Načo sa to používa? Hranice, najvýkonnejší a najrýchlejší superpočítač na svete pracujúci v Oak Ridge National Laboratory? Od modelovania reaktorov po predpovede klímy.
Táto otázka má širší kontext. Často dostávam otázku, prečo vôbec staviame také výkonné stroje, keď každý z nás môže mať počítač? Samozrejme, superpočítače sú veľmi drahé stroje, ktoré spotrebujú obrovské množstvo energie, no to, čo z nich získame, je oveľa cennejšie. Dnes sa to pokúsim vysvetliť na príklade superpočítača Frontier.
Tiež zaujímavé: História OpenAI: Čo to bolo a čo má spoločnosť pred sebou
Prečo potrebujeme superpočítače?
Stručne povedané, superpočítače dokážu spracovať obrovské toky informácií. Náš svet sa veľmi rýchlo mení, ľudstvo vytvorilo obrovskú databázu, ktorú treba konečne spracovať, analyzovať, zoskupiť, uložiť. Pomôže nám to napríklad získať nové, lacnejšie a účinnejšie lieky, odolnejšie materiály, predpovedať klimatické zmeny na desaťročia atď. Superpočítače nám umožňujú modelovať správanie objektov, ktoré sa chystáme postaviť, ako sú napríklad fúzne reaktory. A to sú len niektoré príklady použitia najrýchlejších superpočítačov. Áno, ich výroba a údržba sú veľmi drahé, ale stoja za to.
Začnime však od základov. Čo je to vlastne superpočítač? Jasná definícia toho zatiaľ neexistuje. Charakteristickým znakom každého súčasného superpočítača je však veľmi vysoký výpočtový výkon. Na internete sa dá nájsť zjednodušená definícia, podľa ktorej je superpočítač stroj, ktorý dokáže dosiahnuť výpočtový výkon minimálne 1 teraflops, t.j. 1012 (bilión) operácií s pohyblivou rádovou čiarkou za sekundu. To je v porovnaní s bežnými domácimi počítačmi veľa.
Ak sa predtým rýchlosť počítačov merala v IPS (inštrukciách za sekundu), potom bolo potrebné pre superpočítače vymyslieť novú jednotku - FLOPS, t.j. operácie s pohyblivou rádovou čiarkou za sekundu. Čím je toto číslo vyššie, tým je počítač výkonnejší.
Samozrejme, prístup založený na určitom výpočtovom prahu pomerne rýchlo zastará, pretože výkon procesorov, ktoré sú jadrom týchto strojov, sa neustále vyvíja a rastie. S každým vydaním nových procesorov sa zvyšuje aj produktivita moderných počítačov. Ich vybudovanie je však veľmi náročné a finančne nákladné.
Prečítajte si tiež: Projekt ľudského mozgu: Pokus napodobniť ľudský mozog
Ktoré superpočítače sú najrýchlejšie?
Máme najnovšie údaje o tejto problematike. V novembri 2023 webová stránka Top500.org, ktorá už mnoho rokov pravidelne zverejňuje výkonnostné hodnotenia najvýkonnejších počítačov na Zemi, zverejnila najnovšie, 62. vydanie rebríčka Top500, ktorý predstavuje 500 v súčasnosti najefektívnejších superpočítačov. .
Systém Frontier je stále najefektívnejší superpočítač na planéte. Tento superpočítač je prvým exascale výpočtovým systémom na svete, to znamená, že jeho rýchlosť presiahla 1 exaflops. Samotný Frontier sa nachádza v Národnom laboratóriu, ktoré sa nachádza v Oak Ridge, Tennessee, USA. Tento superpočítač je aktuálnym lídrom so skóre HPL (High Performance LINPACK – špeciálny test, ktorý hodnotí surový výkon superpočítačov) na úrovni 1193 EFlops (exaflop je kvintilión alebo 1018 výpočty s pohyblivou rádovou čiarkou za sekundu).
Pre porovnanie: rýchlosť najvýkonnejšieho čipu Apple M1 Ultra je približne 21 teraflopov (jeden bilión FLOPS). To číslo je obrovské, to je fakt. Prekvapivo už v roku 2002 existoval počítač, ktorý vyvinul ešte väčšiu rýchlosť - to je superpočítač Earth Simulator japonského technologického giganta NEC Corporation. Jeho rýchlosť bola asi 36 teraflopov!
Frontier využíva procesory AMD EPYC 64C 2 GHz a je založený na najnovšej architektúre HPE Cray EX235a. Je zostavený z 9408 procesorov AMD EPYC a 37632 akcelerátorov AMD Instinct MI250x. Celkovo má systém 8 699 904 procesorových a grafických jadier. Okrem toho má Frontier pôsobivú energetickú účinnosť 52,59 GFlops/watt a na prenos dát využíva sieť HPE Slingshot 11. Počas testov je teda schopný vyprodukovať až 1,1 exaflopov. Špičkový výkon dosiahol rekordných 1,686 600 exaflopov. Náklady na zariadenie sa odhadujú na XNUMX miliónov dolárov.
Ide o prvý a zatiaľ jediný superpočítač na svete, ktorý pracuje v režime flops. Frontier sa stal lídrom pred rokom, no nikomu nedovolil čo i len zasiahnuť do jeho pozície v rebríčku z júna 2023. A zatiaľ, začiatkom roku 2024, je americký superpočítač najproduktívnejší na svete.
Vedci však už teraz naznačujú, že možno po nejakom čase bude musieť priznať prevahu iného amerického stroja: superpočítača Aurora.
Podľa najnovšieho rebríčka je nový superpočítač Aurora s čipmi Intel Sapphire Rapids, ktorý beží v Argonne Leadership Computing Facility v Illinois, USA, na druhom mieste s výkonom HPL 585,34 PFlops. Hoci je to len polovičný výkon vlajkového superpočítača Frontier, systém Aurora ešte nie je dokončený a v súčasnosti je v prevádzke len polovica plánovaného finálneho systému. Po dokončení predpokladaný výkon Aurory pravdepodobne prekročí 2 EFlops. Superpočítač Aurora, vytvorený spoločnosťou Intel, je založený na architektúre HPE Cray EX - Intel Exascale Compute Blade, používa procesory Intel Xeon CPU Max Series a akcelerátory Intel Data Center GPU Max Series. Rovnako ako v prípade Frontier je za prenos dát zodpovedná sieť HPE Slinghot-11.
Tretím najefektívnejším superpočítačom je nový cloudový systém s názvom Eagle Microsoft Azure v USA. Ide o technologickú kuriozitu svojho druhu, keďže Eagle je cloudový superpočítač a tretie miesto v rebríčku Top500 je najvyššie, aké kedy cloudový systém dosiahol. Microsoft Eagle sa môže pochváliť výkonom HPL 561,2 PFlops, výpočtovým srdcom sú procesory Intel Xeon Platinum 8480C a akcelerátory NVIDIA H100.
Tu stojí za zmienku japonský superpočítač Fugaku, ktorého výkon je viac ako trikrát nižší ako Frontier, a jeden z najproduktívnejších superpočítačov minulosti – LUMI. Hoci Číňania stále niečo silné budujú, všetko je len v budúcnosti.
Tiež zaujímavé: Technologické prognózy na rok 2024: čo očakávať?
Prečo potrebujeme toľko výpočtového výkonu?
Môžete obdivovať efektivitu najrýchlejších strojov na Zemi, no výkon, ktorý dosahujú, nie je o lámaní rekordov, ale o tom, ako dosiahnuť požadované výsledky výpočtov v čo najkratšom čase. Žiadny používateľ superpočítača nepoužíva tento stroj na písanie e-mailu alebo prípravu prezentácie. Bolo by hrozným plytvaním používať takéto stroje na vykonávanie úloh, ktoré môžeme vykonávať na zariadeniach v našich domácnostiach. Koniec koncov, výpočtový potenciál superpočítačov umožňuje vykonávať akcie, ktoré nie sú dostupné na bežných počítačoch.
O akých úlohách hovoríme? V prvom rade o tých, ktoré môžu priniesť skutočný úžitok, pričom nejde nevyhnutne o tie, ktoré sa dajú okamžite premeniť na peniaze. Stojí za to pripomenúť, že na vytvorenie superpočítača Frontier bolo vynaložených len asi 600 miliónov amerických dolárov. Nezanedbateľné je samozrejme aj jeho používanie a náklady na priebežnú údržbu. Superpočítač zaberá plochu 680 metrov štvorcových a spotrebuje 21 MW elektriny.
Frontier, podobne ako iné superpočítače, sa okrem iného používa na také úlohy, ako je modelovanie klímy, výskum a výroba nových liekov životne dôležitých pre ľudstvo, výskum nových materiálových technológií atď. Samozrejme, rozsah úloh, ktoré tento typ zariadenia vykonáva, je oveľa širší a zahŕňa napríklad analýzu obrovských súborov údajov rôzneho typu: finančné, medicínske, satelitné snímky, modelovanie fyzikálnych javov a mnoho, mnoho ďalších. Fakt, že Frontier je prvý exascale superpočítač, mu umožňuje vykonávať úlohy, ktoré by boli náročné aj na iných superpočítačoch.
Príkladom môže byť modelovanie celého životného cyklu termonukleárneho reaktora. Áno, toto nie je chyba. Na svete zatiaľ neexistuje ani jedna fúzna elektráreň, ale výkonný exascale výpočtový výkon Frontier umožňuje simulovať správanie hypotetického fúzneho reaktora a predpovedať správanie plazmy v takomto reaktore. Samozrejme, kým nebude termonukleárna energia komercializovaná, je ťažké uvažovať o výhodách, ale nikto na svete nepochybuje o tom, že výpočtový výkon, ktorý prispeje k vytvoreniu a rozvoju termonukleárnej energie a zachráni celé ľudstvo pred nedostatkom energie, stojí za to. investície.
Prečítajte si tiež: Všetko o Microsoft Druhý pilot: budúcnosť alebo nesprávna cesta?
Superpočítače a medicína
Jednou z aplikácií superpočítačov sú zložité a energeticky náročné výpočty súvisiace so štruktúrou chemikálií a organických zlúčenín. Dôkladná analýza správania jednotlivých látok, ktorá je možná vďaka schopnosti simulovať správanie danej zlúčeniny na veľmi presnej úrovni, je nástrojom, ktorý umožňuje vývoj nových, účinnejších liekov.
V roku 2020, pred spustením superpočítača Frontier, vedci z Národného laboratória Oak Ridge, ktoré malo vtedy superpočítač Summit (tento stroj bol najefektívnejším superpočítačom v roku 2018, stále sa používa a umiestnil sa na 7. mieste s účinnosťou 148,8 PFlops) ho použil na vývoj nového typu lieku na rakovinu. Nový liek sa ukázal byť asi o 10% lepší, účinnejší v liečbe ako doteraz používané prostriedky. Samozrejme, 10% nie je až tak veľa, ale to povedzte pacientom, ktorým sa vďaka tomu „malému“ rozdielu podarilo zachrániť život. Ľudský život je, samozrejme, na nezaplatenie, ale každý liek s vyššou účinnosťou môže ušetriť obrovské prostriedky pre systém zdravotnej starostlivosti a znížiť náklady na liečbu. Tu sa môže Frontier hodiť. Jeho schopnosti sú oveľa vyššie ako u toho istého superpočítača Summit.
Prečítajte si tiež:
- Apple Vision Pro je najrevolučnejšie zariadenie od čias iPhonu. Ale je tu nuansa ©
- Prepnúť na Apple MacBook Air s procesorom M2: recenzia a moje dojmy
Frontier a nový klimatický model
Modelovanie klímy si vyžaduje analýzu a zdôvodnenie modelu tisícročnej histórie Zeme. Samozrejme, ide o úlohu, ktorá si vyžaduje obrovské množstvo výpočtových zdrojov. Čím presnejšie dokážeme modelovať klimatické zmeny a predpovedať, čo sa stane v dlhodobom horizonte, tým rýchlejšie a výkonnejšie superpočítače potrebujeme.
Mark Taylor zo Sandia National Laboratories, jeden z výskumníkov pracujúcich na prvých dlhodobých klimatických predpovediach na svete pomocou eskalujúcich výpočtov, raz poznamenal: „Unikátna výpočtová architektúra superpočítača Frontier umožňuje veci, ktoré sme predtým nemohli robiť.“ To znamená, že výpočtový výkon tohto stroja znižuje výpočet, ktorý predtým trval roky na niekoľko dní. Zároveň umožňuje výskumníkom získať podrobné odhady dlhodobých účinkov klimatických zmien a extrémnych poveternostných podmienok. "Toto je nový zlatý štandard pre modelovanie klímy," dodáva Taylor.
Aké sú výhody? Sú jednoducho obrovské. Schopnosť predpovedať katastrofické zmeny počasia môže zachrániť desaťtisíce a možno aj milióny životov. A analýza pravdepodobného vplyvu otepľovania klímy na globálne a regionálne vodné cykly nám umožňuje pripraviť sa vopred na budúce zmeny. Moderné priestorové modely existujú, sú však mimoriadne náročné na výpočty. Donedávna príliš náročné. Áno, umožňujú nám teoreticky predpovedať zložitú interakciu medzi rôznymi prvkami, ktoré tvoria to, čo nazývame počasie alebo klíma, napríklad konvekčný pohyb, ktorý sprevádza vznik oblakov, ale tam je potrebné spracovať obrovský tok informácií. a robiť neuveriteľne zložité výpočty.
Prítomnosť superpočítača Frontier to už zmenila. Projekt Energy Exascale Earth System Model (E3SM) prekonáva tieto prekážky kombináciou nových softvérových prístupov s masívnym výkonom exascale. Sarath Sripathy, spoluautorka štúdie a koordinátorka projektu E3SM a spoluautorka modelu atmosféry E3SM s názvom SCREAM, vysvetľuje: “Komunita modelovania klímy už dlho snívala o tom, že modely v kilometrovom meradle budú spúšťať dostatočne rýchlo na to, aby umožnili predpovede trvajúce desaťročia, a teraz je to realita.“.
Inými slovami, takýto projekt bez Frontier by jednoducho zlyhal kvôli nedostatku objemov spracovania dát. Za zmienku však stojí, že dôležitý nie je len základný výpočtový výkon, ale aj optimalizácia samotných modelov. Peter Caldwell, klimatológ z Lawrence Livermore National Laboratory, a jeho tím strávili posledných päť rokov budovaním nového modelu cloudu od nuly. Efektívne bude fungovať na grafických procesoroch (GPU), ktoré sú dnes veľmi dôležitou súčasťou výpočtového výkonu moderných superpočítačov. Sem možno zaradiť aj zaujímavé špičkové auto vo svojej triede.
Predstavte si. Prispôsobenie kódu na prevádzku na GPU viedlo k výraznému zvýšeniu výkonu. SCREAM môže bežať na 8192 1,25 uzloch Frontier na simuláciu globálnych cloudových formácií, ktoré zvyčajne trvali viac ako rok (presnejšie 24 roka) v jednej 30-hodinovej výpočtovej relácii. Dlhodobé simulácie v rozsahu 40 – XNUMX rokov je možné vo Frontier vykonať v priebehu niekoľkých týždňov. Vedci poznamenávajú, že predtým bolo takmer nemožné urobiť takéto výpočty. Ľudia, ktorí majú záujem dozvedieť sa viac o týchto štúdiách, môžu zoznámte sa s novou vedeckou publikáciou Mark Taylor a jeho tím.
Tiež zaujímavé:
- Ako americká armáda sleduje Santa Clausa
- Zákaz predaja Apple Sledujte v USA: Všetky podrobnosti o prípade
- Preskúmanie Lenovo Yoga Book 9i: konvertibilný notebook s dvoma displejmi
Hraničné a materiálové technológie
Jeden zaujímavý projekt, ktorý využíva exascale potenciál superpočítača Frontier, je práca v oblasti materiálových technológií. Ide o jednu z najväčších výpočtových simulácií zliatiny, ktorá vďaka svojej výpočtovej účinnosti umožnila dosiahnuť presnosť takmer na kvantovej úrovni. Tento výskum, ktorý uskutočnil Vikram Gavini z University of Michigan, je inovatívny v tom, že využíva Schrödingerovu rovnicu na modelovanie správania rôznych materiálov. Obrovský výpočtový výkon Frontier umožnil simulovať systém zliatiny horčíka pozostávajúci zo 75 000 atómov.
Zliatiny horčíka sú veľmi zaujímavým materiálom. Je veľmi ľahký a zároveň pevný. Zliatiny horčíka sú však citlivé na určité defekty, najmä dislokácie (t. j. masívne defekty v kryštálovej štruktúre materiálu), ktoré dramaticky menia ich mechanické vlastnosti. Tým sa zo sľubného materiálu stane kus nepoužiteľného kovu, pretože ľahko praská, je krehký a nestabilný. Vedcom sa s pomocou výpočtového výkonu Frontier podarilo opraviť niektoré z týchto defektov v horčíkových zliatinách. Toto je však len začiatok tvrdej práce.
Tiež zaujímavé:
Budúcnosť superpočítačov?
Bežné počítače nedokážu vyriešiť výzvy, ktoré pred nás stavajú niektoré vedecké a technické problémy. Superpočítače majú oveľa väčší výpočtový výkon, čo im umožňuje vykonávať výpočty, ktoré by na bežných počítačoch boli nemožné alebo by zaberali príliš veľa času. Vytváraním superpočítačov sa vedci snažia rozširovať hranice našich vedomostí a schopností, ako aj riešiť problémy, ktoré môžu mať obrovský reálny vplyv na našu budúcnosť.
Moorov zákon hovorí, že výkon počítačov rastie exponenciálne. Každé dva roky sa rýchlosť výpočtov zdvojnásobí, inžinierom a vedcom sa podarí nájsť riešenia problémov, ktoré boli predtým považované za nemožné.
Jedného dňa sa superpočítače stanú samozrejmosťou. Veď ešte pred desiatimi rokmi také pojmy ako virtuálna realita, cloudové hry a metavesmír existovali len v predstavách niekoľkých techno expertov a geekov a dnes je to naša realita. Budúca generácia nebude musieť získať ani IT vzdelanie a prácu v Google, aby mohla využívať výhody superpočítačov: potichu a nenápadne sa stanú súčasťou každodenného života, rovnako ako smartfóny, notebooky a ďalšie veci.
Prečítajte si tiež: