Hva brukes den til? Frontier, verdens kraftigste og raskeste superdatamaskin som opererer ved Oak Ridge National Laboratory? Fra reaktormodellering til klimavarsling.
Dette spørsmålet har en bredere kontekst. Jeg blir ofte spurt om hvorfor vi i det hele tatt bygger så kraftige maskiner, hvis hver av oss kan ha en datamaskin? Selvfølgelig er superdatamaskiner veldig dyre maskiner som bruker enormt mye energi, men det vi får fra dem er mye mer verdifullt. I dag vil jeg prøve å forklare det ved å bruke eksemplet med Frontier-superdatamaskinen.
Også interessant: Historien til OpenAI: Hva det var og hva som ligger foran selskapet
Hvorfor trenger vi superdatamaskiner?
Kort sagt, superdatamaskiner kan behandle enorme strømmer av informasjon. Verden vår endrer seg veldig raskt, menneskeheten har laget en enorm database som må behandles, analyseres, grupperes, lagres, endelig. Dette vil hjelpe oss til for eksempel å få nye, billigere og mer effektive medisiner, mer holdbare materialer, forutsi klimaendringer i flere tiår osv. Superdatamaskiner lar oss modellere oppførselen til objekter vi skal bygge, for eksempel fusjonsreaktorer. Og dette er bare noen eksempler på bruken av de raskeste superdatamaskinene. Ja, de er veldig dyre å produsere og vedlikeholde, men de er verdt det.
Men la oss starte med det grunnleggende. Hva er en superdatamaskin? Det er ingen klar definisjon av dette ennå. Et karakteristisk trekk ved hver nåværende superdatamaskin er imidlertid svært høy datakraft. En forenklet definisjon finnes på Internett, ifølge hvilken en superdatamaskin er en maskin som kan oppnå en dataytelse på minst 1 teraflops, dvs. 1012 (trillioner) flyttalloperasjoner per sekund. Dette er mye sammenlignet med vanlige hjemmedatamaskiner.
Hvis hastigheten til datamaskiner tidligere ble målt i IPS (instruksjoner per sekund), måtte en ny enhet oppfinnes for superdatamaskiner - FLOPS, dvs. flytepunktoperasjoner per sekund. Jo høyere dette tallet er, desto kraftigere er datamaskinen.
Selvfølgelig blir en tilnærming basert på en viss beregningsterskel ganske raskt utdatert, ettersom ytelsen til prosessorene som er kjernen i disse maskinene er i stadig utvikling og vekst. Med hver utgivelse av nye prosessorer øker også ytelsen til moderne datamaskiner. Å bygge dem er imidlertid svært vanskelig og økonomisk dyrt.
Les også: Human Brain Project: Et forsøk på å imitere den menneskelige hjernen
Hvilke superdatamaskiner er de raskeste?
Vi har de siste dataene om dette problemet. I november 2023 publiserte nettstedet Top500.org, som jevnlig har publisert ytelsesvurderinger av de kraftigste datamaskinene på jorden i mange år, den siste, 62. utgaven av Top500-rangeringen, som presenterer de 500 mest effektive superdatamaskinene som eksisterer for øyeblikket .
Frontier-systemet er fortsatt den mest effektive superdatamaskinen på planeten. Denne superdatamaskinen er verdens første exascale databehandlingssystem, det vil si at hastigheten oversteg 1 exaflops. Selve Frontier ligger ved National Laboratory, som ligger i Oak Ridge, Tennessee, USA. Denne superdatamaskinen er den nåværende lederen med en HPL-score (High Performance LINPACK – en spesiell test som evaluerer råytelsen til superdatamaskiner) på 1193 EFlops (en exaflop er en kvintillion, eller 1018 flytepunktberegninger per sekund).
Til sammenligning: hastigheten til den kraftigste brikken Apple M1 Ultra er omtrent 21 teraflops (en billion FLOPS). Tallet er enormt, det er et faktum. Overraskende nok, tilbake i 2002 var det en datamaskin som utviklet en enda høyere hastighet - dette er Earth Simulator-superdatamaskinen til den japanske teknologigiganten NEC Corporation. Hastigheten var omtrent 36 teraflops!
Frontier bruker AMD EPYC 64C 2GHz-prosessorer og er basert på den nyeste HPE Cray EX235a-arkitekturen. Den er satt sammen av 9408 AMD EPYC-prosessorer og 37632 AMD Instinct MI250x-akseleratorer. Totalt har systemet 8 699 904 prosessor- og grafikkjerner. I tillegg har Frontier en imponerende strømeffektivitet på 52,59 GFlops/watt og bruker HPE Slingshot 11-nettverket for dataoverføring. Så under testene er den i stand til å produsere opptil 1,1 exaflops. Maksimal ytelse nådde en rekord på 1,686 eksaflops. Kostnaden for enheten er estimert til 600 millioner dollar.
Dette er den første og så langt den eneste superdatamaskinen i verden som fungerer i floppmodus. Frontier ble lederen for et år siden, men tillot ikke noen å gjøre inngrep i posisjonen i juni 2023-rangeringen. Og så langt, i begynnelsen av 2024, er den amerikanske superdatamaskinen den mest produktive i verden.
Men forskere antyder allerede at han kanskje etter en tid må innrømme overlegenheten til en annen amerikansk maskin: Aurora-superdatamaskinen.
I følge den siste rangeringen er den nye Aurora-superdatamaskinen med Intel Sapphire Rapids-brikker, som kjører på Argonne Leadership Computing Facility i Illinois, USA, på andreplass med en HPL-ytelse på 585,34 PFlops. Selv om dette bare er halvparten av ytelsen til Frontiers flaggskipsuperdatamaskin, er Aurora-systemet ennå ikke komplett, og bare halvparten av det planlagte endelige systemet er for øyeblikket i drift. Etter fullføring vil Auroras forventede ytelse sannsynligvis overstige 2 EFlops. Aurora-superdatamaskinen, laget av Intel, er basert på HPE Cray EX-arkitekturen - Intel Exascale Compute Blade, bruker Intel Xeon CPU Max Series-prosessorer og Intel Data Center GPU Max Series-akseleratorer. Som i Frontier er HPE Slinghot-11-nettverket ansvarlig for dataoverføring.
Den tredje mest effektive superdatamaskinen er et nytt skybasert system kalt Eagle Microsoft Azure i USA. Dette er en slags teknologisk kuriositet, ettersom Eagle er en skysuperdatamaskin, og den tredje posisjonen i Top500-rangeringen er den høyeste som noen gang er oppnådd av et skysystem. Microsoft Eagle kan skryte av HPL-ytelse på 561,2 PFlops, datahjertet er Intel Xeon Platinum 8480C-prosessorer og akseleratorer NVIDIA H100.
Her er det verdt å nevne den japanske superdatamaskinen Fugaku, hvis ytelse er mer enn tre ganger mindre enn Frontier, og en av de mest produktive superdatamaskinene i fortiden - LUMI. Selv om kineserne fortsatt bygger noe kraftig, er alt i fremtiden.
Også interessant: Teknologiske prognoser for 2024: hva kan du forvente?
Hvorfor trenger vi så mye datakraft?
Du kan beundre effektiviteten til de raskeste maskinene på jorden, men ytelsen de oppnår handler ikke om å slå rekorder, men om å få de ønskede beregningsresultatene på kortest mulig tid. Ingen superdatamaskinbruker bruker den maskinen til å skrive en e-post eller forberede en presentasjon. Det ville være forferdelig bortkastet å bruke slike maskiner til å utføre oppgaver som vi kan utføre på enheter i hjemmene våre. Tross alt lar beregningspotensialet til superdatamaskiner deg utføre handlinger som ikke er tilgjengelige på vanlige datamaskiner.
Hvilke oppgaver snakker vi om? Først av alt, om de som kan gi reell fordel, og disse er ikke nødvendigvis de som umiddelbart kan konverteres til penger. Det er verdt å minne om at bare rundt 600 millioner amerikanske dollar ble brukt på opprettelsen av Frontier-superdatamaskinen. Selvfølgelig er bruken og de løpende vedlikeholdskostnadene også betydelige. Superdatamaskinen opptar et område på 680 kvadratmeter og bruker 21 MW strøm.
Frontier, som andre superdatamaskiner, brukes blant annet til oppgaver som klimamodellering, forskning og produksjon av nye medisiner som er livsviktige for menneskeheten, forskning på nye materialteknologier mv. Selvfølgelig er omfanget av oppgaver utført av denne typen utstyr mye bredere og inkluderer for eksempel analyse av enorme datasett av forskjellige typer: økonomiske, medisinske, satellittbilder, modellering av fysiske fenomener og mange, mange andre. Det faktum at Frontier er den første exascale superdatamaskinen gjør at den kan utføre oppgaver som ville være vanskelige selv på andre superdatamaskiner.
Et eksempel kan være modellering av hele livssyklusen til en termonukleær reaktor. Ja, dette er ikke en feil. Det er ikke et eneste fusjonskraftverk i verden ennå, men Frontiers kraftige eksaskala datakraft gjør det mulig å simulere oppførselen til en hypotetisk fusjonsreaktor og forutsi oppførselen til plasmaet i en slik reaktor. Selvsagt, før termonukleær energi er kommersialisert, er det vanskelig å tenke på fordelene, men ingen i verden tviler på at datakraften som vil bidra til å skape og utvikle termonukleær energi og redde hele menneskeheten fra energimangel er verdt noe som helst. investering.
Les også: Alt om Microsoft Copilot: fremtiden eller feil vei?
Superdatamaskiner og medisin
En av applikasjonene til superdatamaskiner er komplekse og energikrevende beregninger knyttet til strukturen til kjemikalier og organiske forbindelser. Den nøye analysen av oppførselen til individuelle stoffer, som er mulig på grunn av evnen til å simulere oppførselen til en gitt forbindelse på et veldig presist nivå, er et verktøy som tillater utvikling av nye, mer effektive medisiner.
Tilbake i 2020, før lanseringen av Frontier-superdatamaskinen, ble forskere ved Oak Ridge National Laboratory, som da hadde Summit-superdatamaskinen (denne maskinen var den mest effektive superdatamaskinen i 2018, den er fortsatt i bruk, og rangert som 7 med en effektivitet på 148,8 PFlops) brukte det til å utvikle en ny type kreftmedisin. Det nye stoffet viste seg å være omtrent 10 % bedre, mer effektivt i behandling enn tidligere brukte midler. 10% er selvfølgelig ikke så mye, men fortell det til pasientene som klarte å redde livet takket være den "lille" forskjellen. Menneskeliv er selvfølgelig uvurderlig, men ethvert medikament med høyere effekt kan spare enorme ressurser for helsevesenet og redusere behandlingskostnadene. Det er her Frontier kan komme godt med. Dens evner er mye høyere enn den samme Summit-superdatamaskinen.
Les også:
- Apple Vision Pro er den mest revolusjonerende enheten siden iPhone. Men det er en nyanse ©
- Bytte til Apple MacBook Air med M2-prosessor: anmeldelse og mine inntrykk
Frontier og den nye klimamodellen
Klimamodellering krever analyse og begrunnelse av modellen for jordens tusenårige historie. Selvfølgelig er dette en oppgave som krever en enorm mengde dataressurser. Jo mer nøyaktig vi kan modellere klimaendringer og forutsi hva som vil skje på lang sikt, jo raskere og kraftigere superdatamaskiner trenger vi.
Mark Taylor fra Sandia National Laboratories, en av forskerne som jobber med verdens første langsiktige klimaspådommer ved bruk av eskalerende databehandling, sa en gang: "Den unike dataarkitekturen til Frontier-superdatamaskinen muliggjør ting vi ikke kunne gjøre før." Det vil si at datakraften til denne maskinen reduserer en beregning som pleide å ta år til noen få dager. Samtidig gir det forskere mulighet til å få detaljerte vurderinger av langtidsvirkningene av klimaendringer og ekstreme værforhold. "Dette er den nye gullstandarden for klimamodellering," legger Taylor til.
Hva er fordelene? De er rett og slett enorme. Evnen til å forutsi katastrofale værendringer kan redde titusener, og kanskje til og med millioner, liv. Og analysen av den sannsynlige effekten av klimaoppvarming på globale og regionale vannsykluser lar oss forberede oss på fremtidige endringer. Moderne romlige modeller finnes, men de er ekstremt beregningskrevende. Inntil nylig, for krevende. Ja, de lar oss teoretisk forutsi det komplekse samspillet mellom de ulike elementene som utgjør det vi kaller vær eller klima, for eksempel den konvektive bevegelsen som følger med dannelsen av skyer, men der er det nødvendig å behandle en enorm strøm av informasjon og gjør beregninger av utrolig kompleksitet.
Tilstedeværelsen av Frontier-superdatamaskinen har allerede endret det. Energy Exascale Earth System Model (E3SM)-prosjektet overvinner disse hindringene ved å kombinere nye programvaretilnærminger med massiv exascale-ytelse. Sarath Sripathy, medforfatter av studien og koordinator for E3SM-prosjektet og medforfatter av E3SM-atmosfæremodellen kalt SCREAM, forklarer: “Klimamodellsamfunnet har lenge drømt om å kjøre modeller i kilometerskala raskt nok til å legge til rette for tiår lange spådommer, og nå er det en realitet.".
Med andre ord, et slikt prosjekt uten Frontier ville rett og slett mislykkes på grunn av mangel på databehandlingsvolumer. Det er imidlertid verdt å merke seg at ikke bare den grunnleggende datakraften er viktig, men også optimaliseringen av selve modellene. Peter Caldwell, en klimatolog ved Lawrence Livermore National Laboratory, og teamet hans har brukt de siste fem årene på å bygge en ny skymodell fra bunnen av. Den vil fungere effektivt på grafikkprosessorer (GPUer), som i dag er en svært viktig komponent i datakraften til moderne superdatamaskiner. En interessant toppbil i sin klasse kan også inkluderes her.
Forestill deg. Å tilpasse koden for å kjøre på GPUer har ført til en betydelig økning i ytelsen. SCREAM kan kjøre på 8192 1,25 Frontier-noder for å simulere globale skyformasjoner som vanligvis tok mer enn ett år (24 år for å være nøyaktig) i en enkelt 30-timers dataøkt. Langsiktige simuleringer som strekker seg over 40-XNUMX år kan gjøres på Frontier i løpet av noen uker. Forskerne bemerker at det tidligere var nesten umulig å gjøre slike beregninger. Folk som er interessert i å lære mer om disse studiene kan bli kjent med den nye vitenskapelige publikasjonen Mark Taylor og teamet hans.
Også interessant:
- Hvordan den amerikanske hæren sporer julenissen
- Forbud mot salg Apple Se i USA: Alle detaljene i saken
- Anmeldelse Lenovo Yoga Book 9i: en konvertibel bærbar PC med to skjermer
Frontier og materialteknologier
Et interessant prosjekt som utnytter det eksaskala potensialet til Frontier-superdatamaskinen er arbeid innen materialteknologi. Dette er en av de største beregningssimuleringene noensinne av en legering, som takket være beregningseffektiviteten har gjort det mulig å oppnå nøyaktighet på nesten kvantenivå. Denne forskningen, utført av Vikram Gavini fra University of Michigan, er nyskapende ved at den bruker Schrödingers ligning for å modellere oppførselen til forskjellige materialer. Frontiers enorme datakraft tillot den å simulere et magnesiumlegeringssystem bestående av 75 000 atomer.
Magnesiumlegeringer er et veldig interessant materiale. Den er veldig lett og samtidig sterk. Imidlertid er magnesiumlegeringer følsomme for visse defekter, hovedsakelig dislokasjoner (dvs. massive defekter i krystallstrukturen til materialet), som dramatisk endrer deres mekaniske egenskaper. Dette gjør et lovende materiale til et stykke ubrukelig metall, fordi det sprekker lett, er sprøtt og ustabilt. Forskere ved hjelp av Frontiers datakraft klarte å rette opp noen av disse defektene i magnesiumlegeringer. Men dette er bare begynnelsen på hardt arbeid.
Også interessant:
Fremtiden til superdatamaskiner?
Konvensjonelle datamaskiner kan ikke løse utfordringene som noen vitenskapelige og tekniske problemer gir oss. Superdatamaskiner har mye mer datakraft, slik at de kan utføre beregninger som ville være umulige eller ta for mye tid på vanlige datamaskiner. Ved å lage superdatamaskiner streber forskere etter å utvide grensene for vår kunnskap og evner, samt løse problemer som kan ha en enorm reell innvirkning på fremtiden vår.
Moores lov sier at kraften til datamaskiner øker eksponentielt. Hvert annet år dobles hastigheten på beregninger, ingeniører og forskere klarer å finne løsninger på problemer som tidligere ble ansett som umulige.
En dag vil superdatamaskiner bli vanlig. Tross alt, for bare ti år siden eksisterte konsepter som virtuell virkelighet, skyspill og metaunivers bare i fantasien til noen få teknoeksperter og geeks, og i dag er det vår virkelighet. Fremtidens generasjon vil ikke engang måtte ta IT-utdanning og få jobb hos Google for å dra nytte av superdatamaskiner: de vil stille og umerkelig bli en del av hverdagen, akkurat som smarttelefoner, bærbare datamaskiner og andre ting.
Les også: