何に使われますか? フロンティア、オークリッジ国立研究所で稼働している世界で最も強力で最速のスーパーコンピューター?原子炉のモデリングから気候予測まで。
この質問にはより広い文脈があります。誰もがコンピュータを所有できるのに、なぜこのような強力なマシンを構築するのかとよく尋ねられます。もちろん、スーパーコンピューターは膨大なエネルギーを消費する非常に高価なマシンですが、そこから得られるものははるかに価値があります。今日はFrontierスーパーコンピューターを例にして説明してみます。
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なぜスーパーコンピューターが必要なのでしょうか?
つまり、スーパーコンピューターは膨大な情報ストリームを処理できます。私たちの世界は急速に変化しており、人類は最終的に処理、分析、グループ化、保存する必要がある巨大なデータベースを作成しました。これは、たとえば、新しく、より安く、より効果的な医薬品、より耐久性のある材料を入手したり、数十年にわたる気候変動を予測したりするのに役立ちます。スーパーコンピューターを使用すると、核融合炉など、これから構築するオブジェクトの動作をモデル化できます。これらは、最速のスーパーコンピューターの応用例のほんの一部にすぎません。はい、製造と維持には非常に費用がかかりますが、それだけの価値はあります。
しかし、基本から始めましょう。そもそもスーパーコンピューターとは何でしょうか？これについてはまだ明確な定義はありません。ただし、現在稼働しているスーパーコンピューターの特徴は、非常に高い計算能力です。簡略化された定義はインターネットで見つけることができます。それによると、スーパーコンピューターは少なくとも 1 テラフロップスの計算パフォーマンスを達成できるマシンです。 つまり1012 1 秒あたり (兆) 回の浮動小数点演算。これは一般的な家庭用コンピュータと比較すると非常に多いです。
以前にコンピューターの速度が IPS (1 秒あたりの命令数) で測定されていた場合、スーパーコンピューター用に新しい単位、FLOPS、つまり 1 秒あたりの浮動小数点演算を発明する必要がありました。この数値が大きいほど、コンピュータの性能が高くなります。
もちろん、これらのマシンの中核であるプロセッサのパフォーマンスは常に進化し、成長しているため、特定の計算しきい値に基づくアプローチはすぐに時代遅れになります。新しいプロセッサがリリースされるたびに、最新のコンピュータの生産性も向上しています。しかし、それらを構築するのは非常に難しく、経済的にも高価です。
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どのスーパーコンピューターが最も速いですか?
この問題に関する最新のデータがあります。 2023 年 500 月、長年にわたって地球上で最も強力なコンピューターのパフォーマンス評価を定期的に公開してきた Top62.org Web サイトは、現時点で存在する最も効率的なスーパーコンピューター 500 台を示す Top500 ランキングの最新版、第 版を公開しました。 。
フロンティア システムは、依然として地球上で最も効率的なスーパーコンピューターです。このスーパーコンピュータは世界初のエクサスケールコンピューティングシステムであり、その速度は1エクサフロップスを超えています。フロンティア自体は、米国テネシー州オークリッジにある国立研究所にあります。このスーパーコンピューターは、HPL スコア (High Performance LINPACK - スーパーコンピューターの実際のパフォーマンスを評価する特別なテスト) で 1193 EFlops (エクサフロップスは 10 京、または ) を記録し、現在のリーダーです。18 1 秒あたりの浮動小数点計算)。
比較のために: 最も強力なチップの速度 Apple M1 Ultra は約 21 テラフロップス (2002 兆 FLOPS) です。その数は膨大です、それは事実です。驚くべきことに、36 年にはさらに高速なコンピュータが存在しました。これは、日本のテクノロジー大手 NEC の地球シミュレータ スーパーコンピュータです。その速度は約 テラフロップスでした。
Frontier は AMD EPYC 64C 2GHz プロセッサを使用し、最新の HPE Cray EX235a アーキテクチャに基づいています。 9408 個の AMD EPYC プロセッサーと 37632 個の AMD Instinct MI250x アクセラレーターで組み立てられています。合計で、システムには 8 個のプロセッサー コアとグラフィックス コアが搭載されています。さらに、Frontier は 699 GFlops/ワットという優れた電力効率を備え、データ転送に HPE Slingshot 904 ネットワークを使用します。したがって、テスト中は最大 52,59 エクサフロップスを生成できます。ピークパフォーマンスは 11 エクサフロップスという記録に達しました。この装置の価格は1,1億ドルと推定されている。
これは、フロップス モードで動作する世界で最初で今のところ唯一のスーパーコンピューターです。フロンティアは2023年前にリーダーとなったが、2024年月のランキングでは誰にもその地位を侵食させることさえできなかった。そして、 年初頭の時点で、米国のスーパーコンピューターが世界で最も生産性が高いのです。
しかし、科学者たちは、おそらくしばらくしたら、別のアメリカのマシンであるオーロラ・スーパーコンピューターの優位性を認めなければならないだろう、とすでに示唆している。
最新のランキングによると、米国イリノイ州のアルゴンヌ・リーダーシップ・コンピューティング施設で稼働しているIntel Sapphire Rapidsチップを搭載した新しいAuroraスーパーコンピューターが、585,34PFlopsのHPLパフォーマンスで2位となった。これはフロンティアの主力スーパーコンピューターの性能の半分にすぎませんが、Aurora システムはまだ完成しておらず、計画されている最終システムの半分しか現在稼働していません。完成すると、Aurora の予測パフォーマンスは EFlops を超える可能性があります。 Intel によって作成された Aurora スーパーコンピューターは、HPE Cray EX アーキテクチャ - Intel Exascale Compute に基づいています。 Blade、インテル Xeon CPU Max シリーズ プロセッサーとインテル データセンター GPU Max シリーズ アクセラレータを使用します。 Frontier と同様に、HPE Slinghot-11 ネットワークがデータ転送を担当します。
3 番目に効率的なスーパーコンピューターは、Eagle と呼ばれる新しいクラウドベースのシステムです Microsoft アメリカではアズール。 Eagle はクラウド スーパーコンピューターであり、Top500 ランキングの 位はクラウド システムによってこれまでに達成された最高位であるため、これは技術的に興味深いものです。 Microsoft Eagle は 561,2 PFlops の HPL パフォーマンスを誇り、コンピューティングの心臓部は Intel Xeon Platinum 8480C プロセッサーとアクセラレータです NVIDIA H100。
ここで言及する価値があるのは、性能がフロンティアの 3 倍以上低い日本のスーパーコンピューター「富岳」と、過去で最も生産性の高いスーパーコンピューターの 1 つである LUMI です。中国はまだ強力なものを構築しているが、それはすべて将来のことだ。
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なぜこれほど多くのコンピューティング能力が必要なのでしょうか?
地球上で最速のマシンの効率に感心するかもしれませんが、マシンが達成するパフォーマンスは記録を破ることではなく、必要な計算結果を可能な限り最短の時間で得ることです。スーパーコンピューターのユーザーは、電子メールを書いたり、プレゼンテーションを準備したりするためにそのマシンを使用することはありません。家庭にあるデバイスで実行できるタスクをそのようなマシンで実行するのは、非常に無駄です。結局のところ、スーパーコンピューターの計算能力により、通常のコンピューターでは実行できないアクションを実行できます。
どのようなタスクについて話しているのでしょうか?まず、実益をもたらすものについてですが、これは必ずしもすぐにお金に換算できるものではありません。 Frontier スーパーコンピューターの開発に費やされたのはわずか約 600 億米ドルであったことを思い出してください。もちろん、その使用と継続的なメンテナンスのコストも莫大です。スーパーコンピューターは680平方メートルの面積を占め、21MWの電力を消費します。
Frontier は、他のスーパーコンピューターと同様、気候モデリング、人類にとって不可欠な新薬の研究と生産、新材料技術の研究などのタスクに使用されます。もちろん、このタイプの機器によって実行されるタスクの範囲ははるかに広く、たとえば、金融、医療、衛星画像、物理現象のモデリングなど、さまざまな種類の巨大なデータセットの分析が含まれます。 Frontier は最初のエクサスケール スーパーコンピューターであるため、他のスーパーコンピューターでも困難なタスクを実行できます。
例としては、熱核融合炉のライフサイクル全体のモデル化が挙げられます。はい、これはエラーではありません。世界にはまだ核融合発電所は 1 つもありませんが、フロンティアの強力なエクサスケール コンピューティング能力により、仮想核融合炉の挙動をシミュレートし、その炉内でのプラズマの挙動を予測することが可能になります。もちろん、熱核エネルギーが商業化されるまでは、その利点について考えるのは困難ですが、熱核エネルギーの創造と開発に貢献し、全人類をエネルギー不足から救う計算能力が価値があることを疑う人は世界中の誰もいません。投資。
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スーパーコンピューターと医学
スーパーコンピューターの用途の 1 つは、化学物質や有機化合物の構造に関連する複雑でエネルギーを大量に消費する計算です。特定の化合物の挙動を非常に正確なレベルでシミュレートできるため、個々の物質の挙動を注意深く分析することが可能となり、より効果的な新薬の開発を可能にするツールとなります。
2020 年に遡ると、フロンティア スーパーコンピューターが発売される前のオークリッジ国立研究所の科学者たちは、当時サミット スーパーコンピューターを持っていました (このマシンは 2018 年に最も効率的なスーパーコンピューターであり、現在も使用されており、効率が 7 位にランクされています)。 148,8 PFlops) は、新しいタイプの抗がん剤の開発にそれを使用しました。この新薬は、以前に使用されていた手段よりも治療効果が約10％高く、より効果的であることが判明した。もちろん、10％は大したことではありませんが、その「わずかな」差のおかげで命を救った患者さんには、そのことを伝えてください。もちろん人の命はかけがえのないものですが、より効果の高い薬は医療システムの膨大なリソースを節約し、治療費を削減することができます。ここでフロンティアが役に立ちます。その機能は、同じ Summit スーパーコンピューターよりもはるかに優れています。
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フロンティアと新しい気候モデル
気候モデリングには、地球の千年の歴史のモデルの分析と正当化が必要です。もちろん、これは大量のコンピューティング リソースを必要とするタスクです。気候変動をより正確にモデル化し、長期的に何が起こるかを予測できるようになればなるほど、より高速で強力なスーパーコンピューターが必要になります。
エスカレート コンピューティングを使用した世界初の長期気候予測に取り組んでいる研究者の 1 人、サンディア国立研究所のマーク テイラー氏は、かつてこう述べました。「フロンティア スーパーコンピューターの独自のコンピューティング アーキテクチャにより、以前はできなかったことを可能にする」。つまり、このマシンの計算能力により、これまで数年かかっていた計算が数日に短縮されます。同時に、研究者は気候変動や異常気象の長期的な影響についての詳細な推定値を得ることができます。 「これは気候モデリングの新しいゴールドスタンダードです」とテイラー氏は付け加えた。
メリットは何ですか?ただ巨大なのです。壊滅的な気象変化を予測する能力は、何万人、場合によっては何百万人もの命を救うことができます。そして、気候温暖化が地球規模および地域の水循環に与える可能性のある影響を分析することで、将来の変化に事前に備えることが可能になります。最新の空間モデルは存在しますが、計算量が非常に多くなります。最近までは要求が厳しすぎました。はい、それらにより、私たちが天気や気候と呼ぶものを構成するさまざまな要素間の複雑な相互作用、たとえば雲の形成に伴う対流の動きを理論的に予測することができますが、そこでは膨大な情報の流れを処理する必要がありますそして信じられないほど複雑な計算を行います。
フロンティア スーパーコンピューターの存在はすでにそれを変えました。 Energy Exascale Earth System Model (E3SM) プロジェクトは、新しいソフトウェア アプローチと大規模なエクサスケール パフォーマンスを組み合わせることで、これらの障害を克服します。研究の共著者であり、E3SM プロジェクトのコーディネーターであり、SCREAM と呼ばれる E3SM 大気モデルの共著者である Sarath Sripathy 氏は次のように説明しています。気候モデリングのコミュニティは、数十年にわたる予測を容易にするのに十分な速度でキロメートルスケールのモデルを実行することを長い間夢見てきましたが、現在それが現実となっています。」.
つまり、フロンティアのないこのようなプロジェクトは、データ処理量の不足により失敗するだけです。ただし、基本的なコンピューティング能力だけでなく、モデル自体の最適化も重要であることに注意してください。ローレンス・リバモア国立研究所の気候学者ピーター・コールドウェル氏と彼のチームは、過去 5 年間をかけて新しいクラウド モデルをゼロから構築してきました。これは、今日のスーパーコンピューターの計算能力の非常に重要なコンポーネントであるグラフィックス プロセッサ (GPU) 上で効率的に動作します。このクラスの興味深いトップカーもここに含まれます。
想像する。 GPU で実行するようにコードを適応させることで、パフォーマンスが大幅に向上しました。 SCREAM は 8192 個のフロンティア ノードで実行でき、単一の 1,25 時間のコンピューティング セッションで通常 24 年以上 (正確には 30 年) かかるグローバル クラウドの形成をシミュレートできます。 Frontier では、40 ～ 年にわたる長期シミュレーションを数週間で実行できます。研究者らは、以前はそのような計算を行うことはほとんど不可能だったと指摘しています。これらの研究についてさらに詳しく知りたい人は、 新しい科学出版物を知る マーク・テイラーと彼のチーム。
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フロンティア技術と材料技術
Frontier スーパーコンピューターのエクサスケールの可能性を活用した興味深いプロジェクトの 75 つは、材料技術の分野での研究です。これは、合金に関するこれまでで最大規模の計算シミュレーションの 000 つであり、その計算効率のおかげで、ほぼ量子レベルに達する精度を達成することができました。ミシガン大学の Vikram Gavini によって行われたこの研究は、シュレディンガー方程式を使用してさまざまな材料の挙動をモデル化するという点で革新的です。 Frontier の膨大な計算能力により、 個の原子からなるマグネシウム合金系をシミュレートすることができました。
マグネシウム合金は非常に興味深い材料です。非常に軽いと同時に強いです。ただし、マグネシウム合金は特定の欠陥、主に転位 (つまり、材料の結晶構造における大量の欠陥) の影響を受けやすく、その機械的特性が劇的に変化します。これにより、有望な材料が、割れやすく、脆く、不安定なため、使用不可能な金属になってしまいます。科学者たちはフロンティアの計算能力の助けを借りて、マグネシウム合金のこれらの欠陥の一部を修正することに成功しました。しかし、これは努力の始まりにすぎません。
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スーパーコンピューターの未来は？
従来のコンピューターでは、科学的および技術的な問題が私たちにもたらす課題を解決できません。スーパーコンピューターははるかに優れた計算能力を備えているため、通常のコンピューターでは不可能な、または時間がかかりすぎる計算を実行できます。スーパーコンピューターを作成することで、科学者は私たちの知識と能力の限界を拡大し、私たちの将来に大きな実際の影響を与える可能性のある問題を解決しようと努めています。
ムーアの法則によれば、コンピューターの能力は指数関数的に増加します。 2 年ごとに計算速度が 2 倍になり、エンジニアや科学者は以前は不可能だと考えられていた問題の解決策を見つけることができます。
いつかスーパーコンピューターが普及する日が来るでしょう。結局のところ、ほんの 10 年前には、仮想現実、クラウド ゲーム、メタユニバースなどの概念は、少数のテクノ専門家やマニアの想像の中にのみ存在していましたが、今日ではそれが私たちの現実となっています。将来の世代は、スーパーコンピューターを利用するために IT 教育を受けたり、Google に就職したりする必要さえなくなります。スーパーコンピューターは、スマートフォンやラップトップなどと同じように、静かに、そして気づかれないうちに日常生活の一部になるでしょう。
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