Waar wordt het voor gebruikt? Grens, 's werelds krachtigste en snelste supercomputer die in het Oak Ridge National Laboratory draait? Van reactormodellering tot klimaatvoorspelling.
Deze vraag heeft een bredere context. Er wordt mij vaak gevraagd waarom we überhaupt zulke krachtige machines bouwen, als ieder van ons een computer kan hebben? Natuurlijk zijn supercomputers hele dure machines die enorm veel energie verbruiken, maar wat we ervan krijgen is veel waardevoller. Vandaag zal ik proberen het uit te leggen aan de hand van het voorbeeld van de Frontier-supercomputer.
Ook interessant: Geschiedenis van OpenAI: wat het was en wat ons te wachten staat
Waarom hebben we supercomputers nodig?
Kortom, supercomputers kunnen enorme informatiestromen verwerken. Onze wereld verandert zeer snel, de mensheid heeft een enorme database gecreëerd die uiteindelijk moet worden verwerkt, geanalyseerd, gegroepeerd en opgeslagen. Dit zal ons bijvoorbeeld helpen nieuwe, goedkopere en effectievere medicijnen te krijgen, duurzamere materialen, klimaatveranderingen voor tientallen jaren te voorspellen, enz. Met supercomputers kunnen we het gedrag modelleren van objecten die we gaan bouwen, zoals fusiereactoren. En dit zijn slechts enkele voorbeelden van de toepassing van de snelste supercomputers. Ja, ze zijn erg duur om te produceren en te onderhouden, maar ze zijn het waard.
Maar laten we beginnen met de basis. Wat is een supercomputer eigenlijk? Hier bestaat nog geen duidelijke definitie van. Een karakteristiek kenmerk van elke momenteel werkende supercomputer is echter een zeer hoge rekenkracht. Op internet is een vereenvoudigde definitie te vinden, volgens welke een supercomputer een machine is die een rekenprestatie van minimaal 1 teraflops kan behalen, d.w.z. 1012 (biljoen) drijvende-kommabewerkingen per seconde. Dit is veel vergeleken met gewone homecomputers.
Als eerder de snelheid van computers werd gemeten in IPS (instructies per seconde), dan moest er een nieuwe eenheid worden uitgevonden voor supercomputers: FLOPS, d.w.z. drijvende-kommabewerkingen per seconde. Hoe hoger dit getal, hoe krachtiger de computer.
Natuurlijk raakt een aanpak die gebaseerd is op een bepaalde rekendrempel vrij snel achterhaald, omdat de prestaties van de processors die de kern van deze machines vormen voortdurend evolueren en groeien. Met elke release van nieuwe processors neemt ook de productiviteit van moderne computers toe. Het bouwen ervan is echter erg moeilijk en financieel kostbaar.
Lees ook: Human Brain Project: een poging om het menselijk brein te imiteren
Welke supercomputers zijn het snelst?
Wij beschikken over de meest recente gegevens over dit onderwerp. In november 2023 publiceerde de website Top500.org, die al jaren regelmatig prestatiebeoordelingen publiceert van de krachtigste computers op aarde, de nieuwste, 62e editie van de Top500-ranglijst, die de 500 meest efficiënte supercomputers presenteert die momenteel bestaan. .
Het Frontier-systeem is nog steeds de meest efficiënte supercomputer ter wereld. Deze supercomputer is 's werelds eerste exaschaalcomputersysteem, dat wil zeggen dat de snelheid groter is dan 1 exaflops. Frontier zelf bevindt zich in het National Laboratory, gelegen in Oak Ridge, Tennessee, VS. Deze supercomputer is de huidige leider met een HPL-score (High Performance LINPACK - een speciale test die de ruwe prestaties van supercomputers evalueert) van 1193 EFlops (een exaflop is een quintillion, of 1018 drijvende-kommaberekeningen per seconde).
Ter vergelijking: de snelheid van de krachtigste chip Apple De M1 Ultra is ongeveer 21 teraflops (één biljoen FLOPS). Het aantal is enorm, dat is een feit. Verrassend genoeg was er in 2002 een computer die een nog grotere snelheid ontwikkelde: dit is de Earth Simulator-supercomputer van de Japanse technologiegigant NEC Corporation. De snelheid was ongeveer 36 teraflops!
De Frontier maakt gebruik van AMD EPYC 64C 2GHz-processors en is gebaseerd op de nieuwste HPE Cray EX235a-architectuur. Het is samengesteld uit 9408 AMD EPYC-processors en 37632 AMD Instinct MI250x-accelerators. In totaal heeft het systeem 8 processor- en grafische kernen. Bovendien heeft de Frontier een indrukwekkende energie-efficiëntie van 699 GFlops/watt en maakt hij gebruik van HPE Slingshot 904-netwerken voor gegevensoverdracht. Tijdens de tests kan het dus maximaal 52,59 exaflops produceren. De piekprestaties bereikten een record van 11 exaflops. De kosten van het apparaat worden geschat op $1,1 miljoen.
Dit is de eerste en tot nu toe enige supercomputer ter wereld die in flopmodus werkt. Frontier werd een jaar geleden leider, maar liet niemand toe om zelfs maar inbreuk te maken op zijn positie op de ranglijst van juni 2023. En tot nu toe, begin 2024, is de Amerikaanse supercomputer de meest productieve ter wereld.
Maar wetenschappers suggereren nu al dat hij misschien na enige tijd de superioriteit van een andere Amerikaanse machine zal moeten toegeven: de Aurora-supercomputer.
Volgens de laatste ranglijst staat de nieuwe Aurora-supercomputer met Intel Sapphire Rapids-chips, die draait bij de Argonne Leadership Computing Facility in Illinois, VS, op de tweede plaats met een HPL-prestatie van 585,34 PFlops. Hoewel dit slechts de helft is van de prestaties van Frontier's vlaggenschip-supercomputer, is het Aurora-systeem nog niet voltooid en is momenteel slechts de helft van het geplande definitieve systeem operationeel. Na voltooiing zullen de voorspelde prestaties van Aurora waarschijnlijk meer dan 2 EFlops bedragen. De Aurora-supercomputer, gemaakt door Intel, is gebaseerd op de HPE Cray EX-architectuur - Intel Exascale Compute Blade, maakt gebruik van Intel Xeon CPU Max Series-processors en Intel Data Center GPU Max Series-accelerators. Net als bij Frontier is het HPE Slinghot-11-netwerk verantwoordelijk voor de gegevensoverdracht.
De derde meest efficiënte supercomputer is een nieuw cloudgebaseerd systeem genaamd Eagle Microsoft Azure in de VS. Dit is een soort technologische curiositeit, aangezien Eagle een cloud-supercomputer is en de derde positie in de Top500-ranglijst de hoogste is die ooit door een cloudsysteem is behaald. Microsoft Eagle beschikt over HPL-prestaties van 561,2 PFlops, het computerhart bestaat uit Intel Xeon Platinum 8480C-processors en -accelerators NVIDIA H100.
Hier is het de moeite waard om de Japanse supercomputer Fugaku te vermelden, wiens prestaties meer dan drie keer minder zijn dan die van Frontier, en een van de meest productieve supercomputers in het verleden: LUMI. Hoewel de Chinezen nog steeds iets krachtigs aan het bouwen zijn, ligt het allemaal in de toekomst.
Ook interessant: Technologische prognoses voor 2024: wat kunt u verwachten?
Waarom hebben we zoveel rekenkracht nodig?
Je bewondert misschien de efficiëntie van de snelste machines op aarde, maar de prestaties die ze bereiken gaan niet over het breken van records, maar over het verkrijgen van de gewenste rekenresultaten in de kortst mogelijke tijd. Geen enkele supercomputergebruiker gebruikt die machine om een e-mail te schrijven of een presentatie voor te bereiden. Het zou een vreselijke verspilling zijn om dergelijke machines te gebruiken om taken uit te voeren die we ook op apparaten thuis kunnen uitvoeren. Dankzij het rekenpotentieel van supercomputers kun je immers acties uitvoeren die op gewone computers niet mogelijk zijn.
Over welke taken hebben we het? In de eerste plaats over degenen die echt voordeel kunnen opleveren, en dit zijn niet noodzakelijkerwijs degenen die onmiddellijk in geld kunnen worden omgezet. Het is de moeite waard eraan te herinneren dat er slechts ongeveer 600 miljoen dollar werd uitgegeven aan de creatie van de Frontier-supercomputer. Uiteraard zijn ook de gebruikskosten en de lopende onderhoudskosten aanzienlijk. De supercomputer beslaat een oppervlakte van 680 vierkante meter en verbruikt 21 MW elektriciteit.
Frontier wordt, net als andere supercomputers, onder meer gebruikt voor taken als klimaatmodellering, onderzoek en productie van nieuwe medicijnen die van vitaal belang zijn voor de mensheid, onderzoek naar nieuwe materiaaltechnologieën, enz. Natuurlijk is de reikwijdte van de taken die door dit soort apparatuur worden uitgevoerd veel breder en omvat bijvoorbeeld de analyse van enorme datasets van verschillende typen: financiële, medische, satellietbeelden, modellering van fysieke verschijnselen en vele, vele andere. Het feit dat Frontier de eerste exaschaal-supercomputer is, stelt hem in staat taken uit te voeren die zelfs op andere supercomputers moeilijk zouden zijn.
Een voorbeeld kan het modelleren van de gehele levenscyclus van een thermonucleaire reactor zijn. Ja, dit is geen fout. Er bestaat nog geen enkele fusiecentrale ter wereld, maar de krachtige exascale rekenkracht van Frontier maakt het mogelijk om het gedrag van een hypothetische fusiereactor te simuleren en het gedrag van het plasma in zo’n reactor te voorspellen. Natuurlijk is het moeilijk om na te denken over de voordelen totdat thermonucleaire energie gecommercialiseerd is, maar niemand ter wereld twijfelt eraan dat de rekenkracht die zal bijdragen aan de creatie en ontwikkeling van thermonucleaire energie en de hele mensheid zal redden van energietekorten de moeite waard is. investering.
Lees ook: Alles over Microsoft Copiloot: de toekomst of de verkeerde kant op?
Supercomputers en medicijnen
Een van de toepassingen van supercomputers zijn complexe en energie-intensieve berekeningen met betrekking tot de structuur van chemicaliën en organische verbindingen. De zorgvuldige analyse van het gedrag van individuele stoffen, die mogelijk is dankzij het vermogen om het gedrag van een bepaalde verbinding op een zeer nauwkeurig niveau te simuleren, is een hulpmiddel dat de ontwikkeling van nieuwe, effectievere medicijnen mogelijk maakt.
In 2020, vóór de lancering van de Frontier-supercomputer, hebben wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory, dat toen de Summit-supercomputer had (deze machine was de meest efficiënte supercomputer in 2018, is nog steeds in gebruik en staat op de 7e plaats met een efficiëntie van 148,8 PFlops) gebruikte het om een nieuw type kankermedicijn te ontwikkelen. Het nieuwe medicijn bleek ongeveer 10% beter en effectiever in de behandeling dan eerder gebruikte middelen. Natuurlijk is 10% niet zo veel, maar vertel dat eens aan de patiënten die dankzij dat ‘kleine’ verschil hun leven hebben weten te redden. Het menselijk leven is uiteraard van onschatbare waarde, maar elk medicijn met een hogere werkzaamheid kan enorme middelen besparen voor het gezondheidszorgsysteem en de behandelingskosten verlagen. Dit is waar Frontier van pas kan komen. De mogelijkheden zijn veel groter dan die van dezelfde Summit-supercomputer.
Lees ook:
- Apple Vision Pro is het meest revolutionaire toestel sinds de iPhone. Maar er is een nuance ©
- Overschakelen naar Apple MacBook Air met M2-processor: review en mijn indrukken
Frontier en het nieuwe klimaatmodel
Klimaatmodellering vereist analyse en rechtvaardiging van het model van de duizendjarige geschiedenis van de aarde. Dit is natuurlijk een taak die een enorme hoeveelheid computerbronnen vereist. Hoe nauwkeuriger we de klimaatverandering kunnen modelleren en kunnen voorspellen wat er op de lange termijn zal gebeuren, hoe snellere en krachtigere supercomputers we nodig hebben.
Mark Taylor van Sandia National Laboratories, een van de onderzoekers die werkt aan 's werelds eerste klimaatvoorspellingen voor de lange termijn met behulp van escalerend computergebruik, merkte ooit op: "De unieke computerarchitectuur van de Frontier-supercomputer maakt dingen mogelijk die we voorheen niet konden doen." Dat wil zeggen dat de rekenkracht van deze machine een berekening die vroeger jaren in beslag nam, reduceert tot een paar dagen. Tegelijkertijd stelt het onderzoekers in staat gedetailleerde schattingen te verkrijgen van de langetermijneffecten van klimaatverandering en extreme weersomstandigheden. "Dit is de nieuwe gouden standaard voor klimaatmodellering", voegt Taylor toe.
Wat zijn de voordelen? Ze zijn gewoon enorm. Het vermogen om catastrofale weersveranderingen te voorspellen kan tienduizenden en misschien zelfs miljoenen levens redden. En de analyse van de waarschijnlijke impact van de opwarming van het klimaat op de mondiale en regionale watercycli stelt ons in staat ons van tevoren voor te bereiden op toekomstige veranderingen. Er bestaan moderne ruimtelijke modellen, maar deze zijn qua rekenkracht extreem veeleisend. Tot voor kort te veeleisend. Ja, ze stellen ons in staat om theoretisch de complexe interactie te voorspellen tussen de verschillende elementen die deel uitmaken van wat we weer of klimaat noemen, bijvoorbeeld de convectieve beweging die gepaard gaat met de vorming van wolken, maar daar is het noodzakelijk om een enorme stroom aan informatie te verwerken en berekeningen maken van ongelooflijke complexiteit.
De aanwezigheid van de Frontier-supercomputer heeft daar al verandering in gebracht. Het Energy Exascale Earth System Model (E3SM)-project overwint deze obstakels door nieuwe softwarebenaderingen te combineren met enorme exaschaalprestaties. Sarath Sripathy, co-auteur van de studie en coördinator van het E3SM-project en co-auteur van het E3SM-atmosfeermodel genaamd SCREAM, legt uit: “De gemeenschap voor klimaatmodellen droomt er al lang van om modellen op kilometerschaal snel genoeg uit te voeren om decennialange voorspellingen mogelijk te maken, en nu is het werkelijkheid.".
Met andere woorden: een dergelijk project zonder Frontier zou simpelweg mislukken vanwege een gebrek aan dataverwerkingsvolumes. Het is echter vermeldenswaard dat niet alleen de basisrekenkracht belangrijk is, maar ook de optimalisatie van de modellen zelf. Peter Caldwell, klimatoloog bij het Lawrence Livermore National Laboratory, en zijn team hebben de afgelopen vijf jaar een nieuw wolkenmodel vanaf het begin opgebouwd. Het zal efficiënt werken op grafische processors (GPU's), die tegenwoordig een zeer belangrijk onderdeel vormen van de rekenkracht van moderne supercomputers. Ook een interessante topauto in zijn klasse kan hier opgenomen worden.
Voorstellen. Het aanpassen van de code zodat deze op GPU's kan worden uitgevoerd, heeft geleid tot een aanzienlijke prestatieverbetering. SCREAM kan op 8192 Frontier-nodes draaien om mondiale wolkenformaties te simuleren die doorgaans meer dan een jaar (1,25 jaar om precies te zijn) in beslag namen in één enkele computersessie van 24 uur. Langetermijnsimulaties over een periode van 30 tot 40 jaar kunnen bij Frontier binnen enkele weken worden uitgevoerd. De onderzoekers merken op dat het voorheen vrijwel onmogelijk was om dergelijke berekeningen te maken. Mensen die geïnteresseerd zijn om meer over deze onderzoeken te weten te komen, kunnen dat doen maak kennis met de nieuwe wetenschappelijke publicatie Mark Taylor en zijn team.
Ook interessant:
- Hoe het Amerikaanse leger de Kerstman opspoort
- Verbod op verkoop Apple Bekijk in de VS: alle details van de zaak
- Opnieuw bekijken Lenovo Yoga Book 9i: een converteerbare laptop met twee beeldschermen
Grens- en materiaaltechnologieën
Een interessant project dat voordeel haalt uit het exaschaalpotentieel van de Frontier-supercomputer is werk op het gebied van materiaaltechnologie. Dit is een van de grootste computationele simulaties ooit van een legering, die dankzij de rekenefficiëntie het mogelijk maakte een nauwkeurigheid te bereiken die bijna een kwantumniveau bereikte. Dit onderzoek, uitgevoerd door Vikram Gavini van de Universiteit van Michigan, is innovatief omdat het de vergelijking van Schrödinger gebruikt om het gedrag van verschillende materialen te modelleren. Dankzij de enorme rekenkracht van Frontier kon het een magnesiumlegeringssysteem simuleren dat uit 75 atomen bestond.
Magnesiumlegeringen zijn een zeer interessant materiaal. Het is heel licht en tegelijkertijd sterk. Magnesiumlegeringen zijn echter gevoelig voor bepaalde defecten, voornamelijk dislocaties (dat wil zeggen enorme defecten in de kristalstructuur van het materiaal), die hun mechanische eigenschappen dramatisch veranderen. Hierdoor wordt een veelbelovend materiaal een stuk onbruikbaar metaal, omdat het gemakkelijk scheurt, bros en onstabiel is. Wetenschappers zijn er met behulp van de rekenkracht van Frontier in geslaagd enkele van deze defecten in magnesiumlegeringen te corrigeren. Maar dit is nog maar het begin van hard werken.
Ook interessant:
De toekomst van supercomputers?
Conventionele computers kunnen de uitdagingen die sommige wetenschappelijke en technische problemen voor ons met zich meebrengen niet oplossen. Supercomputers hebben veel meer rekenkracht, waardoor ze berekeningen kunnen uitvoeren die op gewone computers onmogelijk zouden zijn of te veel tijd zouden kosten. Door supercomputers te creëren streven wetenschappers ernaar de grenzen van onze kennis en mogelijkheden te verleggen en problemen op te lossen die een enorme reële impact op onze toekomst kunnen hebben.
De wet van Moore stelt dat de kracht van computers exponentieel toeneemt. Elke twee jaar verdubbelt de snelheid van berekeningen, ingenieurs en wetenschappers slagen erin oplossingen te vinden voor problemen die voorheen als onmogelijk werden beschouwd.
Op een dag zullen supercomputers gemeengoed worden. Nog maar tien jaar geleden bestonden concepten als virtual reality, cloudgames en metauniverse immers alleen in de verbeelding van een paar techno-experts en nerds, en vandaag is het onze realiteit. De toekomstige generatie hoeft niet eens een IT-opleiding te volgen en een baan bij Google te zoeken om te profiteren van supercomputers: ze zullen stilletjes en onmerkbaar onderdeel worden van het dagelijks leven, net als smartphones, laptops en andere dingen.
Lees ook: