים חדשים, גם הפרודוקטיביות של מחשבים מודרניים עולה. עם זאת, בנייתם קשה מאוד ויקרה כלכלית.
קרא גם: פרויקט המוח האנושי: ניסיון לחקות את המוח האנושי
אילו מחשבי-על הם המהירים ביותר?
יש לנו את הנתונים העדכניים ביותר בנושא זה. בנובמבר 2023, אתר Top500.org, שפרסם בקביעות דירוגי ביצועים של המחשבים החזקים ביותר על פני כדור הארץ במשך שנים רבות, פרסם את המהדורה ה-62 העדכנית ביותר של דירוג Top500, המציגה את 500 מחשבי העל היעילים ביותר הקיימים כרגע .
מערכת Frontier היא עדיין מחשב העל היעיל ביותר על פני כדור הארץ. מחשב העל הזה הוא מערכת המחשוב הראשונה בעולם, כלומר, המהירות שלו עלתה על 1 exaflop. Frontier עצמה ממוקמת במעבדה הלאומית, אשר ממוקמת באוק רידג', טנסי, ארה"ב. מחשב העל הזה הוא המוביל הנוכחי עם ציון HPL (High Performance LINPACK - מבחן מיוחד שמעריך את הביצועים הגולמיים של מחשבי על) ב-1193 EFlops (exaflop הוא קווינטיליון, או 1018 חישובי נקודה צפה לשנייה).
לשם השוואה: המהירות של השבב החזק ביותר Apple ה-M1 Ultra הוא בערך 21 טרה-פלופים (טריליון FLOPS). המספר עצום, זו עובדה. למרבה ההפתעה, כבר ב-2002 היה מחשב שפיתח מהירות אפילו יותר גדולה - זהו מחשב העל Earth Simulator של ענקית הטכנולוגיה היפנית NEC Corporation. מהירותו הייתה כ-36 טרפלופים!
ה-Frontier משתמש במעבדי AMD EPYC 64C 2 GHz ומבוסס על ארכיטקטורת HPE Cray EX235a העדכנית ביותר. הוא מורכב מ-9408 מעבדי AMD EPYC ו-37632 מאיצי AMD Instinct MI250x. בסך הכל יש למערכת 8 ליבות מעבד וגרפיקה. בנוסף, ל-Frontier יש יעילות כוח מרשימה של 699 GFlops/watt ומשתמש ברשת HPE Slingshot 904 להעברת נתונים. אז, במהלך הבדיקות, הוא מסוגל לייצר עד 52,59 exaflops. שיא הביצועים הגיעו לשיא של 11 אקספפלופים. עלות המכשיר נאמדת ב-1,1 מיליון דולר.
זהו מחשב העל הראשון ועד כה היחיד בעולם שעובד במצב פלופ. Frontier הפכה למובילה לפני שנה, אבל לא אפשרה לאף אחד אפילו לפלוש למעמדה בדירוג יוני 2023. ועד כה, בתחילת 2024, מחשב העל האמריקאי הוא היצרני ביותר בעולם.
אבל מדענים כבר מציעים שאולי לאחר זמן מה הוא יצטרך להודות בעליונותה של מכונה אמריקאית אחרת: מחשב העל אורורה.
לפי הדירוג האחרון, מחשב העל החדש של Aurora עם שבבי Intel Sapphire Rapids, הפועל ב-Argonne Leadership Computing Facility באילינוי, ארה"ב, מדורג במקום השני עם ביצועי HPL של 585,34 PFlops. למרות שמדובר רק במחצית מהביצועים של מחשב העל של Frontier, מערכת Aurora עדיין לא הושלמה, ורק מחצית מהמערכת הסופית המתוכננת פועלת כעת. בסיום, הביצועים החזויים של Aurora צפויים לעלות על 2 EFlops. מחשב העל Aurora, שנוצר על ידי אינטל, מבוסס על ארכיטקטורת HPE Cray EX - Intel Exascale Compute Blade, משתמש במעבדי Intel Xeon CPU Max Series ובמאיצים מסדרת Intel Data Center GPU Max. כמו ב-Frontier, רשת HPE Slinghot-11 אחראית על העברת הנתונים.
מחשב העל השלישי ביעילותו הוא מערכת חדשה מבוססת ענן בשם Eagle Microsoft תכלת בארה"ב. זוהי קוריוז טכנולוגי מסוג מסוים, שכן איגל הוא מחשב-על בענן, והמיקום השלישי בדירוג Top500 הוא הגבוה ביותר שהושגה אי פעם על ידי מערכת ענן. Microsoft Eagle מתגאה בביצועי HPL של 561,2 PFlops, לב המחשוב הוא המעבדים והמאיצים של Intel Xeon Platinum 8480C NVIDIA H100.
כאן המקום להזכיר את מחשב העל היפני Fugaku, שביצועיו פחות מפי שלושה מ-Frontier, ואת אחד ממחשבי העל הפרודוקטיביים ביותר בעבר - LUMI. למרות שהסינים עדיין בונים משהו חזק, הכל בעתיד.
מעניין גם: תחזיות טכנולוגיות לשנת 2024: למה לצפות?
למה אנחנו צריכים כל כך הרבה כוח מחשוב?
אתם אולי מתפעלים מהיעילות של המכונות המהירות ביותר על פני כדור הארץ, אבל הביצועים שהם משיגים הם לא על שבירת שיאים, אלא על השגת תוצאות החישוב הרצויות בזמן הקצר ביותר. אף משתמש במחשב-על לא משתמש במכונה הזו כדי לכתוב מייל או להכין מצגת. זה יהיה בזבוז נורא להשתמש במכונות כאלה כדי לבצע משימות שאנחנו יכולים לבצע במכשירים בבתים שלנו. הרי הפוטנציאל החישובי של מחשבי-על מאפשר לבצע פעולות שאינן זמינות במחשבים רגילים.
על איזה משימות אנחנו מדברים? קודם כל על אלה שיכולים להביא תועלת אמיתית, ואלה לא בהכרח כאלה שאפשר להמיר מיידית בכסף. כדאי לזכור שרק כ-600 מיליון דולר הוצאו על יצירת מחשב העל Frontier. כמובן שגם השימוש בו ועלויות התחזוקה השוטפות משמעותיות. מחשב העל תופס שטח של 680 מ"ר וצורך 21 מגוואט חשמל.
Frontier, כמו מחשבי-על אחרים, משמש, בין היתר, למשימות כגון מודל אקלים, מחקר וייצור של תרופות חדשות חיוניות לאנושות, מחקר של טכנולוגיות חומר חדשות וכו'. כמובן שהיקף המשימות שמבצע סוג זה של ציוד רחב הרבה יותר וכולל, למשל, ניתוח של מערכי נתונים עצומים מסוגים שונים: פיננסיים, רפואיים, תמונות לוויין, מידול של תופעות פיזיקליות ועוד רבים, רבים אחרים. העובדה ש-Frontier הוא מחשב העל הראשון בקנה מידה גדול מאפשרת לו לבצע משימות שיהיו קשות אפילו במחשבי על אחרים.
דוגמה יכולה להיות המודל של כל מחזור החיים של כור תרמו-גרעיני. כן, זו לא טעות. אין עדיין תחנת כוח היתוך אחת בעולם, אבל כוח המחשוב החזק של Frontier מאפשר לדמות התנהגות של כור היתוך היפותטי ולחזות את התנהגות הפלזמה בכור כזה. כמובן שעד שלא ממוסחרים אנרגיה תרמו-גרעינית, קשה לחשוב על היתרונות, אבל אף אחד בעולם לא מטיל ספק בכך שכוח המחשוב שיתרום ליצירה ופיתוח של אנרגיה תרמו-גרעינית ותציל את האנושות כולה ממחסור באנרגיה שווה משהו. הַשׁקָעָה.
קרא גם: הכול על Microsoft טייס משנה: העתיד או הדרך הלא נכונה?
מחשבי על ורפואה
אחד היישומים של מחשבי-על הוא חישובים מורכבים ועתירי אנרגיה הקשורים למבנה של כימיקלים ותרכובות אורגניות. הניתוח המדוקדק של התנהגותם של חומרים בודדים, המתאפשר בשל היכולת לדמות התנהגות של תרכובת נתונה ברמה מאוד מדויקת, הוא כלי המאפשר פיתוח תרופות חדשות ויעילות יותר.
עוד בשנת 2020, לפני השקת מחשב העל Frontier, מדענים במעבדה הלאומית Oak Ridge, שבה היה אז מחשב העל Summit (מכונה זו הייתה מחשב העל היעיל ביותר בשנת 2018, היא עדיין בשימוש, ומדורגת 7 עם יעילות של 148,8 PFlops) השתמשו בו כדי לפתח סוג חדש של תרופה לסרטן. התרופה החדשה התבררה כטובה יותר בכ-10%, יעילה יותר בטיפול מהאמצעים שהיו בעבר. כמובן ש-10% זה לא כל כך הרבה, אבל ספרו את זה לחולים שהצליחו להציל את חייהם בזכות ההפרש ה"קטן" הזה. חיי אדם הם, כמובן, יקר מפז, אבל כל תרופה בעלת יעילות גבוהה יותר יכולה לחסוך משאבים אדירים למערכת הבריאות ולהפחית את עלויות הטיפול. זה המקום שבו Frontier יכול להיות שימושי. היכולות שלו גבוהות בהרבה מזו של אותו מחשב-על Summit.
קרא גם:
- Apple Vision Pro הוא המכשיר המהפכני ביותר מאז האייפון. אבל יש ניואנס ©
- לעבור ל Apple MacBook Air עם מעבד M2: סקירה והתרשמות שלי
Frontier ומודל האקלים החדש
מודל אקלים דורש ניתוח והצדקה של המודל של ההיסטוריה של המילניום של כדור הארץ. כמובן שזו משימה שדורשת כמות עצומה של משאבי מחשוב. ככל שנוכל לדגמן בצורה מדויקת יותר את שינויי האקלים ולחזות מה יקרה בטווח הארוך, כך אנו זקוקים למחשבי-על מהירים וחזקים יותר.
מארק טיילור ממעבדות Sandia National Laboratories, אחד החוקרים שעבדו על תחזיות האקלים ארוכות הטווח הראשונות בעולם באמצעות מחשוב מתקדם, ציין פעם: "ארכיטקטורת המחשוב הייחודית של מחשב העל Frontier מאפשרת דברים שלא יכולנו לעשות קודם לכן". כלומר, כוח המחשוב של המכונה הזו מפחית חישוב שלקח שנים עד כמה ימים. במקביל, היא מאפשרת לחוקרים לקבל הערכות מפורטות לגבי ההשפעות ארוכות הטווח של שינויי אקלים ותנאי מזג אוויר קיצוניים. "זהו תקן הזהב החדש לדוגמנות אקלים", מוסיף טיילור.
מה הם היתרונות? הם פשוט ענקיים. היכולת לחזות שינויי מזג אוויר קטסטרופליים יכולה להציל עשרות אלפי, ואולי אפילו מיליוני, חיים. וניתוח ההשפעה הסבירה של התחממות האקלים על מחזורי המים העולמיים והאזוריים מאפשר לנו להתכונן מראש לשינויים עתידיים. קיימים מודלים מרחביים מודרניים, אך הם תובעניים ביותר מבחינה חישובית. עד לאחרונה, תובעני מדי. כן, הם מאפשרים לנו לחזות תיאורטית את האינטראקציה המורכבת בין האלמנטים השונים המרכיבים את מה שאנו מכנים מזג אוויר או אקלים, למשל, תנועת ההסעה המלווה את היווצרותם של עננים, אבל שם יש צורך לעבד זרימה אדירה של מידע ולעשות חישובים בעלי מורכבות מדהימה.
הנוכחות של מחשב העל Frontier כבר שינתה את זה. פרויקט Energy Exascale Earth System Model (E3SM) מתגבר על מכשולים אלה על ידי שילוב של גישות תוכנה חדשות עם ביצועים מסיביים בקנה מידה גדול. Sarath Sripathy, מחברת שותפה של המחקר ומתאמת פרויקט E3SM ומחברת שותפה של מודל האווירה של E3SM שנקרא SCREAM, מסבירה: "קהילת דוגמנות האקלים חלמה זמן רב להפעיל מודלים בקנה מידה של קילומטרים מהר מספיק כדי לאפשר תחזיות ארוכות של עשרות שנים, ועכשיו זה מציאות"..
במילים אחרות, פרויקט כזה ללא Frontier פשוט ייכשל בגלל חוסר בנפחי עיבוד נתונים. עם זאת, ראוי לציין כי לא רק כוח המחשוב הבסיסי חשוב, אלא גם האופטימיזציה של המודלים עצמם. פיטר קאלדוול, אקלימטולוג במעבדה הלאומית של לורנס ליברמור, והצוות שלו בילו את חמש השנים האחרונות בבניית מודל ענן חדש מאפס. זה יעבוד ביעילות על מעבדים גרפיים (GPUs), שהם היום מרכיב חשוב מאוד בכוח המחשוב של מחשבי-על מודרניים. ניתן לכלול כאן גם מכונית מובילה מעניינת במעמד שלה.
לדמיין. התאמת הקוד להפעלה על GPUs הובילה לעלייה משמעותית בביצועים. SCREAM יכול לפעול על 8192 צמתים של Frontier כדי לדמות תצורות ענן גלובליות שלרוב נמשכו יותר משנה (1,25 שנים ליתר דיוק) בהפעלת מחשוב אחת של 24 שעות. סימולציות ארוכות טווח המשתרעות על פני 30-40 שנה יכולות להיעשות ב-Frontier תוך מספר שבועות. החוקרים מציינים שבעבר זה היה כמעט בלתי אפשרי לבצע חישובים כאלה. אנשים שמעוניינים ללמוד יותר על לימודים אלה יכולים להכיר את הפרסום המדעי החדש מארק טיילור והצוות שלו.
מעניין גם:
- איך צבא ארה"ב עוקב אחר סנטה קלאוס
- איסור מכירה Apple צפו בארה"ב: כל פרטי המקרה
- סקירה Lenovo Yoga Book 9i: מחשב נייד להמרה עם שני צגים
טכנולוגיות חזית וחומר
פרויקט מעניין אחד שמנצל את הפוטנציאל המוגזם של מחשב העל Frontier הוא עבודה בתחום טכנולוגיית החומרים. זוהי אחת ההדמיות החישוביות הגדולות ביותר אי פעם של סגסוגת, אשר הודות ליעילות החישובית שלה, אפשרה להגיע לרמת דיוק כמעט קוונטית. מחקר זה, שנערך על ידי Vikram Gavini מאוניברסיטת מישיגן, הוא חדשני בכך שהוא משתמש במשוואה של שרדינגר למודל התנהגות של חומרים שונים. כוח המחשוב האדיר של Frontier אפשר לה לדמות מערכת סגסוגת מגנזיום המורכבת מ-75 אטומים.
סגסוגות מגנזיום הן חומר מעניין מאוד. זה קל מאוד ובו בזמן חזק. עם זאת, סגסוגות מגנזיום רגישות לפגמים מסוימים, בעיקר נקעים (כלומר, פגמים מסיביים במבנה הגבישי של החומר), אשר משנים באופן דרמטי את תכונותיהם המכניות. זה הופך חומר מבטיח לפיסת מתכת בלתי שמישה, מכיוון שהוא נסדק בקלות, הוא שביר ולא יציב. מדענים בעזרת כוח המחשוב של Frontier הצליחו לתקן חלק מהפגמים הללו בסגסוגות מגנזיום. אבל זו רק ההתחלה של עבודה קשה.
מעניין גם:
העתיד של מחשבי העל?
מחשבים קונבנציונליים אינם יכולים לפתור את האתגרים שכמה בעיות מדעיות וטכניות מציבות בפנינו. למחשבי-על יש הרבה יותר כוח מחשוב, מה שמאפשר להם לבצע חישובים בלתי אפשריים או שייקחו יותר מדי זמן במחשבים רגילים. על ידי יצירת מחשבי על, מדענים שואפים להרחיב את גבולות הידע והיכולות שלנו, כמו גם לפתור בעיות שיכולות להיות להן השפעה אמיתית עצומה על עתידנו.
חוק מור קובע כי כוחם של מחשבים גדל באופן אקספוננציאלי. מדי שנתיים, מהירות החישובים מכפילה את עצמה, מהנדסים ומדענים מצליחים למצוא פתרונות לבעיות שבעבר נחשבו בלתי אפשריות.
יום אחד, מחשבי העל יהפכו לדבר שבשגרה. אחרי הכל, רק לפני עשר שנים מושגים כמו מציאות מדומה, משחקי ענן ומטא-יקום היו קיימים רק בדמיונם של כמה מומחי טכנו וגיקים, והיום זו המציאות שלנו. דור העתיד אפילו לא יצטרך לקבל השכלת IT ולקבל עבודה בגוגל כדי לנצל את מחשבי העל: הם יהפכו בשקט ובאופן בלתי מורגש לחלק מחיי היומיום, ממש כמו סמארטפונים, מחשבים ניידים ודברים אחרים.
קרא גם:
