Ekzaskalės kompiuterija: kaip naujos kartos superkompiuteriai keičia mokslą, pramonę ir inovacijas. Sužinokite technologijas ir poveikį, susijusius su varžybomis dėl egzaskalės našumo.

• Įvadas į egzaskalės kompiuteriją
• Kas yra egzaskalė: kas ją išskiria?
• Pagrindinės technologijos, varančios egzaskalės sistemas
• Pagrindiniai egzaskalės projektai ir globalios iniciatyvos
• Mokslinės ir pramoninės taikymo sritys
• Iššūkiai pasiekiant egzaskalės našumą
• Poveikis dirbtiniam intelektui ir dideliems duomenims
• Energijos efektyvumo ir tvarumo problemos
• Ateities perspektyvos: už egzaskalės ribų
• Šaltiniai ir nuorodos

Įvadas į egzaskalės kompiuteriją

Egzaskalės kompiuterija žymi transformuojantį šuolį didelio našumo kompiuterijoje (HPC), apibrėžtą sistemomis, gebančiomis atlikti bent vieną egzaFLOP, arba milijardą milijardų (10¹⁸) skaičiavimų per sekundę. Ši beprecedentė skaičiavimo galia leidžia tyrėjams spręsti sudėtingus mokslinius, inžinerinius ir duomenų analizės uždavinius, kurie anksčiau buvo neįmanomi. Tikimasi, kad egzaskalės sistemos revoliucionizuos tokias sritis kaip klimato modeliavimas, genomo tyrimai, medžiagų mokslas ir dirbtinis intelektas, suteikdamos galimybę simuliuoti, analizuoti ir prognozuoti reiškinius skalėmis ir rezoliucijomis, kurios anksčiau buvo neįmanomos.

Kelias į egzaskalės kompiuteriją reikalavo reikšmingų pažangų aparatūros architektūroje, programinės įrangos plėtroje ir energijos efektyvume. Pasiekti egzaskalės našumą reikalauja įveikti iššūkius, susijusius su paralelizmu, atminties pralaidumu, duomenų judėjimu ir sistemos patikimumu. Šios sistemos paprastai integruoja milijonus procesoriaus branduolių ir naudojasi novatoriškomis technologijomis, tokiomis kaip heterogeninė kompiuterija, pažangūs tinklai ir naujos atminties hierarchijos. Egzaskalės kompiuterijos plėtra yra globalus projektas, kurį įgyvendina tokios institucijos kaip JAV Energetikos departamentas, Europos didelio našumo kompiuterijos bendrasis projektas ir RIKEN Kompiuterinės mokslų centras Japonijoje.

Kai egzaskalės sistemos pradės veikti, tikimasi, kad jos prisidės prie inovacijų įvairiose mokslinėse disciplinose, padės užtikrinti nacionalinį saugumą ir pagreitins naujų technologijų vystymąsi. Egzaskalės kompiuterijos poveikis išplės ne tik mokslinių tyrimų ribas, bet ir paveiks pramonę, sveikatos priežiūrą ir visuomenę apskritai, leidžiant duomenimis pagrįstus atradimus ir sprendimus, susijusius su kai kuriomis iš svarbiausių pasaulio problemų.

Kas yra egzaskalė: kas ją išskiria?

Egzaskalė kompiuterija žymi transformuojantį šuolį skaičiavimo galia, apibrėžtą sistemomis, gebančiomis atlikti bent vieną egzaFLOP, arba milijardą milijardų (10¹⁸) skaičiavimų per sekundę. Ši riba žymi tūkstantinį padidėjimą, palyginti su petaskalės sistemomis, fundamentaliai pakeisdama mokslinių tyrimų, inžinerijos ir duomenų analizės peizažą. Tai, kas išskiria egzaskalę, yra ne tik jos grynasis greitis, bet ir inovacijų konvergencija aparatinėje architektūroje, energijos efektyvume ir programinės įrangos skalėje, reikalinga pasiekti tokį našumą. Egzaskalės sistemos turi efektyviai koordinuoti milijonus procesorių branduolių, valdyti didžiules atminties hierarchijas ir apdoroti nenusakomos apimties duomenų judėjimą, viską darant, kad energijos suvartojimas būtų valdomas — paprastai orientuojantis į 20-30 megavatų, tai savaime yra reikšmingas inžinerinis iššūkis.

Kitas išskirtinis bruožas yra galimybė spręsti problemas, kurios anksčiau buvo nepasiekiamos dėl savo masto ir sudėtingumo. Egzaskalės kompiuterija leidžia vykdyti aukštos skiriamosios gebos simuliacijas tokiose srityse kaip klimato modeliavimas, genomo tyrimai, medžiagų mokslas ir dirbtinis intelektas, kur duomenų apimtys ir detalumas reikalauja skaičiavimo išteklių, gerokai viršijančių ankstesnių kartų galimybes. Egzaskalės sistemų plėtra taip pat skatina pažangą programavimo modeliuose, algoritmuose ir sistemos programinėje įrangoje, skatindama naują įrankių ir ekspertizės ekosistemą. JAV Energetikos departamento Mokslo biuras ir Europos Sąjungos EuroHPC bendrasis projektas yra tarp pirmaujančių organizacijų, skatinančių egzaskalės iniciatyvas, pabrėžiančių globalinį svarbą ir bendradarbiavimo pobūdį šio technologinio etapo.

Pagrindinės technologijos, varančios egzaskalės sistemas

Egzaskalės kompiuterių sistemos, gebančios atlikti bent vieną egzaFLOP (10¹⁸ skaičiuojamųjų operacijų per sekundę), remiasi pažangių technologijų konvergencija, siekdamos pasiekti beprecedentį našumą, efektyvumą ir skalę. Viena iš pagrindinių technologijų yra heterogeninė kompiuterija, kuri integruoja tradicinius CPU su acceleratoriais, tokiais kaip GPU ar specializuoti AI lustai. Šis požiūris leidžia atlikti paralelinių didelių duomenų rinkinių ir sudėtingų simuliacijų apdorojimą, kaip matyti sistemose, tokiuose kaip Oak Ridge Leadership Computing Facility Summit ir Frontier superkompiuteris.

Kita svarbi technologija yra pažangūs tarpusavio ryšiai. Didelės pralaidumo, mažo delsimo tinklai, tokie kaip InfiniBand ir specialios topologijos, palengvina greitą duomenų judėjimą tarp milijonų apdorojimo elementų, minimizuodami siaurus vietas ir palaikydami efektyvų skalavimą. Atminties hierarchijų inovacijos, įskaitant didelės pralaidumo atmintį (HBM) ir nestabilią atmintį, dar labiau didina duomenų prieigos greitį ir energijos efektyvumą.

Energijos efektyvumas yra svarbiausias iššūkis egzaskalės lygyje. Energijos sąmoningos architektūros, dinaminis įtampos ir dažnio keitimas bei pažangūs aušinimo sprendimai yra esminiai, siekiant palaikyti energijos suvartojimą praktiniuose ribose. Programinės įrangos inovacijos, tokios kaip nauji programavimo modeliai ir egzaskalės paruošti biblioteka, taip pat yra būtinos, norint pasinaudoti visais šių sistemų potencialais. Iniciatyvos, tokios kaip JAV Energijos departamento Egzaskalės kompiuterijos projektas, skatina skaitmeninių algoritmų ir programinės įrangos ekosistemų, pritaikytų egzaskalės architektūroms, plėtrą.

Kartu šios technologijos leidžia egzaskalės sistemoms spręsti didžiulius iššūkius moksle, inžinerijoje ir dirbtiniame intelekte, stumiančius skaičiavimo galimybių ribas.

Pagrindiniai egzaskalės projektai ir globalios iniciatyvos

Globali varžybų dėl egzaskalės kompiuterijos skatina reikšmingas investicijas ir bendradarbiavimą tarp pirmaujančių šalių, kiekviena siekianti pasiekti proveržius moksliniuose atradimuose, nacionaliniame saugume ir pramoninėje inovacijoje. Jungtinės Valstijos, per JAV Energetikos departamento vadovaujamą Egzaskalės kompiuterių projektą (ECP), pirmauja kuriant egzaskalės sistemas, tokias kaip „Summit“ ir „Frontier“ Oak Ridge nacionaliniame laboratorijoje. 2022 m. paleistas „Frontier“ tapo pirmuoju oficialiai pripažintu egzaskalės superkompiuteriu, pranokusiu vieną egzaFLOP našumą ir leidžiančiu atlikti beprecedentės simuliacijas klimato modeliavime, medžiagų moksle ir dirbtiniame intelekte.

Kinija taip pat padarė reikšmingų pažangų, turėdama sistemas, tokias kaip „Sunway OceanLight“ ir „Tianhe-3“, kurių našumas pranešama, kad jau pasiekė egzaskalę, nors dalis informacijos lieka mažiau vieša dėl nacionalinio saugumo reikalavimų. Europos Sąjungos EuroHPC bendrasis projektas koordinuoja visos Europos pastangas, finansuodama projektus, tokius kaip LUMI Suomijoje ir „Leonardo“ Italijoje, siekdama skatinti skaitmeninę suvereniteto ir palaikyti tyrimus tarp valstybių narių.

Japonijos Fugaku superkompiuteris, sukurtas RIKEN ir Fujitsu, taip pat atliko esminį vaidmenį, užimdamos vieną iš greičiausių pasaulyje vietų ir prisidėdamas prie COVID-19 tyrimų bei katastrofų prevencijos. Šie pagrindiniai egzaskalės projektai ne tik stumia skaičiavimo galios ribas, bet ir skatina tarptautinį bendradarbiavimą, darbo jėgos plėtrą ir atvirų šaltinių programinės įrangos bei aparatūros ekosistemų plėtrą.

Mokslinės ir pramoninės taikymo sritys

Egzaskalės kompiuterija, kuriai būdingos sistemos, gebančios atlikti bent vieną egzaFLOP (10¹⁸ skaičiuojamųjų operacijų per sekundę), revoliucionizuoja tiek mokslinius tyrimus, tiek pramoninę inovaciją. Mokslinėse srityse egzaskalės sistemos leidžia atlikti beprecedentės simuliacijas ir duomenų analizes. Pavyzdžiui, klimato mokslininkai dabar gali modeliuoti pasaulinius oro modelius kilometro mastu, gerindami ekstremalių įvykių ir ilgalaikio klimato pokyčių prognozes. Gyvenimo mokslų srityje egzaskalės kompiuterija pagreitina vaistų atradimą, simuliuodama sudėtingas biomolekulines sąveikas ir analizuodama didelius genominių duomenų rinkinius, kaip demonstruoja JAV Energetikos departamento Mokslo biuro remiami projektai.

Pramonėje egzaskalės kompiuterija keičia tokias sektorius, kaip aviacijos, automobilių ir energetika. Gamintojai pasinaudoja egzaskalės simuliacijomis, kad optimizuotų dizainą, sumažintų prototipų kūrimo išlaidas ir pagerintų produktų saugumą. Pavyzdžiui, automobilių gamintojai naudoja aukštos fidelumo avarijų simuliacijas ir aerodinaminio modeliavimo technologijas, kad sukurtų saugesnius ir efektyvesnius transporto priemones. Energetikos sektoriuje egzaskalės sistemos palengvina naujų medžiagų tyrimus baterijoms ir saulės elementams, bei pagerina paviršiaus modelių tikslumą naftos ir dujų paieškai, kaip pabrėžia Egzaskalės kompiuterijos projektas.

Be to, egzaskalės kompiuterija palaiko dirbtinį intelektą ir mašininį mokymąsi tokiu mastu, kuris anksčiau buvo nepasiekiamas, leidžiantis realaus laiko analitiką ir sprendimų priėmimą srityse, pradedant finansais ir baigiant sveikatos priežiūra. Egzaskalės galimybių integracija į pramoninius darbo procesus tikimasi skatins inovacijas, sumažins laiką rinkai patekti ir išlaikys globalų konkurencingumą, kaip pabrėžia Europos didelio našumo kompiuterijos bendrasis projektas.

Iššūkiai pasiekiant egzaskalės našumą

Pasiekti egzaskalės našumą — tai reiškia kompiuterines sistemas, gebančias bent vieną egzaFLOP, arba milijardą milijardų (10¹⁸) skaičiavimų per sekundę — kelia daug sudėtingų iššūkių, apimančių aparatūrą, programinę įrangą ir energijos suvartojimą. Vienas pagrindinių kliūčių yra didžiulis paralelizmo lygis, kurio reikalauja egzaskalės sistemos. Jos turi koordinuoti milijonus procesorių branduolių, reikalaujančių inovacijų tarpusavio ryšio technologijose ir atminties architektūrose, kad būtų sumažintas delsimas ir maksimalizuotas pralaidumas. Šis paralelizmo lygis taip pat padidina aparatūros gedimo riziką, todėl reikia tvirtų klaidų tolerancijos ir atsparumo strategijų, kad būtų užtikrintas sistemos patikimumas ilgesnį laiką.

Energijos efektyvumas yra dar viena kritinė problema. Be reikšmingų patobulinimų energijos valdyme, egzaskalės sistemos gali reikalauti šimtų megavatų energijos, todėl jų veikimas gali tapti neįmanomu. Tyrimų pastangos sutelktos į energiją efektyvių procesorių, pažangių aušinimo technikų ir dinaminės energijos valdymo kūrimą, kad energijos suvartojimas būtų palaikomas praktiškuose ribose. Be to, egzaskalės sistemų programavimo sudėtingumas yra didelis barjeras. Esamos programinės įrangos ir algoritmai dažnai negali efektyviai skaliuoti iki egzaskalės lygių, skatinant naujų programavimo modelių, bibliotekų ir įrankių plėtrą, kurie sugeba išnaudoti didelį paralelizmą, išlaikydami nešiojamumą ir naudojimo paprastumą.

Duomenų judėjimas ir saugojimas taip pat kelia reikšmingų iššūkių. Duomenų apimtis, generuojama ir apdorojama egzaskalėje, yra didžiulė, reikalaujanti didelės pralaidumo, mažo delsimo saugojimo sprendimų ir efektyvių įvesties/išvesties sistemų. Šių daugiapakopinių iššūkių sprendimas yra koordinuotų tarptautinių pastangų, tokių kaip JAV Energetikos departamento Mokslo biuras ir Europos didelio našumo kompiuterijos bendrasis projektas, dėmesys, kurie skatina tyrimus ir plėtrą, siekiant praktiškos egzaskalės kompiuterijos.

Poveikis dirbtiniam intelektui ir dideliems duomenims

Egzaskalės kompiuterija atsiveria revoliucijom dirbtinio intelekto (DI) ir didelių duomenų analizės srityse, teikdama beprecedentę kompiuterinę galią ir atminties pralaidumą. Galimybė atlikti daugiau nei vieną egzaFLOP (10¹⁸ skaičiuojamųjų operacijų per sekundę) leidžia tyrėjams ir organizacijoms treniruoti didesnius, sudėtingesnius DI modelius ir apdoroti didžiulius duomenų rinkinius greičiau ir tiksliau. Šis pažanga ypač svarbi giliam mokymuisi, kur modelių dydžiai ir duomenų reikalavimai didėja eksponentiškai. Egzaskalės sistemos gali pagreitinti neuroninių tinklų mokymą, palengvinti realaus laiko duomenų analizę ir leisti tyrinėti naujas DI architektūras, kurios anksčiau buvo kompiuteriniu požiūriu neįmanomos.

Didelių duomenų analizėje egzaskalės kompiuterija leidžia integruoti ir analizuoti įvairius, didelio tūrio duomenų rinkinius iš tokių šaltinių kaip genomas, klimato modeliavimas ir socialinė žiniasklaida. Ši galimybė palaiko tikslesnį prognozavimą, modelių atpažinimą ir sprendimų priėmimo procesus. Pavyzdžiui, egzaskalės ištekliai naudojami pažangai personalizuotoje medicinoje, kur dideli genomo duomenų rinkiniai analizuojami, siekiant nustatyti ligų žymenis ir pritaikyti gydymą individualiems pacientams. Panašiai klimato moksle egzaskalės kompiuterija leidžia simuliuoti sudėtingus Žemės sistemas didesniais rezoliucijomis, gerinant klimato prognozių tikslumą.

Sinergija tarp egzaskalės kompiuterijos, DI ir didelių duomenų aktyviai siekiama nacionaliniuose laboratorijose ir mokslinių tyrimų institucijose visame pasaulyje. Iniciatyvos, tokios kaip JAV Energijos departamento Egzaskalės kompiuterijos projektas ir Europos didelio našumo kompiuterijos bendrasis projektas, yra pirmaujančias plėtrą egzaskalės infrastruktūros ir programinės įrangos ekosistemų, palaikančių šias transformuojančias programas.

Energijos efektyvumo ir tvarumo problemos

Egzaskalės kompiuterijos sistemos, gebančios atlikti bent vieną egzaFLOP (10¹⁸ skaičiuojamųjų operacijų per sekundę), kelia reikšmingus iššūkius energijos efektyvumo ir tvarumo klausimais. Augant kompiuterinio pajėgumo, didėja ir elektros energijos paklausa, o ankstyvieji egzaskalės sistemų prognozės rodo energijos reikalavimus, kurie gali siekti 20-30 megavatų – tai panašu į nedidelio miesto energijos suvartojimą. Šis energijos vartojimas ne tik didina veiklos sąnaudas, bet ir kelia aplinkosaugos problemų dėl su tuo susijusio anglies pėdsako.

Norint spręsti šias problemas, egzaskalės iniciatyvos pirmiausia orientuojasi į energiją efektyvaus aparatūros ir programinės įrangos plėtrą. Inovacijos apima pažangias procesorių architektūras, tokias kaip mažos galios CPU ir GPU, bei specializuotų akseleratorių integraciją, kad būtų maksimaliai išnaudotas našumas kiekvienam vatui. Be to, dinaminio energijos valdymo technikos, tokios kaip prisitaikomos įtampos skalės ir darbo krūvio sąmoningo išteklių paskirstymo, yra įgyvendinamos, siekiant optimizuoti energijos vartojimą realiuoju laiku. Kalbant apie programinę įrangą, kuriamos energiją suprantančios algoritmai ir planavimo strategijos, siekiant sumažinti nereikalingų skaičiavimų ir duomenų judėjimo, kurie yra didžiausi energijos suvartojimo šaltiniai, išlaidas.

Tvarumo pastangos taip pat apima fizinę egzaskalės įrenginių infrastruktūrą. Efektyvūs aušinimo sistemų sprendimai, atlieku šilumos atgavimo metodai ir atsinaujinančių energijos šaltinių naudojimas vis labiau diegiami, siekiant sumažinti šių superkompiuterių aplinkos poveikį. Pavyzdžiui, Oak Ridge nacionalinė laboratorija ir Los Alamos nacionalinė laboratorija yra įgyvendinę pažangias aušinimo ir energijos valdymo sistemas savo egzaskalės projektuose. Augant egzaskalės kompiuterijai, nuolatinė inovacija energijos efektyvumo ir tvarumo srityse bus esminė, siekiant užtikrinti, kad šios galingos sistemos išliktų ekonomiškai ir aplinkai draugiškos.

Ateities perspektyvos: už egzaskalės ribų

Kai egzaskalės kompiuterijos sistemos pradės veikti, didelio našumo kompiuterijos (HPC) mokslinių tyrimų ir plėtros dėmesys jau pradeda keistis į post-egzaskalės erą, dažnai vadinamą „už egzaskalės ribų“ arba zettaskalės kompiuterija. Šis kitas ribotumas siekia pasiekti skaičiavimo galimybes, artimas vienam zettaFLOP (10²¹ skaičiuojamųjų operacijų per sekundę), kas yra tūkstančiu kartų daugiau už egzaskalę. Pereiti prie zettaskalės reikės transformuojančių pažangų aparatūros architektūrose, energijos efektyvume, duomenų judėjime ir programinės įrangos ekosistemose.

Vienas pagrindinių iššūkių yra energijos suvartojimas. Dabartinės egzaskalės sistemos jau suvartoja dešimtis megavatų; pereiti prie zettaskalės su esamomis technologijomis būtų neįmanoma. Dėl to tyrimų srityse tiriamos novatoriškos žemos galios procesorių, pažangių aušinimo technikų ir naujų medžiagų, tokių kaip kvantiniai ir neuromorfiniai komponentai, sprendimų galimybės. Be to, didėjanti mokslinių simuliacijų ir dirbtinio intelekto (DI) darbo krūvių generuojamų duomenų sudėtingumas ir apimtis reikalauja proveržių atminties hierarchijose, saugojimo sprendimuose ir tarpusavio ryšio technologijose.

Programinė įranga ir programavimo modeliai taip pat turi evoliucionuoti, kad būtų galima pasinaudoti dideliu paralelizmu ir heterogenija, kuriuos tikimasi post-egzaskalės sistemose. Yra įgyvendinami projektai, skirti plėtoti atsparias, skalabilias ir protingas programinės įrangos sistemas, kurios galėtų prisitaikyti prie dinamiškų aparatūros aplinkų ir palaikyti naujoves DI, klimato modeliavime ir precizinėje medicinoje. Tarptautinis bendradarbiavimas ir iniciatyvos, tokios kaip JAV Energetikos departamento Mokslo biuro ir Europos didelio našumo kompiuterijos bendrasis projektas, yra esminiai, kad būtų galima skatinti tyrimus ir infrastruktūrą, reikalingą zettaskalės erai.

Galų gale kelias už egzaskalės ribų žada atskleisti beprecedentinius mokslinius atradimus ir technologines inovacijas, tačiau tai reikalauja koordinuotų pažangų visame kompiuterio sistemos lygmenyje.

Šaltiniai ir nuorodos

• Europos didelio našumo kompiuterijos bendrasis projektas
• RIKEN Kompiuterinės mokslų centras
• Frontier superkompiuteris
• LUMI
• Los Alamos nacionalinė laboratorija