Pentru ce este folosit? Frontieră, cel mai puternic și mai rapid supercomputer din lume care funcționează la Laboratorul Național Oak Ridge? De la modelarea reactoarelor la prognoza climatică.
Această întrebare are un context mai larg. Sunt adesea întrebat de ce construim mașini atât de puternice, dacă fiecare dintre noi poate avea un computer? Desigur, supercalculatoarele sunt mașini foarte scumpe care consumă o cantitate imensă de energie, dar ceea ce obținem de la ele este mult mai valoros. Astăzi voi încerca să explic folosind exemplul supercomputerului Frontier.
Interesant de asemenea: Istoria OpenAI: Ce a fost și ce urmează pentru companie
De ce avem nevoie de supercalculatoare?
Pe scurt, supercalculatoarele pot procesa fluxuri uriașe de informații. Lumea noastră se schimbă foarte rapid, omenirea a creat o bază de date uriașă care trebuie procesată, analizată, grupată, salvată, în sfârșit. Acest lucru ne va ajuta, de exemplu, să obținem medicamente noi, mai ieftine și mai eficiente, materiale mai durabile, să anticipăm schimbările climatice timp de decenii etc. Supercalculatoarele ne permit să modelăm comportamentul obiectelor pe care urmează să le construim, cum ar fi reactoarele de fuziune. Și acestea sunt doar câteva exemple de aplicare a celor mai rapide supercomputere. Da, sunt foarte scumpe de fabricat și întreținut, dar merită.
Dar să începem cu elementele de bază. Oricum, ce este un supercomputer? Nu există încă o definiție clară a acestui lucru. Cu toate acestea, o trăsătură caracteristică a fiecărui supercomputer care funcționează în prezent este puterea de calcul foarte mare. O definiție simplificată poate fi găsită pe Internet, conform căreia un supercomputer este o mașină care poate atinge o performanță de calcul de cel puțin 1 teraflops, adică 1012 (trilioane) operații în virgulă mobilă pe secundă. Acest lucru este mult în comparație cu computerele obișnuite de acasă.
Dacă mai devreme viteza computerelor era măsurată în IPS (instrucțiuni pe secundă), atunci a trebuit inventată o nouă unitate pentru supercalculatoare - FLOPS, adică operații în virgulă mobilă pe secundă. Cu cât acest număr este mai mare, cu atât computerul este mai puternic.
Desigur, o abordare bazată pe un anumit prag de calcul devine destul de repede învechită, deoarece performanța procesoarelor care sunt nucleul acestor mașini evoluează și crește constant. Cu fiecare lansare de noi procesoare, productivitatea computerelor moderne crește și ea. Cu toate acestea, construirea lor este foarte dificilă și costisitoare din punct de vedere financiar.
Citeste si: Human Brain Project: O încercare de a imita creierul uman
Care supercalculatoare sunt cele mai rapide?
Avem cele mai recente date despre această problemă. În noiembrie 2023, site-ul Top500.org, care a publicat în mod regulat evaluări de performanță ale celor mai puternice computere de pe Pământ de mulți ani, a publicat cea mai recentă, a 62-a ediție a clasamentului Top500, care prezintă cele 500 de supercomputere cele mai eficiente existente în acest moment. .
Sistemul Frontier este încă cel mai eficient supercomputer de pe planetă. Acest supercomputer este primul sistem de calcul exascale din lume, adică viteza lui a depășit 1 exaflops. Frontier în sine este situat la Laboratorul Național, care este situat în Oak Ridge, Tennessee, SUA. Acest supercomputer este liderul actual cu un scor HPL (High Performance LINPACK - un test special care evaluează performanța brută a supercalculatoarelor) la 1193 EFlop (un exaflop este un quintilion, sau 10).18 calcule în virgulă mobilă pe secundă).
Pentru comparație: viteza celui mai puternic cip Apple M1 Ultra are aproximativ 21 de teraflopi (un trilion de FLOPS). Numărul este uriaș, asta este un fapt. În mod surprinzător, în 2002 a existat un computer care a dezvoltat o viteză și mai mare - acesta este supercomputerul Earth Simulator al gigantului tehnologic japonez NEC Corporation. Viteza sa a fost de aproximativ 36 de teraflopi!
Frontier folosește procesoare AMD EPYC 64C 2GHz și se bazează pe cea mai recentă arhitectură HPE Cray EX235a. Este asamblat din 9408 procesoare AMD EPYC și 37632 acceleratoare AMD Instinct MI250x. În total, sistemul are 8 de procesoare și nuclee grafice. În plus, Frontier are o eficiență energetică impresionantă de 699 GFlops/watt și utilizează rețeaua HPE Slingshot 904 pentru transferul de date. Deci, în timpul testelor, este capabil să producă până la 52,59 exaflopi. Performanța maximă a atins un record de 11 de exaflopi. Costul dispozitivului este estimat la 1,1 de milioane de dolari.
Acesta este primul și până acum singurul supercomputer din lume care funcționează în modul flops. Frontier a devenit lider în urmă cu un an, dar nu a permis nimănui să-și încalce poziția în clasamentul din iunie 2023. Și până acum, la începutul lui 2024, supercomputerul american este cel mai productiv din lume.
Dar oamenii de știință sugerează deja că poate după ceva timp va trebui să admită superioritatea unei alte mașini americane: supercomputerul Aurora.
Potrivit celui mai recent clasament, noul supercomputer Aurora cu cipuri Intel Sapphire Rapids, care rulează la Argonne Leadership Computing Facility din Illinois, SUA, ocupă locul al doilea cu o performanță HPL de 585,34 PFlops. Deși aceasta este doar jumătate din performanța supercomputerului emblematic al lui Frontier, sistemul Aurora nu este încă complet și doar jumătate din sistemul final planificat este în prezent operațional. La finalizare, performanța prevăzută a Aurorei este probabil să depășească 2 EFlop. Supercomputerul Aurora, creat de Intel, se bazează pe arhitectura HPE Cray EX - Intel Exascale Compute Blade, folosește procesoare Intel Xeon CPU Max Series și acceleratoare Intel Data Center GPU Max Series. Ca și în Frontier, rețeaua HPE Slinghot-11 este responsabilă pentru transferul de date.
Al treilea cel mai eficient supercomputer este un nou sistem bazat pe cloud numit Eagle Microsoft Azure în SUA. Aceasta este un fel de curiozitate tehnologică, deoarece Eagle este un supercomputer în cloud, iar poziția a treia în clasamentul Top500 este cea mai înaltă obținută vreodată de un sistem cloud. Microsoft Eagle se mândrește cu performanțe HPL de 561,2 PFlops, inima de calcul este procesoarele și acceleratoarele Intel Xeon Platinum 8480C NVIDIA H100.
Aici merită menționat supercomputerul japonez Fugaku, a cărui performanță este de peste trei ori mai mică decât Frontier și unul dintre cele mai productive supercomputer din trecut - LUMI. Deși chinezii încă construiesc ceva puternic, totul este în viitor.
Interesant de asemenea: Prognoze tehnologice pentru 2024: la ce să ne așteptăm?
De ce avem nevoie de atâta putere de calcul?
S-ar putea să admiri eficiența celor mai rapide mașini de pe Pământ, dar performanța pe care o obțin nu este despre doborârea recordurilor, ci despre obținerea rezultatelor de calcul dorite în cel mai scurt timp posibil. Niciun utilizator de supercomputer nu folosește acea mașină pentru a scrie un e-mail sau pentru a pregăti o prezentare. Ar fi o risipă groaznică să folosim astfel de mașini pentru a îndeplini sarcini pe care le putem îndeplini pe dispozitivele din casele noastre. La urma urmei, potențialul de calcul al supercalculatoarelor vă permite să efectuați acțiuni care nu sunt disponibile pe computerele obișnuite.
Despre ce sarcini vorbim? În primul rând, despre cele care pot aduce beneficii reale, iar acestea nu sunt neapărat cele care pot fi convertite imediat în bani. Merită să reamintim că doar aproximativ 600 de milioane de dolari SUA au fost cheltuiți pentru crearea supercomputerului Frontier. Desigur, utilizarea sa și costurile de întreținere continuă sunt, de asemenea, semnificative. Supercomputerul ocupă o suprafață de 680 de metri pătrați și consumă 21 MW de energie electrică.
Frontier, ca și alte supercalculatoare, este utilizat, printre altele, pentru sarcini precum modelarea climatului, cercetarea și producerea de noi medicamente vitale pentru umanitate, cercetarea noilor tehnologii materiale etc. Desigur, sfera sarcinilor îndeplinite de acest tip de echipamente este mult mai larg și include, de exemplu, analiza unor seturi uriașe de date de diferite tipuri: financiare, medicale, imagini din satelit, modelare a fenomenelor fizice și multe, multe altele. Faptul că Frontier este primul supercomputer exascale îi permite să îndeplinească sarcini care ar fi dificile chiar și pe alte supercalculatoare.
Un exemplu poate fi modelarea întregului ciclu de viață al unui reactor termonuclear. Da, aceasta nu este o eroare. Nu există încă o singură centrală de fuziune în lume, dar puterea puternică de calcul exascale a lui Frontier face posibilă simularea comportamentului unui reactor de fuziune ipotetic și prezicerea comportamentului plasmei într-un astfel de reactor. Desigur, până la comercializarea energiei termonucleare, este greu să ne gândim la beneficii, dar nimeni în lume nu se îndoiește că puterea de calcul care va contribui la crearea și dezvoltarea energiei termonucleare și va salva întreaga omenire de lipsa de energie merită orice. investitie.
Citeste si: Totul despre Microsoft Copilotul: viitorul sau drumul greșit?
Supercalculatoare și medicină
Una dintre aplicațiile supercalculatoarelor este calculele complexe și consumatoare de energie legate de structura substanțelor chimice și a compușilor organici. Analiza atentă a comportamentului substanțelor individuale, care este posibilă datorită capacității de a simula comportamentul unui anumit compus la un nivel foarte precis, este un instrument care permite dezvoltarea de noi medicamente mai eficiente.
În 2020, înainte de lansarea supercomputerului Frontier, oamenii de știință de la Laboratorul Național Oak Ridge, care avea atunci supercomputerul Summit (această mașină a fost cel mai eficient supercomputer în 2018, este încă în uz și ocupa locul 7 cu o eficiență de 148,8 PFlops) l-au folosit pentru a dezvolta un nou tip de medicament pentru cancer. Noul medicament s-a dovedit a fi cu aproximativ 10% mai bun, mai eficient în tratament decât mijloacele utilizate anterior. Desigur, 10% nu este atât de mult, dar spune-le asta pacienților care au reușit să-și salveze viața datorită acelei „mici” diferențe. Viața umană este, desigur, neprețuită, dar orice medicament cu eficacitate mai mare poate economisi resurse enorme pentru sistemul de sănătate și poate reduce costurile de tratament. Aici poate fi utilă Frontier. Capacitățile sale sunt mult mai mari decât cele ale aceluiași supercomputer Summit.
Citeste si:
- Apple Vision Pro este cel mai revoluționar dispozitiv de la iPhone. Dar există o nuanță ©
- Schimba cu Apple MacBook Air cu procesor M2: recenzie și impresiile mele
Frontieră și noul model climatic
Modelarea climei necesită analiza și justificarea modelului istoriei milenare a Pământului. Desigur, aceasta este o sarcină care necesită o cantitate imensă de resurse de calcul. Cu cât putem modela mai precis schimbările climatice și putem prezice ce se va întâmpla pe termen lung, cu atât avem nevoie de supercalculatoare mai rapide și mai puternice.
Mark Taylor de la Laboratoarele Naționale Sandia, unul dintre cercetătorii care lucrează la primele predicții climatice pe termen lung din lume folosind calcularea în creștere, a remarcat odată: „Arhitectura de calcul unică a supercomputerului Frontier permite lucruri pe care nu le puteam face înainte”. Adică, puterea de calcul a acestei mașini reduce un calcul care obișnuia să dureze ani la câteva zile. În același timp, permite cercetătorilor să obțină estimări detaliate ale efectelor pe termen lung ale schimbărilor climatice și ale condițiilor meteorologice extreme. „Acesta este noul standard de aur pentru modelarea climei”, adaugă Taylor.
Care sunt avantajele? Sunt doar uriași. Capacitatea de a prezice schimbări meteorologice catastrofale poate salva zeci de mii, și poate chiar milioane, de vieți. Și analiza impactului probabil al încălzirii climatice asupra ciclurilor apei globale și regionale ne permite să ne pregătim în avans pentru schimbările viitoare. Există modele spațiale moderne, dar sunt extrem de solicitante din punct de vedere computațional. Până de curând, prea solicitant. Da, ele ne permit să prezicem teoretic interacțiunea complexă dintre diferitele elemente care alcătuiesc ceea ce numim vreme sau climă, de exemplu, mișcarea convectivă care însoțește formarea norilor, dar acolo este necesar să se prelucreze un flux imens de informații. și face calcule de o complexitate incredibilă.
Prezența supercomputerului Frontier a schimbat deja acest lucru. Proiectul Energy Exascale Earth System Model (E3SM) depășește aceste obstacole combinând noile abordări software cu performanțe exascale masive. Sarath Sripathy, coautor al studiului și coordonator al proiectului E3SM și coautor al modelului de atmosferă E3SM numit SCREAM, explică: “Comunitatea de modelare a climei visează de mult să ruleze modele la scară de kilometri suficient de repede pentru a facilita predicții de decenii, iar acum este o realitate.”.
Cu alte cuvinte, un astfel de proiect fără Frontier ar eșua pur și simplu din cauza lipsei volumelor de procesare a datelor. Cu toate acestea, merită remarcat faptul că nu numai puterea de calcul de bază este importantă, ci și optimizarea modelelor în sine. Peter Caldwell, climatolog la Lawrence Livermore National Laboratory, și echipa sa au petrecut ultimii cinci ani construind un nou model de nor de la zero. Acesta va funcționa eficient pe procesoarele grafice (GPU), care astăzi reprezintă o componentă foarte importantă a puterii de calcul a supercalculatoarelor moderne. O mașină de top interesantă din clasa sa poate fi inclusă aici.
Imagina. Adaptarea codului pentru a rula pe GPU-uri a dus la câștiguri semnificative de performanță. SCREAM poate rula pe 8192 de noduri Frontier pentru a simula formațiunile globale de nori care au durat de obicei mai mult de un an (1,25 ani pentru a fi exact) într-o singură sesiune de calcul de 24 de ore. Simulări pe termen lung, care se întind pe 30-40 de ani, pot fi făcute la Frontier în câteva săptămâni. Cercetătorii notează că anterior era aproape imposibil să se facă astfel de calcule. Persoanele care sunt interesate să afle mai multe despre aceste studii pot faceți cunoștință cu noua publicație științifică Mark Taylor și echipa sa.
Interesant de asemenea:
- Cum armata SUA îl urmărește pe Moș Crăciun
- Interzicerea vânzărilor Apple Urmărește în SUA: Toate detaliile cazului
- Revizuire Lenovo Yoga Book 9i: un laptop convertibil cu două ecrane
Tehnologii de frontieră și materiale
Un proiect interesant care profită de potențialul exascale al supercomputerului Frontier este munca în domeniul tehnologiei materialelor. Aceasta este una dintre cele mai mari simulări computaționale vreodată ale unui aliaj, care, datorită eficienței sale de calcul, a făcut posibilă obținerea unei precizii aproape de nivel cuantic. Această cercetare, realizată de Vikram Gavini de la Universitatea din Michigan, este inovatoare prin faptul că utilizează ecuația lui Schrödinger pentru a modela comportamentul diferitelor materiale. Puterea masivă de calcul a lui Frontier ia permis să simuleze un sistem de aliaje de magneziu format din 75 de atomi.
Aliajele de magneziu sunt un material foarte interesant. Este foarte usoara si in acelasi timp puternica. Cu toate acestea, aliajele de magneziu sunt sensibile la anumite defecte, în principal dislocații (adică, defecte masive în structura cristalină a materialului), care își schimbă dramatic proprietățile mecanice. Acest lucru transformă un material promițător într-o bucată de metal inutilizabil, pentru că crapă ușor, este fragil și instabil. Oamenii de știință cu ajutorul puterii de calcul a lui Frontier au reușit să corecteze unele dintre aceste defecte ale aliajelor de magneziu. Dar acesta este doar începutul muncii grele.
Interesant de asemenea:
Viitorul supercalculatoarelor?
Calculatoarele convenționale nu pot rezolva provocările pe care ni le pun unele probleme științifice și tehnice. Supercalculatoarele au mult mai multă putere de calcul, permițându-le să efectueze calcule care ar fi imposibile sau ar dura prea mult timp pe computerele obișnuite. Prin crearea de supercalculatoare, oamenii de știință se străduiesc să extindă limitele cunoștințelor și capacităților noastre, precum și să rezolve probleme care pot avea un impact real uriaș asupra viitorului nostru.
Legea lui Moore spune că puterea computerelor crește exponențial. La fiecare doi ani, viteza calculelor se dublează, inginerii și oamenii de știință reușesc să găsească soluții la probleme care anterior erau considerate imposibile.
Într-o zi, supercalculatoarele vor deveni banale. La urma urmei, în urmă cu doar zece ani, concepte precum realitatea virtuală, jocurile în cloud și metauniversul existau doar în imaginația câtorva experți și tocilari de techno, iar astăzi este realitatea noastră. Viitoarea generație nici nu va trebui să obțină o educație IT și să obțină un loc de muncă la Google pentru a profita de supercomputere: acestea vor deveni în liniște și imperceptibil o parte din viața de zi cu zi, la fel ca smartphone-urile, laptopurile și alte lucruri.
Citeste si: