Za kaj se uporablja? Frontier, najmočnejši in najhitrejši superračunalnik na svetu, ki deluje v nacionalnem laboratoriju Oak Ridge? Od modeliranja reaktorjev do podnebnih napovedi.
To vprašanje ima širši kontekst. Pogosto me sprašujejo, zakaj sploh izdelujemo tako zmogljive stroje, če ima lahko vsak od nas računalnik? Seveda so superračunalniki zelo dragi stroji, ki porabijo ogromno energije, vendar je veliko več vredno tisto, kar od njih dobimo. Danes bom poskušal to razložiti na primeru superračunalnika Frontier.
Zanimivo tudi: Zgodovina OpenAI: kaj je bilo in kaj je pred podjetjem
Zakaj potrebujemo superračunalnike?
Skratka, superračunalniki lahko obdelujejo ogromne tokove informacij. Naš svet se zelo hitro spreminja, človeštvo je ustvarilo ogromno bazo podatkov, ki jo je treba obdelati, analizirati, združiti, shraniti, končno. To nam bo pomagalo na primer pri pridobivanju novih, cenejših in učinkovitejših zdravil, trajnejših materialov, napovedovanju podnebnih sprememb za desetletja itd. Superračunalniki nam omogočajo modeliranje obnašanja objektov, ki jih bomo zgradili, kot so fuzijski reaktorji. In to je le nekaj primerov uporabe najhitrejših superračunalnikov. Da, njihova izdelava in vzdrževanje sta zelo draga, vendar sta vredna.
A začnimo pri osnovah. Kaj sploh je superračunalnik? Jasne definicije tega še ni. Vendar pa je značilnost vsakega trenutno delujočega superračunalnika zelo velika računska moč. Na internetu je mogoče najti poenostavljeno definicijo, po kateri je superračunalnik stroj, ki lahko doseže računalniško zmogljivost najmanj 1 teraflops, tj. 1012 (bilijon) operacij s plavajočo vejico na sekundo. To je veliko v primerjavi z običajnimi domačimi računalniki.
Če se je prej hitrost računalnikov merila v IPS (instrukcije na sekundo), je bilo treba za superračunalnike izumiti novo enoto - FLOPS, to je operacije s plavajočo vejico na sekundo. Višje kot je to število, močnejši je računalnik.
Seveda pristop, ki temelji na določenem računskem pragu, precej hitro zastari, saj se zmogljivost procesorjev, ki so jedro teh strojev, nenehno razvija in raste. Z vsako izdajo novih procesorjev se povečuje tudi produktivnost sodobnih računalnikov. Vendar je njihova gradnja zelo težka in finančno draga.
Preberite tudi: Projekt človeških možganov: Poskus posnemanja človeških možganov
Kateri superračunalniki so najhitrejši?
Imamo najnovejše podatke o tem vprašanju. Novembra 2023 je spletna stran Top500.org, ki že vrsto let redno objavlja ocene zmogljivosti najzmogljivejših računalnikov na Zemlji, objavila zadnjo, 62. edicijo lestvice Top500, ki predstavlja 500 trenutno najučinkovitejših superračunalnikov. .
Sistem Frontier je še vedno najučinkovitejši superračunalnik na planetu. Ta superračunalnik je prvi računalniški sistem na svetu v velikosti eksa, kar pomeni, da je njegova hitrost presegla 1 eksaflops. Sama Frontier se nahaja v Nacionalnem laboratoriju, ki se nahaja v Oak Ridgeu, Tennessee, ZDA. Ta superračunalnik je trenutno vodilni z oceno HPL (High Performance LINPACK – poseben test, ki ocenjuje surovo zmogljivost superračunalnikov) pri 1193 EFlops (exaflop je kvintilion ali 1018 izračuni s plavajočo vejico na sekundo).
Za primerjavo: hitrost najmočnejšega čipa Apple M1 Ultra ima približno 21 teraflopov (en trilijon FLOPS). Številka je ogromna, to je dejstvo. Presenetljivo je že leta 2002 obstajal računalnik, ki je razvil še večjo hitrost – to je superračunalnik Earth Simulator japonskega tehnološkega velikana NEC Corporation. Njegova hitrost je bila približno 36 teraflopov!
Frontier uporablja procesorje AMD EPYC 64C 2GHz in temelji na najnovejši arhitekturi HPE Cray EX235a. Sestavljen je iz 9408 procesorjev AMD EPYC in 37632 pospeševalnikov AMD Instinct MI250x. Skupno ima sistem 8 procesorskih in grafičnih jeder. Poleg tega ima Frontier impresivno energetsko učinkovitost 699 GFlops/watt in za prenos podatkov uporablja omrežje HPE Slingshot 904. Tako je med testi sposoben proizvesti do 52,59 eksaflopa. Najvišja zmogljivost je dosegla rekordnih 11 eksaflopov. Stroški naprave so ocenjeni na 1,1 milijonov dolarjev.
To je prvi in zaenkrat edini superračunalnik na svetu, ki deluje v flops načinu. Frontier je pred enim letom postal vodilni, a na junijski lestvici 2023 nikomur ni dovolil niti poseči v njegov položaj. In doslej, na začetku leta 2024, je ameriški superračunalnik najproduktivnejši na svetu.
Toda znanstveniki že namigujejo, da bo morda čez nekaj časa moral priznati premoč še enega ameriškega stroja: superračunalnika Aurora.
Po najnovejši lestvici je novi superračunalnik Aurora s čipi Intel Sapphire Rapids, ki deluje v Argonne Leadership Computing Facility v Illinoisu v ZDA, na drugem mestu z zmogljivostjo HPL 585,34 PFlops. Čeprav je to le polovica zmogljivosti vodilnega superračunalnika Frontier, sistem Aurora še ni dokončan in trenutno deluje le polovica načrtovanega končnega sistema. Po zaključku bo predvidena zmogljivost Aurore verjetno presegla 2 EFlops. Superračunalnik Aurora, ki ga je ustvaril Intel, temelji na arhitekturi HPE Cray EX - Intel Exascale Compute Blade, uporablja procesorje Intel Xeon CPU Max Series in Intel Data Center GPU Max Series pospeševalnike. Tako kot pri Frontierju je za prenos podatkov odgovorno omrežje HPE Slinghot-11.
Tretji najučinkovitejši superračunalnik je nov sistem v oblaku, imenovan Eagle Microsoft Azure v ZDA. Gre za svojevrstno tehnološko zanimivost, saj je Eagle superračunalnik v oblaku, tretje mesto na lestvici Top500 pa je najvišje, kar jih je kdaj dosegel sistem v oblaku. Microsoft Eagle se ponaša s HPL zmogljivostjo 561,2 PFlops, računalniško srce so procesorji in pospeševalniki Intel Xeon Platinum 8480C NVIDIA H100.
Tu velja omeniti japonski superračunalnik Fugaku, katerega zmogljivost je več kot trikrat manjša od Frontierja, in enega najproduktivnejših superračunalnikov v preteklosti - LUMI. Čeprav Kitajci še vedno gradijo nekaj močnega, je vse v prihodnosti.
Zanimivo tudi: Tehnološke napovedi za leto 2024: kaj pričakovati?
Zakaj potrebujemo toliko računalniške moči?
Morda občudujete učinkovitost najhitrejših strojev na Zemlji, vendar zmogljivost, ki jo dosegajo, ni namenjena podiranju rekordov, temveč doseganju želenih rezultatov izračuna v najkrajšem možnem času. Noben uporabnik superračunalnika ne uporablja te naprave za pisanje elektronske pošte ali pripravo predstavitve. Bila bi velika potrata, če bi takšne stroje uporabljali za opravljanje nalog, ki jih lahko izvajamo na napravah v naših domovih. Navsezadnje vam računalniški potencial superračunalnikov omogoča izvajanje dejanj, ki niso na voljo na običajnih računalnikih.
O katerih nalogah govorimo? Najprej o tistih, ki lahko prinesejo resnično korist, in to niso nujno tisti, ki jih je mogoče takoj pretvoriti v denar. Spomnimo se, da je bilo za ustvarjanje superračunalnika Frontier porabljenih le približno 600 milijonov ameriških dolarjev. Seveda so pomembni tudi stroški njegove uporabe in tekočega vzdrževanja. Superračunalnik zavzema površino 680 kvadratnih metrov in porabi 21 MW električne energije.
Frontier se tako kot drugi superračunalniki med drugim uporabljajo za naloge, kot so modeliranje podnebja, raziskave in proizvodnja novih zdravil, ki so ključnega pomena za človeštvo, raziskave novih materialnih tehnologij itd. Seveda je obseg nalog, ki jih opravlja tovrstna oprema, veliko širši in vključuje na primer analizo ogromnih nizov podatkov različnih vrst: finančnih, zdravstvenih, satelitskih posnetkov, modeliranje fizikalnih pojavov in mnogo, mnogo drugih. Dejstvo, da je Frontier prvi superračunalnik v velikosti eksa, mu omogoča izvajanje nalog, ki bi bile težke tudi na drugih superračunalnikih.
Primer je lahko modeliranje celotnega življenjskega cikla termonuklearnega reaktorja. Da, to ni napaka. Na svetu še ni niti ene same fuzijske elektrarne, vendar zmogljiva računalniška moč podjetja Frontier omogoča simulacijo obnašanja hipotetičnega fuzijskega reaktorja in napovedovanje obnašanja plazme v takem reaktorju. Seveda, dokler termonuklearna energija ni komercializirana, je težko razmišljati o koristih, vendar nihče na svetu ne dvomi, da je računalniška moč, ki bo prispevala k ustvarjanju in razvoju termonuklearne energije in rešila celotno človeštvo pred pomanjkanjem energije, vredna vsega. naložba.
Preberite tudi: Vse o Microsoft Kopilot: prihodnost ali napačna pot?
Superračunalniki in medicina
Ena od aplikacij superračunalnikov so zapleteni in energetsko intenzivni izračuni, povezani s strukturo kemikalij in organskih spojin. Natančna analiza obnašanja posameznih substanc, ki je mogoča zaradi zmožnosti simulacije obnašanja dane spojine na zelo natančni ravni, je orodje, ki omogoča razvoj novih, učinkovitejših zdravil.
Že leta 2020, pred lansiranjem superračunalnika Frontier, so znanstveniki nacionalnega laboratorija Oak Ridge, ki je takrat imel superračunalnik Summit (ta stroj je bil najučinkovitejši superračunalnik leta 2018, še vedno je v uporabi in se je uvrstil na 7. mesto z učinkovitostjo 148,8 PFlops) so ga uporabili za razvoj nove vrste zdravila proti raku. Novo zdravilo se je izkazalo za približno 10% boljše, učinkovitejše pri zdravljenju kot prej uporabljena sredstva. 10% seveda ni tako veliko, ampak to povejte bolnikom, ki jim je s to "majhno" razliko uspelo rešiti življenje. Človeško življenje je seveda neprecenljivo, a vsako zdravilo z večjo učinkovitostjo lahko zdravstvenemu sistemu prihrani ogromno sredstev in zmanjša stroške zdravljenja. Tukaj lahko Frontier pride prav. Njegove zmogljivosti so veliko višje od zmogljivosti istega superračunalnika Summit.
Preberite tudi:
- Apple Vision Pro je najbolj revolucionarna naprava po iPhonu. Vendar obstaja odtenek ©
- Preklopite na Apple MacBook Air s procesorjem M2: pregled in moji vtisi
Frontier in novi podnebni model
Modeliranje podnebja zahteva analizo in utemeljitev modela tisočletne zgodovine Zemlje. Seveda je to naloga, ki zahteva ogromno računalniških virov. Čim natančneje lahko modeliramo podnebne spremembe in napovemo, kaj se bo zgodilo na dolgi rok, tem hitrejše in zmogljivejše superračunalnike potrebujemo.
Mark Taylor iz Sandia National Laboratories, eden od raziskovalcev, ki se ukvarja s prvimi dolgoročnimi podnebnimi napovedmi na svetu z uporabo naraščajočega računalništva, je nekoč pripomnil: "Edinstvena računalniška arhitektura superračunalnika Frontier omogoča stvari, ki jih prej nismo mogli." To pomeni, da računalniška moč tega stroja skrajša izračun, ki je včasih trajal več let, na nekaj dni. Hkrati pa raziskovalcem omogoča pridobitev podrobnih ocen dolgoročnih učinkov podnebnih sprememb in ekstremnih vremenskih razmer. "To je nov zlati standard za podnebno modeliranje," dodaja Taylor.
Kakšne so prednosti? Prav ogromni so. Sposobnost napovedovanja katastrofalnih vremenskih sprememb lahko reši na desettisoče in morda celo milijone življenj. In analiza verjetnega vpliva segrevanja podnebja na globalne in regionalne vodne cikle nam omogoča, da se vnaprej pripravimo na prihodnje spremembe. Sodobni prostorski modeli obstajajo, vendar so računsko izjemno zahtevni. Do nedavnega prezahtevno. Da, omogočajo nam, da teoretično napovemo kompleksno interakcijo med različnimi elementi, ki sestavljajo tisto, čemur pravimo vreme ali podnebje, na primer konvektivno gibanje, ki spremlja nastanek oblakov, vendar je treba obdelati ogromen pretok informacij in narediti izračune neverjetne kompleksnosti.
Prisotnost superračunalnika Frontier je to že spremenila. Projekt Energy Exascale Earth System Model (E3SM) premaga te ovire s kombiniranjem novih pristopov programske opreme z ogromno zmogljivostjo v velikosti eksa. Sarath Sripathy, soavtorica študije in koordinatorka projekta E3SM ter soavtorica atmosferskega modela E3SM, imenovanega SCREAM, pojasnjuje: »Skupnost za modeliranje podnebja je dolgo sanjala o dovolj hitrem izvajanju modelov v kilometrskem merilu, ki bi olajšali desetletja dolge napovedi, in zdaj je to resničnost.".
Z drugimi besedami, takšen projekt brez Frontierja bi preprosto propadel zaradi pomanjkanja količin obdelave podatkov. Velja pa opozoriti, da ni pomembna le osnovna računalniška moč, ampak tudi optimizacija samih modelov. Peter Caldwell, klimatolog iz nacionalnega laboratorija Lawrence Livermore, in njegova ekipa so zadnjih pet let iz nič gradili nov model oblaka. Učinkovito bo deloval na grafičnih procesorjih (GPU), ki so danes zelo pomemben sestavni del računalniške moči sodobnih superračunalnikov. Sem lahko uvrstimo tudi zanimiv vrhunski avtomobil v svojem razredu.
Predstavljajte si. Prilagoditev kode za delovanje na grafičnih procesorjih je povzročila znatno povečanje zmogljivosti. SCREAM lahko deluje na 8192 mejnih vozliščih za simulacijo globalnih tvorb oblakov, ki so običajno trajale več kot eno leto (natančneje 1,25 leta) v eni 24-urni računalniški seji. Dolgoročne simulacije, ki zajemajo 30–40 let, je mogoče pri Frontierju izvesti v nekaj tednih. Raziskovalci ugotavljajo, da je bilo prej skoraj nemogoče narediti takšne izračune. Ljudje, ki želijo izvedeti več o teh študijah, lahko se seznanite z novo znanstveno publikacijo Mark Taylor in njegova ekipa.
Zanimivo tudi:
- Kako ameriška vojska sledi Božičku
- Prepoved prodaje Apple Oglejte si v ZDA: Vse podrobnosti primera
- Pogled Lenovo Yoga Book 9i: prenosni računalnik z dvema zaslonoma
Mejne in materialne tehnologije
Eden zanimivih projektov, ki izkorišča potencial eksaveličine superračunalnika Frontier, je delo na področju tehnologije materialov. To je ena največjih računalniških simulacij zlitine doslej, ki je zaradi svoje računalniške učinkovitosti omogočila doseganje skoraj kvantne natančnosti. Ta raziskava, ki jo je izvedel Vikram Gavini z Univerze v Michiganu, je inovativna v tem, da uporablja Schrödingerjevo enačbo za modeliranje obnašanja različnih materialov. Ogromna računalniška moč Frontierja mu je omogočila simulacijo sistema iz magnezijeve zlitine, sestavljenega iz 75 atomov.
Magnezijeve zlitine so zelo zanimiv material. Je zelo lahka in hkrati močna. Vendar pa so magnezijeve zlitine občutljive na določene napake, predvsem dislokacije (tj. Masivne napake v kristalni strukturi materiala), ki močno spremenijo njihove mehanske lastnosti. S tem obetaven material spremeni v kos neuporabne kovine, saj zlahka poči, je krhek in nestabilen. Znanstveniki so s pomočjo Frontierjeve računalniške moči uspeli popraviti nekatere od teh napak v magnezijevih zlitinah. Toda to je šele začetek trdega dela.
Zanimivo tudi:
Prihodnost superračunalnikov?
Konvencionalni računalniki ne morejo rešiti izzivov, ki nam jih postavljajo nekateri znanstveni in tehnični problemi. Superračunalniki imajo veliko večjo računalniško moč, kar jim omogoča izvajanje izračunov, ki bi bili na običajnih računalnikih nemogoči ali bi vzeli preveč časa. Z ustvarjanjem superračunalnikov si znanstveniki prizadevajo razširiti meje našega znanja in zmožnosti ter rešiti probleme, ki imajo lahko velik resničen vpliv na našo prihodnost.
Moorov zakon pravi, da se moč računalnikov eksponentno povečuje. Vsaki dve leti se hitrost izračunov podvoji, inženirjem in znanstvenikom uspe najti rešitve za probleme, ki so prej veljali za nemogoče.
Nekega dne bodo superračunalniki postali običajni. Navsezadnje so pred desetimi leti koncepti, kot so navidezna resničnost, igre v oblaku in metavesolje, obstajali le v domišljiji nekaj tehno strokovnjakov in geekov, danes pa je to naša realnost. Prihodnji generaciji se za izkoriščanje superračunalnikov ne bo treba niti izobraževati na področju informatike in zaposliti pri Googlu: tiho in neopazno bodo postali del vsakdana, tako kot pametni telefoni, prenosniki in drugo.
Preberite tudi: