Всі секрети суперкомп'ютера Frontier

Для чого використовується Frontier, найпотужніший і найшвидший суперкомп’ютер у світі, що працює в Національній лабораторії в Оук-Ріджі? Від моделювання реакторів до прогнозування клімату.

Це питання має більш широкий контекст. Мене часто питають, навіщо ми взагалі будуємо такі потужні машини, якщо кожен з нас може мати комп’ютер? Звичайно ж, суперкомп’ютери – це дуже дорогі машини, які споживають величезну кількість енергії, але те, що ми від них отримуємо, набагато цінніше. Сьогодні спробую це пояснити на прикладі суперкомп’ютера Frontier.

Також цікаво: Історія з OpenAI: Що це було і що чекає на компанію

ЗМІСТ

1. Навіщо нам суперкомп’ютери?

2. Які суперкомп’ютери найшвидші?

3. Навіщо нам така величезна обчислювальна потужність?

4. Суперкомп’ютери і ліки

5. Frontier і нова модель клімату

6. Граничні та матеріальні технології

7. Майбутнє за суперкомп’ютерами?

Навіщо нам суперкомп’ютери?

Якщо коротко, то суперкомп’ютери можуть обробляти величезні потоки інформації. Наш світ міняється дуже швидкоплинно, людство створило величезну базу даних, яку треба обробити, проаналізувати, згрупувати, зберегти, нарешті. Це допоможе нам, наприклад, отримати нові, дешевші та ефективніші ліки, довговічніші матеріали, спрогнозувати зміни клімату на десятиліття тощо. Суперкомп’ютери дозволяють моделювати поведінку об’єктів, які ми збираємося побудувати, наприклад термоядерних реакторів. І це лише окремі приклади застосування найшвидших суперкомп’ютерів. Так, вони дуже дорогі у виробництві і обслуговуванні, але воно того варте.

Але давайте почнемо з основ. Що взагалі собою являє суперкомп’ютер? Чіткого визначення цього поки що немає. Проте, характерною особливістю кожного нині діючого суперкомп’ютера є дуже висока обчислювальна потужність. В Інтернеті можна знайти спрощене визначення, згідно з яким суперкомп’ютер — це машина, яка здатна досягти обчислювальної продуктивності, щонайменше, в 1 терафлопс,тобто 10¹²(трильйон) операцій з плаваючою комою за секунду. Це дуже багато у порівнянні зі звичайними домашніми комп’ютерами.

Якщо раніше швидкість роботи комп’ютерів вимірювалася в IPS (інструкції за секунду), то для суперкомп’ютерів довелося винаходити нову одиницю – FLOPS, тобто операції з плаваючою комою за секунду. Чим це число вище, то комп’ютер потужніший.

Звичайно, підхід, заснований на певному обчислювальному порозі, досить швидко застаріває, оскільки продуктивність процесорів, які є серцевиною цих машин, постійно розвивається та зростає. З кожним випуском нових процесорів росте і продуктивність сучасних комп’ютерів. Однак, будувати їх дуже важко і фінансово затратно.

Читайте також: Human Brain Project: Спроба імітувати людський мозок

Які суперкомп’ютери найшвидші?

Ми маємо останні дані з цього питання. У листопаді 2023 року сайт Top500.org, який протягом багатьох років регулярно публікує рейтинги продуктивності найпотужніших обчислювальних машин на Землі, опублікував останнє, 62-е видання рейтингу Top500, в якому представлені 500 найефективніших суперкомп’ютерів, що існують на даний момент.

Система Frontier до цього часу залишається найефективнішим суперкомп’ютером на планеті. Цей суперкомп’ютер — перша в світі обчислювальна система екзамасштабу, тобто, його швидкодія перевищила 1 екзафлопс. Сам Frontier знаходиться у Національній лабораторії, яка розташована в Оук-Рідж у штаті Теннессі, США. Цей суперкомп’ютер є поточним лідером із показником HPL (High Performance LINPACK – спеціальний тест, який оцінює вихідну продуктивність суперкомп’ютерів) у 1193 EFlops (екзафлоп – це квінтильйон, або 10¹⁸ обчислень із плаваючою комою за секунду).

Для порівняння: швидкість найпотужнішого чипа Apple M1 Ultra складає близько 21 терафлопс (один трильйон FLOPS). Число величезне, це факт. Дивно, але ще в 2002 році був комп’ютер, який розвивав швидкість ще більшу – це суперкомп’ютер Earth Simulator японського технологічного гіганта NEC Corporation. Його швидкість була близько 36 терафлопс!

Frontier використовує процесори AMD EPYC 64C 2 ГГц і базується на новітній архітектурі HPE Cray EX235a. Він зібраний з 9408 процесорів AMD EPYC і 37632 прискорювачів AMD Instinct MI250x. Загалом система має 8 699 904 процесорних і графічних ядер. Крім того, Frontier має вражаючу енергоефективність – 52,59 GFlops/watt, і використовує мережу HPE Slingshot 11 для передачі даних. Так у ході випробувань він здатний видавати до 1,1 екзафлопу. Пікова продуктивність досягла рекордних 1,686 екзафлопу. Вартість апарату оцінюється у $600 млн.

Це перший, і поки що єдиний у світі суперкомп’ютер, що працює в режимі flops. Frontier став лідером рік тому, але не дозволив нікому навіть зазіхати на свою позицію в червневому рейтингу 2023 року. І поки що, на початок 2024 року, американський суперкомп’ютер є найпродуктивнішим у світі.

Але вчені вже припускають, що, можливо, через деякий час йому доведеться визнати перевагу іншої американської машини: суперкомп’ютера Aurora.

Відповідно до останнього рейтингу, новий суперкомп’ютер Aurora з чипами Intel Sapphire Rapids, що працює в Argonne Leadership Computing Facility в Іллінойсі, США, займає друге місце з продуктивністю HPL 585,34 PFlops. Хоча це тільки половина продуктивності топового суперкомп’ютера Frontier, система Aurora ще не завершена, і лише половина запланованої остаточної системи зараз працює. Після завершення прогнозована продуктивність Aurora, ймовірно, перевищить 2 EFlops. Суперкомп’ютер Aurora, створений компанією Intel, базується на архітектурі HPE Cray EX – Intel Exascale Compute Blade, використовує процесори Intel Xeon CPU Max Series і прискорювачі Intel Data Center GPU Max Series. Як і в Frontier, за передачу даних відповідає мережа HPE Slinghot-11.

Третім найефективнішим суперкомп’ютером є нова система під назвою Eagle, встановлена у хмарі Microsoft Azure в США. Це своєрідний технологічний курйоз, оскільки Eagle — хмарний суперкомп’ютер, а третя позиція в рейтингу Top500 — найвища, яку коли-небудь досягала хмарна система. Microsoft Eagle може похвалитися продуктивністю HPL 561,2 PFlops, обчислювальним серцем є процесори Intel Xeon Platinum 8480C і прискорювачі NVIDIA H100.

Тут варто ще згадати про японський суперкомп’ютер Fugaku, продуктивність якого більш ніж утричі менша за Frontier, і один з найпродуктивніших суперкомп’ютерів у минулому – LUMI. Хоча зараз ще й китайці щось потужне будують, але то все в перспективі.

Також цікаво: Технологічні прогнози на 2024 рік: чого чекати?

Навіщо нам така величезна обчислювальна потужність?

Ви можете захоплюватися ефективністю найшвидших машин на Землі, але показники, яких вони досягають, пов’язані не з побиттям рекордів, а з отриманням бажаних результатів розрахунків у найкоротші терміни. Жоден користувач суперкомп’ютера не використовує цю машину для написання електронного листа чи підготовки презентації. Використовувати такі машини для виконання завдань, які ми можемо виконувати на пристроях у наших домівках, було б жахливим марнотратством. Адже обчислювальний потенціал суперкомп’ютерів дозволяє виконувати дії, які недоступні на звичайних комп’ютерах.

Про які завдання йде мова? В першу чергу про ті, які можуть принести реальну користь, і це не обов’язково ті, які можна відразу конвертувати у гроші. Варто нагадати, що тільки на створення суперкомп’ютера Frontier було витрачено близько 600 мільйонів доларів США. Звичайно, його використання і поточні витрати на технічне обслуговування також значні. Суперкомп’ютер займає площу 680 квадратних метрів і споживає 21 МВт електроенергії.

Frontier, як і інші суперкомп’ютери, використовується, серед іншого, для таких завдань, як моделювання клімату, дослідження і виробництво нових, життєво необхідних людству ліків, дослідження нових технологій матеріалів тощо. Звичайно, обсяг завдань, які виконує цей тип обладнання, значно ширший і включає, наприклад, аналіз величезних масивів даних різних типів: фінансових, медичних, супутникових зображень, моделювання фізичних явищ та багато-багато інших. Той факт, що Frontier є першим екзамасштабним суперкомп’ютером, дозволяє йому виконувати завдання, які було б важко виконати навіть на інших суперкомп’ютерах.

Прикладом може бути моделювання всього життєвого циклу термоядерного реактора. Так, це не помилка. У світі поки що немає жодної термоядерної електростанції, але потужна екзамасштабна обчислювальна потужність Frontier дозволяє змоделювати поведінку гіпотетичного термоядерного реактора та прогнозувати поведінку плазми в такому реакторі. Звичайно, поки термоядерна енергетика не комерціалізована, важко думати про користь, але ніхто в світі не сумнівається, що обчислювальна потужність, яка сприятиме створенню і розвитку термоядерної енергетики і позбавить все людство від нестачі енергії, варта будь-яких інвестицій.

Читайте також: Все про Microsoft Copilot: майбутнє чи хибний шлях?

Суперкомп’ютери і ліки

Одним із застосувань суперкомп’ютерів є складні та енергоємні обчислення, пов’язані зі структурою хімічних речовин і органічних сполук. Ретельний аналіз поведінки окремих речовин, який можливий завдяки здатності симулювати поведінку даної сполуки на дуже точному рівні, є інструментом, що дозволяє розробляти нові, більш ефективні ліки.

Ще у 2020 році, перед запуском суперкомп’ютера Frontier, вчені з національної лабораторії в Оук-Рідж, у яких тоді був суперкомп’ютер Summit (ця машина була найефективнішим суперкомп’ютером у 2018 році, вона використовується й досі, і займає 7 місце з ефективністю 148,8 PFlops) використовували його для розробки нового типу ліків від раку. Новий препарат виявився приблизно на 10% кращим, більш ефективним у лікуванні, ніж раніше використовувані засоби. Зрозуміло, що 10% це не так вже й багато, але скажіть це пацієнтам, яким вдалося врятувати життя завдяки цій “маленькій” різниці. Життя людини, звичайно ж, безцінне, але будь-який препарат з вищою ефективністю може заощадити величезні ресурси системі охорони здоров’я та зменшити витрати на лікування. Ось тут Frontier може стати у пригоді. Його можливості набагато вищі, ніж у того ж суперкомп’ютера Summit.

Читайте також:

Frontier і нова модель клімату

Моделювання клімату вимагає аналізу та обґрунтування моделі тисячолітньої історії Землі. Звичайно, це завдання, яке потребує величезної кількості обчислювальних ресурсів. Чим точніше ми зможемо моделювати зміни клімату та прогнозувати, що станеться в довгостроковій перспективі, тим швидший та потужніший суперкомп’ютер нам потрібен.

Марк Тейлор з Sandia National Laboratories, один із дослідників, які працюють над першими в світі довгостроковими прогнозами клімату за допомогою ескалаційних обчислень, якось відмітив: “Унікальна обчислювальна архітектура суперкомп’ютера Frontier дозволяє те, що ми не могли робити раніше”. Тобто, обчислювальна потужність цієї машини скорочує обчислювальну роботу, яка раніше займала роки, до кількох днів. Водночас, це дозволяє дослідникам отримати детальні оцінки довгострокових наслідків зміни клімату та екстремальних погодних умов. “Це новий золотий стандарт кліматичного моделювання”, — додає Тейлор.

Які переваги? Вони просто величезні. Можливість передбачити катастрофічні зміни погоди може врятувати десятки тисяч, а, може, й мільйони життів. А аналіз ймовірного впливу потепління клімату на глобальні та регіональні водні цикли дозволяє нам заздалегідь підготуватися до майбутніх змін. Існують сучасні просторові моделі, але вони є надзвичайно вимогливими до обчислень. Донедавна – занадто вимогливими. Так, вони дозволяють теоретично передбачати складну взаємодію між різними елементами, які складають те, що ми називаємо погодою або кліматом, наприклад конвективний рух, що супроводжує утворення хмар, але там потрібно обробляти величезний потік інформації і робити обчислення неймовірної складності.

Саме наявність суперкомп’ютера Frontier вже змінила це. Проект Energy Exascale Earth System Model (E3SM) долає ці перешкоди шляхом поєднання нових програмних підходів з величезною екзамасштабною продуктивністю. Сарат Шріпаті, співавтор дослідження та координатор проекту E3SM і співавтор моделі атмосфери E3SM під назвою SCREAM, пояснює: “Спільнота моделювання клімату давно мріяла запускати моделі кілометрового масштабу з достатньою швидкістю, щоб полегшити прогнозування протягом десятиліть, і тепер це стало реальністю”.

Іншими словами, такий проект без Frontier просто провалився б через брак обсягів обробки даних. Однак варто зазначити, що важлива не лише базова обчислювальна потужність, а й оптимізація самих моделей. Пітер Колдуелл, кліматолог з Ліверморської національної лабораторії імені Лоуренса, і його команда витратили останні п’ять років на створення нової хмарної моделі з нуля. Вона буде ефективно працювати на графічних процесорах (GPU), які сьогодні є дуже важливим компонентом обчислювальної потужності сучасних суперкомп’ютерів. Сюди можна також включити цікаву топову машину в своєму класі.

Уявіть собі. Адаптація коду для роботи на графічних процесорах призвела до значного підвищення продуктивності. SCREAM може працювати на 8192 вузлах Frontier для моделювання глобальних хмарних утворень, які зазвичай тривали більше року (1,25 року, якщо бути точним) за один 24-годинний сеанс обчислення. Довгострокове моделювання, що охоплює 30-40 років, на Frontier можна здійснити за кілька тижнів. Дослідники зазначають, що раніше провести подібні розрахунки було практично неможливо. Люди, яким цікаво дізнатися про ці дослідження більше, можуть ознайомитися з новою науковою публікацією Марка Тейлора та його команди.

Також цікаво:

Граничні та матеріальні технології

Одним з цікавих проектів, що використовує переваги екзамасштабного потенціалу суперкомп’ютера Frontier, є робота в галузі технології матеріалів. Це одна з найбільших в історії обчислювальних симуляцій сплаву, яка завдяки своїй обчислювальній ефективності дозволила досягти точності, що досягає майже квантового рівня. Це дослідження, проведене Вікрамом Гавіні з Мічиганського університету, є інноваційним у тому, що для моделювання поведінки різних матеріалів використовується рівняння Шредінгера. Величезна обчислювальна потужність Frontier дозволила змоделювати систему магнієвого сплаву, що складається з 75 000 атомів.

Магнієві сплави – дуже цікавий матеріал. Він дуже легкий і в той же час міцний. Однак магнієві сплави чутливі до певних дефектів, головним чином дислокацій (тобто масивних дефектів у кристалічній структурі матеріалу), які різко змінюють їх механічні властивості. Це перетворює перспективний матеріал на шматок непридатного для використання металу, бо він легко тріскається, крихкий і нестабільний. Вченим за допомогою обчислювальних потужностей Frontier вдалося дещо виправити в цих дефектах магнієвих сплавів. Але це лише початок важкої праці.

Також цікаво:

Майбутнє за суперкомп’ютерами?

Звичайні комп’ютери не можуть вирішити виклики, які ставлять перед нами деякі науково-технічні проблеми. Суперкомп’ютери мають набагато більшу обчислювальну потужність, що дозволяє їм виконувати обчислення, які на звичайних комп’ютерах були б неможливими або займали б занадто багато часу. Створюючи суперкомп’ютери, вчені прагнуть розширити межі наших знань і можливостей, а також вирішувати проблеми, які можуть мати величезний реальний вплив на наше майбутнє.

Закон Мура говорить, що потужність комп’ютерів зростає у геометричній прогресії. Кожні два роки швидкість обчислень подвоюється, інженерам та вченим вдається знайти вирішення таких завдань, які раніше вважалися нездійсненними.

Колись суперкомп’ютери стануть буденністю. Адже лише десять років тому такі поняття, як віртуальна реальність, хмарні ігри та метавсесвіт, існували лише в уяві небагатьох техноекспертів та гіків, а сьогодні це наша реальність. Майбутньому поколінню не доведеться навіть отримувати IT-освіту і влаштовуватися працювати в Google, щоб скористатися перевагами суперкомп’ютерів: тихо і непомітно вони стануть частиною повсякденного життя, так само, як смартфони, ноутбуки та інші речі.