Екзафлоповите изчисления дават на големите научно-изследователски проекти свръхвисока разделителна способност, по-широки пространствени и времеви граници (снимка: CC0 Public Domain)
За да разберат как се държи даден нов материал, изследователите трябва да симулират неговите въртящи се електрони, от което зависят повечето химични и електронни свойства. Но това е трудна задача, изискваща огромна изчислителна мощ. Най-мощните суперкомпютри в света, работещи с екзафлопови скорости, вече правят това възможно в рамките на разумно време.
На SC23 – конференция за суперкомпютри в Денвър – изследователи съобщиха за симулиране на поведението на до 600 000 електрона в микроскопично парче от магнезиева сплав с точност, описвана като „квантовата симулация Монте Карло“. „Прескочихме бариерата по отношение на точността и дължината на мащаба“, казва Самбит Дас, машинен инженер в Мичиганския университет и член на екипа, представящ разработката.
Симулациите показват как се образуват дефекти в сплавите. Това позволява проектирането на нови леки сплави за по-ефективни автомобили и самолети. Прилагането на техниките към материали, наречени квазикристали, разкрива пък защо те приемат необичайните форми, които имат – стъпка напред, която може да доведе до проектирането на нови магнитни материали и свръхпроводници.
В други проекти за екзафлоповви изчисления изследователите от SC23 съобщават за прогнозиране на въздушния поток и шума от конструкцията на реактивен двигател с икономичен разход на гориво и как топлината ще пулсира през сърцевината на малък модулен ядрен реактор. Постижението може да се окаже основа за по-безопасни проекти от този род.
Всички това са час от ранните резултати от работата на един от първите в света суперкомпютри с екзамащаб, Frontier, в Националната лаборатория в Оук Ридж на Министерството на енергетиката в САЩ. С възможност за 1,1 екзафлопа или 1,1 милиарда милиарда операции в секунда, Frontier е повече от два пъти по-бърз от най-бързата машина от преди само 2 години.
Тези резултати и други подобни в екзамащаб, които се очаква да станат факт в следващите няколко години, обещават да отворят нов път към науката за материалите, науката за климата, биологията и медицината. „Задава се нова научна ера, която сега се разгръща“, казва Серен Сусут, асоцииран директор на програмата за усъвършенствани научни компютърни изследвания на министерството.
Двойка китайски суперкомпютри се смятат за първите, преминали прага на екзамащаба през 2022 г. Резултатите от изследванията с тези машини – като първия глобален климатичен модел, който включва охлаждащите ефекти от специфични вулканични изригвания – бяха представени на конференцията.
Мащаби
Frontier е завършен през май 2022 г. и е беше отворен за всеобща научна употреба от април 2023. С тегло близо 270 тона, Frontier съдържа повече от 40 000 процесора, които го правят около 1 милион пъти по-мощен от средностатистически настолен компютър. Консумира 21 мегавата енергия. Охлажда се чрез четири помпи с мощност 350 конски сили – достатъчно мощни, за да напълнят басейн с олимпийски размери за 30 минути. Помпите непрекъснато циркулират вода през системата.
Очаква се Frontier да бъде засенчен в рамките на седмици от Aurora – втори екзамащабен гигант, който сега завършва последната си фаза на отстраняване на грешки в Националната лаборатория в Аргон в САЩ. Въпреки че е само частично инсталиран, Aurora вече се счита за втори най-мощен компютър в света. Скоро той трябва да достигне повече от 2 екзафлопа.
Когато бъде отворен за научни изследвания, Aurora навярно ще помага на инженерите при проектирането на по-ефективни самолети, търсенето на катализатори за зелена енергия и стимулиране на усилията за прогнозиране на реакциите на пациентите към лечението на рак чрез симулиране на разпространението на метастази през кръвния поток.
El Capitan – третата американска машина в екзамащаб – ще се намира в Националната лаборатория на Лорънс Ливърмор и се очаква да заработи в средата на 2024 г. По план той ще помага на учените в областта на ядрените оръжия да симулират експлозии от стареещите бойни запаси.
Jupiter – екзаглопов суперкомпютър в Германия – трябва да заработи в края на 2024 г. Разширението на Fugaku в Япония пък е планирана за 2029 г. Франция също планира да изгради екзафлопов суперкомпютър. Той ще е наречен Jules Vernes, макар и датата на неговото пускане все още да не е обявена.
Нова ера в науката
Новите машини са кулминацията на привидно безмилостните 1000-кратни скокове в скоростта и мощността на суперкомпютрите, за които се счита, че се случват на всяко десетилетие от началото на 90-те години. Но този последен скок от петафлопови (1015 флопа) към екзафлопови машини изисква някои промени в проектирането.
При Frontier изследователите решиха да включат огромен брой графични процесори (GPU) – високоскоростни чипове, каквито стоят в сърцето на игралните конзоли, машините за копаене на биткойн и изкуствен интелект (AI). Към всеки GPU чип са прикачени 128 гигабита памет, за да намалят времето и енергията, необходими за изчисленията.
Резултатът е възможността да се проследяват събития не само при свръхвисока разделителна способност, но и в по-широки пространствени или времеви мащаби. „Това, което ни дават компютрите в екзамащаб, е способността да получаваме по-висока разделителна способност за по-дълги периоди от време“, казва Лори Диачин, главен заместник-директор по компютърни технологии в „Лорънс Ливърмор“.
Какви са ефектите? Лука Бертаня, приложен математик в Националната лаборатория „Sandia“, казва, че Frontier е позволил на екипа му да подобри разделителната способност на глобалния климатичен модел на DOE от 100 километра до само 3 километра. Това позволява на модела да симулира фините атмосферни процеси, които пораждат облаци.
Тъй като поведението на облаците в затоплящия се свят представлява едно от най-големите предизвикателства в изменението на климата, по-високата разделителна способност трябва да помогне на изследователите да прецизират своите прогнози как нарастващите концентрации на парникови газове ще затоплят планетата.
Поглед към зетафлопвата ера
След като вече пристъпват към екзафлопови изчисления, изследователите вече гледат към и следващия скок в суперкомпютрите: зетафлоповеите (1021 флопа) машини. Това ще е ново предизвикателство. Според хардуерните експерти, най-големият проблем е, че продължилата десетилетия тенденция на стабилно свиване на транзисторите и другите изчислителни устройства – известна като Закон на Мур – се забави значително през последните години.
Една популярна идея за извличане на повече процесорна мощност от настоящите проекти е да се намали математическата точност, с която настоящите компютърни чипове правят изчисления. Подобна промяна може да доведе до 10-кратно подобрение на процесорната мощност. Но тя може да позволи и натрупването на всякакви грешки, подкопавайки надеждността.
Други идеи включват създаване на хибридни машини, които ще включват все още възникващи технологии като квантови изчисления и системи, пригодени за машинно самообучение и AI. Всичко това, разбира се, ще коства и нов приток на пари, който ще е друго предизвикателство в близко бъдеще.
Но има и още една особеност тук. Някои от ръководителите на проектите за екзафлопови изчислителни програми казват, че с ускоряването на изчисленията проектите ще завършват много по-скоро. А това, според тях, може да остави стотици компютърни учени и инженери без работа.
„Страхът е, че талантът ще напусне изследователските програми и ще отиде в компании като NVIDIA, Microsoft и Facebook“, казва Джак Донгара, експерт по високопроизводителни изчисления в Университета на Тенеси, Ноксвил. „А това е нещо, което трудно е да се замени“.