Для чего используется Frontier, самый мощный и быстрый суперкомпьютер в мире, работающий в Национальной лаборатории в Оук-Риджи? От моделирования реакторов до прогнозирования климата.
Этот вопрос имеет более широкий контекст. Меня часто спрашивают, зачем мы вообще строим такие мощные машины, если каждый из нас может иметь компьютер? Конечно же, суперкомпьютеры – это очень дорогие машины, которые потребляют огромное количество энергии, но то, что мы от них получаем, гораздо ценнее. Сегодня попробую это объяснить на примере суперкомпьютера Frontier.
Также интересно: Midjourney V6: все о следующем поколении ИИ
Зачем нам суперкомпьютеры?
Если коротко, то суперкомпьютеры могут обрабатывать огромные потоки информации. Наш мир меняется очень быстротечно, человечество создало огромную базу данных, которую надо обработать, проанализировать, сгруппировать, сохранить, наконец. Это поможет нам, например, получить новые, более дешевые и эффективные лекарства, более долговечные материалы, спрогнозировать изменения климата на десятилетия и тому подобное. Суперкомпьютеры позволяют моделировать поведение объектов, которые мы собираемся построить, например, термоядерных реакторов. И это лишь отдельные примеры применения быстрых суперкомпьютеров. Да, они очень дорогие в производстве и обслуживании, но оно того стоит.
Но давайте начнем с основ. Что вообще собой представляет суперкомпьютер? Четкого определения этого пока что нет. Тем не менее, характерной особенностью каждого ныне действующего суперкомпьютера является очень высокая вычислительная мощность. В Интернете можно найти упрощенное определение, согласно которому суперкомпьютер – это машина, которая способна достичь вычислительной производительности, по меньшей мере, в 1 терафлопс, то есть 10¹² (триллион) операций с плавающей запятой в секунду. Это очень много по сравнению с обычными домашними компьютерами.
Если раньше скорость работы компьютеров измерялась в IPS (инструкции в секунду), то для суперкомпьютеров пришлось изобретать новую единицу – FLOPS, то есть операции с плавающей запятой за секунду. Чем это число выше, тем компьютер мощнее.
Конечно, подход, основанный на определенном вычислительном пороге, довольно быстро устаревает, поскольку производительность процессоров, которые являются сердцевиной этих машин, постоянно развивается и растет. С каждым выпуском новых процессоров растет и производительность современных компьютеров. Однако, строить их очень тяжело и финансово затратно.
Читайте также: Что такое Gemini: Все о новой модели ИИ от Google
Какие суперкомпьютеры самые быстрые?
У нас есть последние данные по этому вопросу. В ноябре 2023 года сайт Top500.org, который в течение многих лет регулярно публикует рейтинги производительности самых мощных вычислительных машин на Земле, опубликовал последнее, 62-е издание рейтинга Top500, в котором представлены 500 самых эффективных суперкомпьютеров, существующих на данный момент.
Система Frontier до сих пор остается самым эффективным суперкомпьютером на планете. Этот суперкомпьютер – первая в мире вычислительная система экзамасштаба, то есть, его быстродействие превысило 1 экзафлопс. Сам Frontier находится в Национальной лаборатории, которая расположена в Оук-Ридж в штате Теннесси, США. Этот суперкомпьютер является текущим лидером с показателем HPL (High Performance LINPACK – специальный тест, который оценивает исходную производительность суперкомпьютеров) в 1193 EFlops (экзафлопс – это квинтиллион, или 1018 вычислений с плавающей запятой в секунду).
Для сравнения: скорость самого мощного чипа Apple M1 Ultra составляет около 21 терафлопс (один триллион FLOPS). Число огромное, это факт. Удивительно, но еще в 2002 году был компьютер, который развивал скорость еще большую – это суперкомпьютер Earth Simulator японского технологического гиганта NEC Corporation. Его скорость была около 36 терафлопс!
Frontier использует процессоры AMD EPYC 64C 2 ГГц и основан на новейшей архитектуре HPE Cray EX235a. Он собран из 9408 процессоров AMD EPYC и 37632 ускорителей AMD Instinct MI250x. В целом система имеет 8 699 904 процессорных и графических ядер. Кроме того, Frontier обладает впечатляющей энергоэффективностью – 52,59 GFlops/watt, и использует сеть HPE Slingshot 11 для передачи данных. Так в ходе испытаний он способен выдавать до 1,1 экзафлопа. Пиковая производительность достигла рекордных 1,686 экзафлопа. Стоимость аппарата оценивается в $600 млн.
Это первый, и пока единственный в мире суперкомпьютер, работающий в режиме flops. Frontier стал лидером год назад, но не позволил никому даже посягать на свою позицию в июньском рейтинге 2023 года. И пока что, на начало 2024 года, американский суперкомпьютер является самым производительным в мире.
Но ученые уже предполагают, что возможно через некоторое время ему придется признать превосходство другой американской машины: суперкомпьютера Aurora.
Согласно последнему рейтингу, новый суперкомпьютер Aurora с чипами Intel Sapphire Rapids, работающий в Argonne Leadership Computing Facility в Иллинойсе, США, занимает второе место с производительностью HPL 585,34 PFlops. Хотя это только половина производительности топового суперкомпьютера Frontier, система Aurora еще не завершена, и лишь половина запланированной окончательной системы сейчас работает. После завершения прогнозируемая производительность Aurora, вероятно, превысит 2 EFlops. Суперкомпьютер Aurora, созданный компанией Intel, базируется на архитектуре HPE Cray EX – Intel Exascale Compute Blade, использует процессоры Intel Xeon CPU Max Series и ускорители Intel Data Center GPU Max Series. Как и в Frontier, за передачу данных отвечает сеть HPE Slinghot-11.
Третьим самым эффективным суперкомпьютером является новая система под названием Eagle, установленная в облаке Microsoft Azure в США. Это своеобразный технологический курьез, поскольку Eagle – облачный суперкомпьютер, а третья позиция в рейтинге Top500 – самая высокая, которую когда-либо достигала облачная система. Microsoft Eagle может похвастаться производительностью HPL 561,2 PFlops, вычислительным сердцем являются процессоры Intel Xeon Platinum 8480C и ускорители NVIDIA H100.
Тут стоит еще вспомнить о японском суперкомпьютере Fugaku, производительность которого более чем в три раза меньше Frontier, и одном из самых производительных суперкомпьютеров в прошлом – LUMI. Хотя сейчас еще и китайцы что-то мощное строят, но это все в перспективе.
Также интересно: OpenAI Project Q*: что это такое и почему проект вызывает беспокойство
Зачем нам такая огромная вычислительная мощность?
Вы можете восхищаться эффективностью самых быстрых машин на Земле, но показатели, которых они достигают, связаны не с побитием рекордов, а с получением желаемых результатов расчетов в кратчайшие сроки. Ни один пользователь суперкомпьютера не использует эту машину для написания электронного письма или подготовки презентации. Использовать такие машины для решения задач, которые мы можем выполнять на устройствах в наших домах, было бы ужасным расточительством. Ведь вычислительный потенциал суперкомпьютеров позволяет выполнять действия, которые недоступны на обычных компьютерах.
О каких задачах идет речь? В первую очередь о тех, которые могут принести реальную пользу, и это не обязательно те, которые можно сразу конвертировать в деньги. Стоит напомнить, что только на создание суперкомпьютера Frontier было потрачено около 600 миллионов долларов США. Конечно, текущие расходы на техническое обслуживание также весьма значительны. Суперкомпьютер занимает площадь 680 квадратных метров и потребляет 21 МВт электроэнергии.
Frontier, как и другие суперкомпьютеры, используется, среди прочего, для таких задач, как моделирование климата, исследование и производство новых, жизненно необходимых человечеству лекарств, исследование новых технологий материалов и тому подобное. Конечно, объем задач, которые выполняет этот тип оборудования, значительно шире и включает анализ огромных массивов данных различных типов: финансовых, медицинских, спутниковых изображений, моделирование физических явлений и многое-многое другое. Тот факт, что Frontier является первым экзамасштабным суперкомпьютером, позволяет ему выполнять задачи, которые было бы трудно выполнить даже на других суперкомпьютерах.
Примером может быть моделирование всего жизненного цикла термоядерного реактора. Да, это не ошибка. В мире пока нет ни одной термоядерной электростанции, но мощная экзамасштабная вычислительная мощность Frontier позволяет смоделировать поведение гипотетического термоядерного реактора и прогнозировать поведение плазмы в таком реакторе. Конечно, пока термоядерная энергетика не коммерциализирована, трудно думать о пользе, но никто в мире не сомневается, что вычислительная мощность, которая будет способствовать созданию и развитию термоядерной энергетики и избавит все человечество от дефицита энергии, стоит любых инвестиций.
Читайте также: Что такое RCS и чем он отличается от SMS и iMessage?
Суперкомпьютеры и лекарства
Одним из применений суперкомпьютеров являются сложные и энергоемкие вычисления, связанные со структурой химических веществ и органических соединений. Тщательный анализ поведения отдельных веществ, который возможен благодаря способности симулировать поведение данного соединения на очень точном уровне, является инструментом, позволяющим разрабатывать новые, более эффективные лекарства.
Еще в 2020 году, перед запуском суперкомпьютера Frontier, ученые из национальной лаборатории в Оук-Ридж, у которых тогда был суперкомпьютер Summit (эта машина была самым эффективным суперкомпьютером в 2018 году, она используется до сих пор, и занимает 7 место с эффективностью 148,8 PFlops) использовали его для разработки нового типа лекарств от рака. Новый препарат оказался примерно на 10% лучше, более эффективным в лечении, чем ранее используемые лекарства. Понятно, что 10% это не так уж и много, но скажите это пациентам, которым удалось спасти жизнь благодаря этой “маленькой” разнице. Жизнь человека, конечно же, бесценна, но любой препарат с более высокой эффективностью может сэкономить огромные ресурсы системе здравоохранения и уменьшить расходы на лечение. Вот здесь Frontier может пригодиться. Его возможности гораздо выше, чем у того же суперкомпьютера Summit.
Читайте также:
- Все о Microsoft Copilot: будущее или ложный путь?
- Беспилотные автомобили: долго ли еще ждать революции?
Frontier и новая модель климата
Моделирование климата требует анализа и обоснования модели тысячелетней истории Земли. Конечно, это задача, которая требует огромного количества вычислительных ресурсов. Чем точнее мы сможем моделировать изменения климата и прогнозировать, что произойдет в долгосрочной перспективе, тем более быстрый и мощный суперкомпьютер нам нужен.
Марк Тейлор из Sandia National Laboratories, один из исследователей, работающих над первыми в мире долгосрочными прогнозами климата с помощью эскалационных вычислений, как-то заметил: “Уникальная вычислительная архитектура суперкомпьютера Frontier позволяет то, что мы не могли делать раньше”. То есть, вычислительная мощность этой машины сокращает вычислительную работу, которая раньше занимала годы, до нескольких дней. В то же время, это позволяет исследователям получить детальные оценки долгосрочных последствий изменения климата и экстремальных погодных условий. “Это новый золотой стандарт климатического моделирования”, – добавляет Тейлор.
Какие преимущества? Они просто огромны. Возможность предсказать катастрофические изменения погоды может спасти десятки тысяч, а, может, и миллионы жизней. А анализ вероятного влияния потепления климата на глобальные и региональные водные циклы позволяет нам заранее подготовиться к будущим изменениям. Существуют современные пространственные модели, но они чрезвычайно требовательны к вычислениям. До недавнего времени – слишком требовательными. Да, они позволяют теоретически предсказывать сложное взаимодействие между различными элементами, которые составляют то, что мы называем погодой или климатом, например конвективное движение, сопровождающее образование облаков, но там нужно обрабатывать огромный поток информации и делать вычисления невероятной сложности.
Именно наличие суперкомпьютера Frontier уже изменило это. Проект Energy Exascale Earth System Model (E3SM) преодолевает эти препятствия путем сочетания новых программных подходов с огромной экзамасштабной производительностью. Сарат Шрипати, соавтор исследования и координатор проекта E3SM и соавтор модели атмосферы E3SM под названием SCREAM, объясняет: “Сообщество моделирования климата давно мечтало запускать модели километрового масштаба с достаточной скоростью, чтобы облегчить прогнозирование в течение десятилетий, и теперь это стало реальностью”.
То есть, такой проект без Frontier просто провалился бы из-за нехватки объемов обработки данных. Однако стоит отметить, что важна не только базовая вычислительная мощность, но и оптимизация самих моделей. Питер Колдуэлл, климатолог из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса и его команда потратили последние пять лет на создание новой облачной модели с нуля. Она будет эффективно работать на графических процессорах (GPU), которые сегодня являются очень важным компонентом вычислительной мощности современных суперкомпьютеров.
Представьте себе. Адаптация кода для работы на графических процессорах привела к значительному повышению производительности. SCREAM может работать на 8192 узлах Frontier для моделирования глобальных облачных образований, которые обычно длились более года (1,25 года, если быть точным) за один 24-часовой сеанс вычисления. Долгосрочное моделирование, охватывающее 30-40 лет, на Frontier можно осуществить за несколько недель. Исследователи отмечают, что ранее провести подобные расчеты было практически невозможно. Люди, которым интересно узнать об этих исследованиях больше, могут ознакомиться с новой научной публикацией Марка Тейлора и его команды.
Также интересно:
- Human Brain Project: Попытка имитировать человеческий мозг
- Thunderbolt 5 против Thunderbolt 4: все, что нужно знать
Технологии материалов
Одним из интересных проектов, использующим преимущества экзамасштабного потенциала суперкомпьютера Frontier, является работа в области технологии материалов. Это одна из крупнейших в истории вычислительных симуляций сплава, которая благодаря своей вычислительной эффективности позволила достичь точности, достигающей почти квантового уровня. Это исследование, проведенное Викрамом Гавини из Мичиганского университета, является инновационным в том, что для моделирования поведения различных материалов используется уравнение Шредингера. Огромная вычислительная мощность Frontier позволила смоделировать систему магниевого сплава, состоящую из 75 000 атомов.
Магниевые сплавы – очень интересный материал. Он очень легкий и в то же время прочный. Однако магниевые сплавы чувствительны к определенным дефектам, главным образом дислокациям (то есть массивным дефектам в кристаллической структуре материала), которые резко изменяют их механические свойства. Это превращает перспективный материал в кусок непригодного для использования металла, так как он легко трескается, хрупкий и нестабильный. Ученым с помощью вычислительных мощностей Frontier удалось кое-что исправить в этих дефектах магниевых сплавов. Но это лишь начало тяжелой работы.
Также интересно:
- Война за спутниковый интернет: Европа бросает вызов Starlink
- 4 типа аккумуляторов будущего, которые будут питать наши устройства
Будущее за суперкомпьютерами?
Обычные компьютеры не могут справиться с вызовами, которые ставят перед нами некоторые научно-технические проблемы. Суперкомпьютеры имеют гораздо большую вычислительную мощность, что позволяет им выполнять вычисления, которые на обычных компьютерах были бы невозможными или занимали бы слишком много времени. Создавая суперкомпьютеры, ученые стремятся расширить границы наших знаний и возможностей, а также решать проблемы, которые могут иметь огромное реальное влияние на наше будущее.
Закон Мура гласит, что мощность компьютеров растет в геометрической прогрессии. Каждые два года скорость вычислений удваивается, инженерам и ученым удается найти решение таких задач, которые раньше считались невыполнимыми.
Когда-то суперкомпьютеры станут обыденностью. Ведь всего десять лет назад такие понятия, как виртуальная реальность, облачные игры и метавселенная, существовали лишь в воображении немногих техноэкспертов и гиков, а сегодня это наша реальность. Будущему поколению не придется даже получать IT-образование и устраиваться работать в Google, чтобы воспользоваться преимуществами суперкомпьютеров: тихо и незаметно они станут частью повседневной жизни, так же, как смартфоны, ноутбуки и другие вещи.
Читайте также: