Vad används det till? Frontier, världens mest kraftfulla och snabbaste superdator som arbetar på Oak Ridge National Laboratory? Från reaktormodellering till klimatprognoser.
Denna fråga har ett vidare sammanhang. Jag får ofta frågan varför vi överhuvudtaget bygger så kraftfulla maskiner, om var och en av oss kan ha en dator? Visst är superdatorer väldigt dyra maskiner som förbrukar enormt mycket energi, men det vi får ut av dem är mycket mer värdefullt. Idag ska jag försöka förklara det med exemplet med superdatorn Frontier.
Också intressant: Historia om OpenAI: Vad det var och vad som ligger framför företaget
Varför behöver vi superdatorer?
Kort sagt, superdatorer kan bearbeta enorma strömmar av information. Vår värld förändras väldigt snabbt, mänskligheten har skapat en enorm databas som måste bearbetas, analyseras, grupperas, sparas, äntligen. Detta kommer att hjälpa oss att till exempel få nya, billigare och effektivare mediciner, mer hållbara material, förutsäga klimatförändringar i årtionden osv. Superdatorer tillåter oss att modellera beteendet hos objekt som vi ska bygga, till exempel fusionsreaktorer. Och det här är bara några exempel på tillämpningen av de snabbaste superdatorerna. Ja, de är väldigt dyra att tillverka och underhålla, men de är värda det.
Men låt oss börja med grunderna. Vad är en superdator egentligen? Det finns ingen tydlig definition av detta ännu. Ett karakteristiskt drag hos varje nuvarande superdator är dock mycket hög datorkraft. En förenklad definition finns på Internet, enligt vilken en superdator är en maskin som kan uppnå en datorprestanda på minst 1 teraflops, dvs 1012 (biljoner) flyttalsoperationer per sekund. Detta är mycket jämfört med vanliga hemdatorer.
Om datorernas hastighet tidigare mättes i IPS (instruktioner per sekund), så måste en ny enhet uppfinnas för superdatorer - FLOPS, dvs flyttalsoperationer per sekund. Ju högre detta nummer, desto kraftfullare är datorn.
Naturligtvis blir ett tillvägagångssätt baserat på en viss beräkningströskel ganska snabbt föråldrat, eftersom prestandan hos de processorer som är kärnan i dessa maskiner ständigt utvecklas och växer. Med varje release av nya processorer ökar också produktiviteten hos moderna datorer. Men att bygga dem är mycket svårt och ekonomiskt dyrt.
Läs också: Human Brain Project: Ett försök att imitera den mänskliga hjärnan
Vilka superdatorer är snabbast?
Vi har de senaste uppgifterna om denna fråga. I november 2023 publicerade webbplatsen Top500.org, som regelbundet har publicerat prestandavärderingar av de kraftfullaste datorerna på jorden under många år, den senaste, 62:a upplagan av Top500-rankingen, som presenterar de 500 mest effektiva superdatorerna som finns för tillfället .
Frontier-systemet är fortfarande den mest effektiva superdatorn på planeten. Denna superdator är världens första exascale datorsystem, det vill säga dess hastighet översteg 1 exaflops. Själva Frontier ligger vid National Laboratory, som ligger i Oak Ridge, Tennessee, USA. Denna superdator är den nuvarande ledaren med ett HPL-poäng (High Performance LINPACK - ett speciellt test som utvärderar superdatorernas råa prestanda) på 1193 EFlops (en exaflop är en kvintiljon, eller 1018 flyttalsberäkningar per sekund).
Som jämförelse: hastigheten på det kraftfullaste chippet Apple M1 Ultra är cirka 21 teraflops (en biljon FLOPS). Antalet är enormt, det är ett faktum. Överraskande nog, redan 2002 fanns det en dator som utvecklade en ännu högre hastighet - det här är Earth Simulator superdatorn från den japanska teknikjätten NEC Corporation. Dess hastighet var cirka 36 teraflops!
Frontier använder AMD EPYC 64C 2 GHz-processorer och är baserad på den senaste HPE Cray EX235a-arkitekturen. Den är sammansatt av 9408 AMD EPYC-processorer och 37632 AMD Instinct MI250x-acceleratorer. Totalt har systemet 8 699 904 processor- och grafikkärnor. Dessutom har Frontier en imponerande effekteffektivitet på 52,59 GFlops/watt och använder HPE Slingshot 11-nätverket för dataöverföring. Så under testerna kan den producera upp till 1,1 exaflops. Toppprestanda nådde rekordet 1,686 600 exaflops. Kostnaden för enheten uppskattas till XNUMX miljoner dollar.
Detta är den första och hittills enda superdatorn i världen som fungerar i floppläge. Frontier blev ledare för ett år sedan, men tillät ingen att ens inkräkta på sin position i juni 2023-rankingen. Och än så länge, i början av 2024, är den amerikanska superdatorn den mest produktiva i världen.
Men forskare föreslår redan att han kanske efter en tid måste erkänna att en annan amerikansk maskin är överlägsen: superdatorn Aurora.
Enligt den senaste rankningen kommer den nya superdatorn Aurora med Intel Sapphire Rapids-chips, som körs på Argonne Leadership Computing Facility i Illinois, USA, på andra plats med en HPL-prestanda på 585,34 PFlops. Även om detta bara är hälften av prestandan för Frontiers flaggskeppssuperdator, är Aurora-systemet ännu inte färdigt, och bara hälften av det planerade slutliga systemet är för närvarande i drift. När det är klart kommer Auroras förväntade prestanda sannolikt att överstiga 2 EFlops. Aurora superdator, skapad av Intel, är baserad på HPE Cray EX-arkitekturen - Intel Exascale Compute Blade, använder Intel Xeon CPU Max Series-processorer och Intel Data Center GPU Max Series acceleratorer. Precis som i Frontier är HPE Slinghot-11-nätverket ansvarigt för dataöverföringen.
Den tredje mest effektiva superdatorn är ett nytt molnbaserat system kallat Eagle Microsoft Azure i USA. Detta är en slags teknisk nyfikenhet, eftersom Eagle är en superdator i molnet, och den tredje positionen i Top500-rankingen är den högsta som någonsin uppnåtts av ett molnsystem. Microsoft Eagle har HPL-prestanda på 561,2 PFlops, datorhjärtat är Intel Xeon Platinum 8480C-processorer och acceleratorer NVIDIA H100.
Här är det värt att nämna den japanska superdatorn Fugaku, vars prestanda är mer än tre gånger mindre än Frontier, och en av de mest produktiva superdatorerna tidigare - LUMI. Även om kineserna fortfarande bygger något kraftfullt, ligger allt i framtiden.
Också intressant: Tekniska prognoser för 2024: vad kan man förvänta sig?
Varför behöver vi så mycket datorkraft?
Du kan beundra effektiviteten hos de snabbaste maskinerna på jorden, men prestandan de uppnår handlar inte om att slå rekord, utan om att få de önskade beräkningsresultaten på kortast möjliga tid. Ingen superdatoranvändare använder den maskinen för att skriva ett e-postmeddelande eller förbereda en presentation. Det skulle vara ett fruktansvärt slöseri att använda sådana maskiner för att utföra uppgifter som vi kan utföra på enheter i våra hem. När allt kommer omkring låter superdatorernas beräkningspotential dig utföra åtgärder som inte är tillgängliga på vanliga datorer.
Vilka uppgifter pratar vi om? Först och främst om de som kan ge verklig nytta, och dessa är inte nödvändigtvis de som omedelbart kan omvandlas till pengar. Det är värt att komma ihåg att endast cirka 600 miljoner US-dollar spenderades på skapandet av superdatorn Frontier. Naturligtvis är dess användning och löpande underhållskostnader också betydande. Superdatorn upptar en yta på 680 kvadratmeter och förbrukar 21 MW el.
Frontier används, liksom andra superdatorer, bland annat för uppgifter som klimatmodellering, forskning och produktion av nya läkemedel som är livsviktiga för mänskligheten, forskning om ny materialteknologi m.m. Naturligtvis är omfattningen av uppgifter som utförs av denna typ av utrustning mycket bredare och inkluderar till exempel analys av enorma datamängder av olika typer: finansiella, medicinska, satellitbilder, modellering av fysiska fenomen och många, många andra. Det faktum att Frontier är den första exascale superdatorn gör att den kan utföra uppgifter som skulle vara svåra även på andra superdatorer.
Ett exempel kan vara modelleringen av hela livscykeln för en termonukleär reaktor. Ja, detta är inte ett fel. Det finns inte ett enda fusionskraftverk i världen ännu, men Frontiers kraftfulla exascale beräkningskraft gör det möjligt att simulera beteendet hos en hypotetisk fusionsreaktor och förutsäga plasmans beteende i en sådan reaktor. Naturligtvis, tills termonukleär energi kommersialiseras är det svårt att tänka på fördelarna, men ingen i världen tvivlar på att den datorkraft som kommer att bidra till skapandet och utvecklingen av termonukleär energi och rädda hela mänskligheten från energibrist är värd någonting. investering.
Läs också: Allt om Microsoft Copilot: framtiden eller på fel sätt?
Superdatorer och medicin
En av applikationerna för superdatorer är komplexa och energikrävande beräkningar relaterade till strukturen hos kemikalier och organiska föreningar. Den noggranna analysen av beteendet hos enskilda ämnen, som är möjlig på grund av förmågan att simulera beteendet hos en given förening på en mycket exakt nivå, är ett verktyg som möjliggör utveckling av nya, mer effektiva läkemedel.
Redan 2020, före lanseringen av Frontier-superdatorn, forskare vid Oak Ridge National Laboratory, som då hade Summit-superdatorn (denna maskin var den mest effektiva superdatorn 2018, den är fortfarande i bruk och rankad 7 med en effektivitet på 148,8 PFlops) använde den för att utveckla en ny typ av cancerläkemedel. Det nya läkemedlet visade sig vara cirka 10% bättre, mer effektivt i behandling än tidigare använda medel. 10% är förstås inte så mycket, men säg det till patienterna som lyckats rädda sina liv tack vare den där "lilla" skillnaden. Människoliv är naturligtvis ovärderligt, men vilket läkemedel som helst med högre effekt kan spara enorma resurser för sjukvården och minska behandlingskostnaderna. Det är här Frontier kan komma väl till pass. Dess kapacitet är mycket högre än den hos samma Summit-superdator.
Läs också:
- Apple Vision Pro är den mest revolutionerande enheten sedan iPhone. Men det finns en nyans ©
- Byta till Apple MacBook Air med M2-processor: recension och mina intryck
Frontier och den nya klimatmodellen
Klimatmodellering kräver analys och motivering av modellen för jordens tusenåriga historia. Naturligtvis är detta en uppgift som kräver en enorm mängd datorresurser. Ju mer exakt vi kan modellera klimatförändringarna och förutsäga vad som kommer att hända på lång sikt, desto snabbare och kraftfullare superdatorer behöver vi.
Mark Taylor från Sandia National Laboratories, en av forskarna som arbetar med världens första långsiktiga klimatförutsägelser med hjälp av eskalerande beräkningar, sa en gång: "Den unika beräkningsarkitekturen hos superdatorn Frontier möjliggör saker som vi inte kunde göra tidigare." Det vill säga att den här maskinens datorkraft minskar en beräkning som brukade ta år till några dagar. Samtidigt gör det att forskare kan få detaljerade uppskattningar av de långsiktiga effekterna av klimatförändringar och extrema väderförhållanden. "Detta är den nya guldstandarden för klimatmodellering," tillägger Taylor.
Vad är fördelarna? De är bara enorma. Förmågan att förutsäga katastrofala väderförändringar kan rädda tiotusentals, och kanske till och med miljoner, liv. Och analysen av klimatuppvärmningens sannolika inverkan på globala och regionala vattenkretslopp gör att vi kan förbereda oss i förväg för framtida förändringar. Moderna rumsliga modeller finns, men de är extremt beräkningskrävande. Tills nyligen, för krävande. Ja, de tillåter oss att teoretiskt förutsäga den komplexa interaktionen mellan de olika elementen som utgör det vi kallar väder eller klimat, till exempel den konvektiva rörelsen som följer med bildandet av moln, men där är det nödvändigt att bearbeta ett enormt flöde av information och gör beräkningar av otrolig komplexitet.
Närvaron av superdatorn Frontier har redan förändrat det. Energi Exascale Earth System Model (E3SM)-projektet övervinner dessa hinder genom att kombinera nya mjukvarumetoder med massiv exascale-prestanda. Sarath Sripathy, medförfattare till studien och koordinator för E3SM-projektet och medförfattare till E3SM-atmosfärmodellen som kallas SCREAM, förklarar: "Klimatmodellgemenskapen har länge drömt om att köra modeller i kilometerskala tillräckligt snabbt för att underlätta decennier långa förutsägelser, och nu är det verklighet.".
Med andra ord skulle ett sådant projekt utan Frontier helt enkelt misslyckas på grund av bristande databehandlingsvolymer. Det är dock värt att notera att inte bara den grundläggande datorkraften är viktig, utan också optimeringen av själva modellerna. Peter Caldwell, en klimatolog vid Lawrence Livermore National Laboratory, och hans team har ägnat de senaste fem åren åt att bygga en ny molnmodell från grunden. Det kommer att fungera effektivt på grafikprocessorer (GPU), som idag är en mycket viktig komponent i datorkraften hos moderna superdatorer. En intressant toppbil i sin klass kan också ingå här.
Tänka. Att anpassa koden för att köras på GPU:er har lett till en betydande ökning av prestanda. SCREAM kan köras på 8192 1,25 Frontier-noder för att simulera globala molnformationer som vanligtvis tog mer än ett år (24 år för att vara exakt) i en enda 30-timmars datorsession. Långtidssimuleringar som sträcker sig över 40-XNUMX år kan göras på Frontier på några veckor. Forskarna noterar att det tidigare var nästan omöjligt att göra sådana beräkningar. Människor som är intresserade av att lära sig mer om dessa studier kan bekanta dig med den nya vetenskapliga publikationen Mark Taylor och hans team.
Också intressant:
- Hur den amerikanska armén spårar jultomten
- Förbud mot försäljning Apple Se i USA: Alla detaljer i fallet
- Recension Lenovo Yoga Book 9i: en konvertibel bärbar dator med två skärmar
Frontier och materialteknik
Ett intressant projekt som drar fördel av den exaskala potentialen hos Frontier-superdatorn är arbete inom materialteknik. Detta är en av de största beräkningssimuleringarna någonsin av en legering, som tack vare sin beräkningseffektivitet har gjort det möjligt att uppnå en noggrannhet nära kvantnivå. Denna forskning, utförd av Vikram Gavini från University of Michigan, är innovativ genom att den använder Schrödingers ekvation för att modellera beteendet hos olika material. Frontiers enorma datorkraft gjorde det möjligt för den att simulera ett magnesiumlegeringssystem bestående av 75 000 atomer.
Magnesiumlegeringar är ett mycket intressant material. Den är väldigt lätt och samtidigt stark. Magnesiumlegeringar är dock känsliga för vissa defekter, främst dislokationer (d.v.s. massiva defekter i materialets kristallstruktur), som dramatiskt förändrar deras mekaniska egenskaper. Detta förvandlar ett lovande material till ett stycke oanvändbar metall, eftersom det lätt spricker, är sprött och instabilt. Forskare med hjälp av Frontiers datorkraft lyckades korrigera några av dessa defekter i magnesiumlegeringar. Men detta är bara början på hårt arbete.
Också intressant:
Framtiden för superdatorer?
Konventionella datorer kan inte lösa de utmaningar som vissa vetenskapliga och tekniska problem innebär för oss. Superdatorer har mycket mer datorkraft, vilket gör att de kan utföra beräkningar som skulle vara omöjliga eller ta för mycket tid på vanliga datorer. Genom att skapa superdatorer strävar forskare efter att vidga gränserna för vår kunskap och kapacitet, samt lösa problem som kan ha en enorm verklig inverkan på vår framtid.
Moores lag säger att datorernas kraft ökar exponentiellt. Vartannat år fördubblas beräkningshastigheten, ingenjörer och forskare lyckas hitta lösningar på problem som tidigare ansågs omöjliga.
En dag kommer superdatorer att bli vanliga. För bara tio år sedan existerade sådana begrepp som virtuell verklighet, molnspel och metauniversum bara i fantasin hos några få teknoexperter och nördar, och idag är det vår verklighet. Den framtida generationen kommer inte ens behöva skaffa sig en IT-utbildning och få jobb på Google för att dra nytta av superdatorer: de kommer tyst och omärkligt att bli en del av vardagen, precis som smartphones, bärbara datorer och annat.
Läs också: