Cái này được dùng để làm gì? Frontier, siêu máy tính mạnh nhất và nhanh nhất thế giới đang hoạt động tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge? Từ mô hình lò phản ứng đến dự báo khí hậu
Câu hỏi này có bối cảnh rộng hơn. Tôi thường được hỏi tại sao chúng ta lại tạo ra những cỗ máy mạnh mẽ như vậy nếu mỗi người trong chúng ta đều có thể có một chiếc máy tính? Tất nhiên, siêu máy tính là những cỗ máy rất đắt tiền, tiêu tốn một lượng năng lượng khổng lồ, nhưng những gì chúng ta nhận được từ chúng còn giá trị hơn nhiều. Hôm nay tôi sẽ cố gắng giải thích nó bằng ví dụ về siêu máy tính Frontier.
Cũng thú vị: Lịch sử của OpenAI: Nó là gì và điều gì đang chờ đợi công ty ở phía trước
Tại sao chúng ta cần siêu máy tính?
Nói tóm lại, siêu máy tính có thể xử lý những luồng thông tin khổng lồ. Thế giới của chúng ta đang thay đổi rất nhanh chóng, nhân loại đã tạo ra một cơ sở dữ liệu khổng lồ cần được xử lý, phân tích, nhóm lại, lưu trữ. Điều này sẽ giúp chúng ta, chẳng hạn, có được các loại thuốc mới, rẻ hơn và hiệu quả hơn, vật liệu bền hơn, dự đoán biến đổi khí hậu trong nhiều thập kỷ, v.v. Siêu máy tính cho phép chúng ta mô hình hóa hành vi của các vật thể mà chúng ta sắp chế tạo, chẳng hạn như lò phản ứng nhiệt hạch. Và đây chỉ là một số ví dụ về ứng dụng của siêu máy tính nhanh nhất. Đúng, chúng rất tốn kém để sản xuất và bảo trì, nhưng chúng đáng giá.
Nhưng hãy bắt đầu với những điều cơ bản. Rốt cuộc thì siêu máy tính là gì? Hiện vẫn chưa có định nghĩa rõ ràng về điều này. Tuy nhiên, đặc điểm đặc trưng của mọi siêu máy tính đang hoạt động hiện nay là khả năng tính toán rất cao. Một định nghĩa đơn giản có thể được tìm thấy trên Internet, theo đó siêu máy tính là một cỗ máy có thể đạt được hiệu suất tính toán ít nhất 1 teraflop, tức là 1012 (nghìn tỷ) phép tính dấu phẩy động mỗi giây. Con số này là rất nhiều so với các máy tính gia đình thông thường.
Nếu trước đó tốc độ của máy tính được đo bằng IPS (hướng dẫn mỗi giây), thì một đơn vị mới phải được phát minh cho siêu máy tính - FLOPS, tức là các phép toán dấu phẩy động trên giây. Con số này càng cao thì máy tính càng mạnh.
Tất nhiên, cách tiếp cận dựa trên một ngưỡng tính toán nhất định sẽ nhanh chóng trở nên lỗi thời, vì hiệu suất của bộ xử lý cốt lõi của những máy này không ngừng phát triển và tăng trưởng. Với mỗi lần phát hành bộ xử lý mới, năng suất của máy tính hiện đại cũng tăng lên. Tuy nhiên, việc xây dựng chúng rất khó khăn và tốn kém về mặt tài chính.
Đọc thêm: Dự án bộ não con người: Nỗ lực bắt chước bộ não con người
Siêu máy tính nào nhanh nhất?
Chúng tôi có dữ liệu mới nhất về vấn đề này. Vào tháng 2023 năm 500, trang web Top62.org, nơi thường xuyên công bố xếp hạng hiệu suất của các máy tính mạnh nhất trên Trái đất trong nhiều năm, đã xuất bản phiên bản thứ 500 mới nhất của bảng xếp hạng Top500, giới thiệu siêu máy tính hiệu quả nhất hiện đang tồn tại. .
Hệ thống Frontier vẫn là siêu máy tính hiệu quả nhất hành tinh. Siêu máy tính này là hệ thống tính toán exascale đầu tiên trên thế giới, tức là tốc độ của nó vượt quá 1 exaflop. Bản thân Frontier được đặt tại Phòng thí nghiệm Quốc gia, nằm ở Oak Ridge, Tennessee, Hoa Kỳ. Siêu máy tính này hiện đang dẫn đầu với điểm HPL (High Performance LINPACK - bài kiểm tra đặc biệt đánh giá hiệu năng thô của siêu máy tính) ở mức 1193 EFlops (một exaflop là một tạ tỷ, hay 1018 tính toán dấu phẩy động mỗi giây).
Để so sánh: tốc độ của chip mạnh nhất Apple M1 Ultra có dung lượng khoảng 21 teraflop (một nghìn tỷ FLOPS). Con số rất lớn, đó là sự thật. Điều đáng ngạc nhiên là vào năm 2002 đã có một chiếc máy tính còn phát triển tốc độ còn lớn hơn - đây là siêu máy tính Earth Simulator của gã khổng lồ công nghệ Nhật Bản NEC Corporation. Tốc độ của nó là khoảng 36 teraflop!
Frontier sử dụng bộ vi xử lý AMD EPYC 64C 2 GHz và dựa trên kiến trúc HPE Cray EX235a mới nhất. Nó được lắp ráp từ 9408 bộ xử lý AMD EPYC và 37632 bộ tăng tốc AMD Instinct MI250x. Tổng cộng, hệ thống có 8 lõi xử lý và đồ họa. Ngoài ra, Frontier còn có hiệu suất sử dụng điện năng ấn tượng 699 GFlops/watt và sử dụng mạng HPE Slingshot 904 để truyền dữ liệu. Vì vậy, trong quá trình thử nghiệm, nó có thể tạo ra tới 52,59 exaflop. Hiệu suất cao nhất đạt kỷ lục 11 exaflop. Chi phí của thiết bị ước tính khoảng 1,1 triệu USD.
Đây là siêu máy tính đầu tiên và duy nhất trên thế giới hoạt động ở chế độ thất bại. Frontier trở thành người dẫn đầu cách đây một năm nhưng không cho phép bất kỳ ai lấn chiếm vị trí của mình trong bảng xếp hạng tháng 2023 năm 2024. Và tính đến thời điểm đầu năm , siêu máy tính của Mỹ có năng suất cao nhất thế giới.
Nhưng các nhà khoa học đã gợi ý rằng có thể sau một thời gian nữa ông sẽ phải thừa nhận tính ưu việt của một cỗ máy khác của Mỹ: siêu máy tính Aurora.
Theo bảng xếp hạng mới nhất, siêu máy tính Aurora mới với chip Intel Sapphire Rapids, chạy tại Cơ sở tính toán lãnh đạo Argonne ở Illinois, Mỹ, đứng thứ hai với hiệu suất HPL là 585,34 PFlops. Mặc dù đây chỉ bằng một nửa hiệu suất của siêu máy tính hàng đầu của Frontier nhưng hệ thống Aurora vẫn chưa hoàn thiện và hiện chỉ có một nửa hệ thống cuối cùng theo kế hoạch đang hoạt động. Sau khi hoàn thành, hiệu suất dự kiến của Aurora có thể vượt quá 2 EFlop. Siêu máy tính Aurora do Intel tạo ra dựa trên kiến trúc HPE Cray EX - Intel Exascale Computing Blade, sử dụng bộ xử lý Intel Xeon CPU Max Series và bộ tăng tốc GPU Max Series của Trung tâm dữ liệu Intel. Như ở Frontier, mạng HPE Slinghot-11 chịu trách nhiệm truyền dữ liệu.
Siêu máy tính hiệu quả thứ ba là hệ thống dựa trên đám mây mới có tên Eagle Microsoft Azure ở Mỹ. Đây là một sự tò mò về công nghệ, vì Eagle là một siêu máy tính đám mây và vị trí thứ ba trong bảng xếp hạng Top500 là vị trí cao nhất mà một hệ thống đám mây từng đạt được. Microsoft Eagle tự hào có hiệu suất HPL là 561,2 PFlops, trái tim điện toán là bộ xử lý và bộ tăng tốc Intel Xeon Platinum 8480C NVIDIA H100
Ở đây cần nhắc đến siêu máy tính Fugaku của Nhật Bản, hiệu suất kém hơn Frontier gấp ba lần và một trong những siêu máy tính hiệu quả nhất trong quá khứ - LUMI. Mặc dù người Trung Quốc vẫn đang xây dựng một thứ gì đó hùng mạnh nhưng tất cả đều ở tương lai.
Cũng thú vị: Dự báo công nghệ cho năm 2024: mong đợi điều gì?
Tại sao chúng ta cần nhiều sức mạnh tính toán như vậy?
Bạn có thể ngưỡng mộ hiệu suất của những cỗ máy nhanh nhất trên Trái đất, nhưng hiệu suất mà chúng đạt được không phải là phá kỷ lục mà là đạt được kết quả tính toán mong muốn trong thời gian ngắn nhất. Không người dùng siêu máy tính nào sử dụng chiếc máy đó để viết email hoặc chuẩn bị bài thuyết trình. Sẽ là một sự lãng phí khủng khiếp nếu sử dụng những chiếc máy như vậy để thực hiện những công việc mà chúng ta có thể thực hiện trên các thiết bị trong nhà. Xét cho cùng, tiềm năng tính toán của siêu máy tính cho phép bạn thực hiện các hành động không có trên máy tính thông thường.
Chúng ta đang nói về những nhiệm vụ nào? Trước hết, về những thứ có thể mang lại lợi ích thực sự, và đây không nhất thiết là những thứ có thể chuyển đổi ngay thành tiền. Điều đáng nhớ là chỉ có khoảng 600 triệu đô la Mỹ được chi cho việc tạo ra siêu máy tính Frontier. Tất nhiên, chi phí sử dụng và bảo trì liên tục của nó cũng rất đáng kể. Siêu máy tính chiếm diện tích 680 mét vuông và tiêu thụ 21 MW điện.
Frontier, giống như các siêu máy tính khác, được sử dụng cho các nhiệm vụ như lập mô hình khí hậu, nghiên cứu và sản xuất các loại thuốc mới quan trọng cho nhân loại, nghiên cứu công nghệ vật liệu mới, v.v. Tất nhiên, phạm vi nhiệm vụ được thực hiện bởi loại thiết bị này rộng hơn nhiều và bao gồm, chẳng hạn như phân tích các tập dữ liệu khổng lồ thuộc nhiều loại khác nhau: tài chính, y tế, hình ảnh vệ tinh, mô hình hóa các hiện tượng vật lý và nhiều loại khác. Việc Frontier là siêu máy tính exascale đầu tiên cho phép nó thực hiện các nhiệm vụ khó khăn ngay cả trên các siêu máy tính khác.
Một ví dụ có thể là mô hình hóa toàn bộ vòng đời của lò phản ứng nhiệt hạch. Vâng, đây không phải là một lỗi. Chưa có một nhà máy điện nhiệt hạch nào trên thế giới, nhưng khả năng tính toán exascale mạnh mẽ của Frontier cho phép mô phỏng hoạt động của một lò phản ứng nhiệt hạch giả định và dự đoán hoạt động của plasma trong lò phản ứng đó. Tất nhiên, cho đến khi năng lượng nhiệt hạch được thương mại hóa, thật khó để nghĩ đến lợi ích, nhưng không ai trên thế giới nghi ngờ rằng sức mạnh tính toán sẽ góp phần tạo ra và phát triển năng lượng nhiệt hạch và cứu cả nhân loại khỏi tình trạng thiếu năng lượng là có giá trị gì. sự đầu tư.
Đọc thêm: Tất cả về Microsoft Phi công phụ: tương lai hay sai đường?
Siêu máy tính và y học
Một trong những ứng dụng của siêu máy tính là những phép tính phức tạp và tốn nhiều năng lượng liên quan đến cấu trúc của các chất hóa học, hợp chất hữu cơ. Việc phân tích cẩn thận hoạt động của từng chất, có thể thực hiện được nhờ khả năng mô phỏng hoạt động của một hợp chất nhất định ở mức rất chính xác, là một công cụ cho phép phát triển các loại thuốc mới, hiệu quả hơn.
Trở lại năm 2020, trước khi siêu máy tính Frontier ra mắt, các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge khi đó đã có siêu máy tính Summit (chiếc máy này là siêu máy tính hiệu quả nhất năm 2018, nó vẫn đang được sử dụng và xếp thứ 7 với hiệu suất 148,8 PFlops) đã sử dụng nó để phát triển một loại thuốc điều trị ung thư mới. Loại thuốc mới hóa ra tốt hơn khoảng 10%, hiệu quả điều trị cao hơn các phương tiện đã sử dụng trước đây. Tất nhiên, 10% không phải là nhiều, nhưng hãy nói điều đó với những bệnh nhân đã cứu được mạng sống nhờ sự khác biệt "nhỏ" đó. Tất nhiên, mạng sống con người là vô giá, nhưng bất kỳ loại thuốc nào có hiệu quả cao hơn đều có thể tiết kiệm nguồn lực to lớn cho hệ thống chăm sóc sức khỏe và giảm chi phí điều trị. Đây là nơi Frontier có thể có ích. Khả năng của nó cao hơn nhiều so với siêu máy tính Summit cùng loại.
Đọc thêm:
- Apple Vision Pro là thiết bị mang tính cách mạng nhất kể từ iPhone. Nhưng có một sắc thái ©
- Chuyển sang Apple MacBook Air với bộ xử lý M2: đánh giá và ấn tượng của tôi
Biên giới và mô hình khí hậu mới
Mô hình hóa khí hậu đòi hỏi phải phân tích và chứng minh mô hình lịch sử hàng thiên niên kỷ của Trái đất. Tất nhiên, đây là một nhiệm vụ đòi hỏi một lượng tài nguyên máy tính rất lớn. Chúng ta có thể lập mô hình biến đổi khí hậu càng chính xác và dự đoán điều gì sẽ xảy ra trong thời gian dài thì chúng ta càng cần những siêu máy tính nhanh hơn và mạnh hơn.
Mark Taylor của Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia, một trong những nhà nghiên cứu nghiên cứu dự đoán khí hậu dài hạn đầu tiên trên thế giới bằng cách sử dụng điện toán leo thang, đã từng nhận xét: "Cấu trúc điện toán độc đáo của siêu máy tính Frontier cho phép thực hiện những việc mà trước đây chúng ta không thể làm được". Nghĩa là, sức mạnh tính toán của chiếc máy này làm giảm một phép tính trước đây phải mất nhiều năm xuống còn vài ngày. Đồng thời, nó cho phép các nhà nghiên cứu có được ước tính chi tiết về tác động lâu dài của biến đổi khí hậu và điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Taylor cho biết thêm: “Đây là tiêu chuẩn vàng mới cho mô hình khí hậu”.
Những lợi ích là gì? Đơn giản là chúng rất lớn. Khả năng dự đoán những thay đổi thảm khốc của thời tiết có thể cứu sống hàng chục nghìn, thậm chí có thể là hàng triệu mạng sống. Và việc phân tích tác động có thể xảy ra của hiện tượng nóng lên của khí hậu đối với chu trình nước toàn cầu và khu vực cho phép chúng ta chuẩn bị trước cho những thay đổi trong tương lai. Các mô hình không gian hiện đại đã tồn tại nhưng chúng đòi hỏi tính toán cực kỳ cao. Cho đến gần đây, quá đòi hỏi. Đúng, về mặt lý thuyết, chúng cho phép chúng ta dự đoán sự tương tác phức tạp giữa các yếu tố khác nhau tạo nên cái mà chúng ta gọi là thời tiết hoặc khí hậu, chẳng hạn như chuyển động đối lưu đi kèm với sự hình thành của các đám mây, nhưng ở đó cần phải xử lý một luồng thông tin khổng lồ và thực hiện các phép tính có độ phức tạp đáng kinh ngạc.
Sự hiện diện của siêu máy tính Frontier đã thay đổi điều đó. Dự án Mô hình Hệ thống Trái đất Năng lượng Exascale (E3SM) vượt qua những trở ngại này bằng cách kết hợp các phương pháp tiếp cận phần mềm mới với hiệu suất exascale lớn. Sarath Sripathy, đồng tác giả nghiên cứu và điều phối viên của dự án E3SM đồng thời là đồng tác giả của mô hình khí quyển E3SM có tên SCREAM, giải thích: “Cộng đồng lập mô hình khí hậu từ lâu đã mơ ước chạy các mô hình quy mô hàng km đủ nhanh để tạo điều kiện cho những dự đoán kéo dài hàng thập kỷ và giờ đây điều đó đã trở thành hiện thực.”.
Nói cách khác, một dự án như vậy không có Frontier sẽ thất bại do thiếu khối lượng xử lý dữ liệu. Tuy nhiên, điều đáng chú ý là không chỉ sức mạnh tính toán cơ bản mà còn cả việc tối ưu hóa bản thân các mô hình cũng quan trọng. Peter Caldwell, nhà khí hậu học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore và nhóm của ông đã dành 5 năm qua để xây dựng một mô hình đám mây mới từ đầu. Nó sẽ hoạt động hiệu quả trên các bộ xử lý đồ họa (GPU), ngày nay là một thành phần rất quan trọng trong sức mạnh tính toán của các siêu máy tính hiện đại. Một chiếc xe hàng đầu thú vị trong lớp cũng có thể được đưa vào đây.
Tưởng tượng. Việc điều chỉnh mã để chạy trên GPU đã giúp hiệu suất tăng lên đáng kể. SCREAM có thể chạy trên 8192 nút Frontier để mô phỏng quá trình hình thành đám mây toàn cầu thường mất hơn một năm (chính xác là 1,25 năm) trong một phiên tính toán 24 giờ. Các mô phỏng dài hạn kéo dài 30-40 năm có thể được thực hiện tại Frontier chỉ trong vài tuần. Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng trước đây gần như không thể thực hiện được những tính toán như vậy. Những người muốn tìm hiểu thêm về những nghiên cứu này có thể làm quen với ấn phẩm khoa học mới Mark Taylor và nhóm của anh ấy.
Cũng thú vị:
- Quân đội Mỹ theo dõi ông già Noel như thế nào
- Cấm bán hàng Apple Xem ở Mỹ: Mọi chi tiết của vụ án
- Kiểm tra lại Lenovo Yoga Book 9i: laptop chuyển đổi có hai màn hình
Công nghệ tiên tiến và vật liệu
Một dự án thú vị tận dụng tiềm năng exascale của siêu máy tính Frontier là hoạt động trong lĩnh vực công nghệ vật liệu. Đây là một trong những mô phỏng tính toán lớn nhất từ trước đến nay đối với một hợp kim, nhờ hiệu quả tính toán của nó đã giúp nó có thể đạt được độ chính xác gần mức lượng tử. Nghiên cứu này do Vikram Gavini thuộc Đại học Michigan thực hiện, có tính đổi mới ở chỗ nó sử dụng phương trình Schrödinger để mô hình hóa hành vi của các vật liệu khác nhau. Sức mạnh tính toán khổng lồ của Frontier cho phép nó mô phỏng một hệ thống hợp kim magiê gồm 75 nguyên tử.
Hợp kim magiê là một vật liệu rất thú vị. Nó rất nhẹ và đồng thời mạnh mẽ. Tuy nhiên, hợp kim magiê rất nhạy cảm với một số khuyết tật nhất định, chủ yếu là sai lệch (tức là các khuyết tật lớn trong cấu trúc tinh thể của vật liệu), làm thay đổi đáng kể tính chất cơ học của chúng. Điều này biến một vật liệu đầy hứa hẹn thành một mảnh kim loại không thể sử dụng được vì nó dễ bị nứt, giòn và không ổn định. Các nhà khoa học với sự trợ giúp của sức mạnh tính toán của Frontier đã cố gắng khắc phục một số khiếm khuyết này trong hợp kim magiê. Nhưng đây chỉ là khởi đầu của công việc khó khăn.
Cũng thú vị:
- Mạng lưới thần kinh là gì và chúng hoạt động như thế nào?
- Giới thiệu về máy tính lượng tử nói một cách đơn giản
Tương lai của siêu máy tính?
Máy tính thông thường không thể giải quyết được những thách thức mà một số vấn đề khoa học và kỹ thuật đặt ra cho chúng ta. Siêu máy tính có sức mạnh tính toán cao hơn nhiều, cho phép chúng thực hiện các phép tính không thể thực hiện được hoặc mất quá nhiều thời gian trên máy tính thông thường. Bằng cách tạo ra siêu máy tính, các nhà khoa học cố gắng mở rộng ranh giới kiến thức và khả năng của chúng ta, cũng như giải quyết các vấn đề có thể có tác động thực sự to lớn đến tương lai của chúng ta.
Định luật Moore phát biểu rằng sức mạnh của máy tính tăng theo cấp số nhân. Cứ sau hai năm, tốc độ tính toán tăng gấp đôi, các kỹ sư và nhà khoa học tìm ra giải pháp cho những vấn đề mà trước đây được coi là không thể.
Một ngày nào đó, siêu máy tính sẽ trở nên phổ biến. Rốt cuộc, chỉ mười năm trước, những khái niệm như thực tế ảo, trò chơi đám mây và siêu vũ trụ chỉ tồn tại trong trí tưởng tượng của một số chuyên gia công nghệ và những người đam mê công nghệ, còn ngày nay nó là hiện thực của chúng ta. Thế hệ tương lai thậm chí sẽ không cần phải học về CNTT và kiếm việc làm tại Google để tận dụng siêu máy tính: chúng sẽ lặng lẽ và không thể nhận thấy trở thành một phần của cuộc sống hàng ngày, giống như điện thoại thông minh, máy tính xách tay và những thứ khác.
Đọc thêm: