Vysvetlenie exascale výpočtov: Ako superpočítače novej generácie transformujú vedu, priemysel a inovácie. Objavte technológie a dopady za pretekom k exascale výkonu.

• Úvod do exascale výpočtov
• Definovanie exascale: Čo ho odlišuje?
• Kľúčové technológie poháňajúce exascale systémy
• Hlavné exascale projekty a globálne iniciatívy
• Vedecké a priemyselné aplikácie
• Výzvy pri dosahovaní exascale výkonu
• Dopad na umelú inteligenciu a veľké dáta
• Energetická účinnosť a obavy o udržateľnosť
• Budúci pohľad: Mimo exascale
• Zdroje & Odkazy

Úvod do exascale výpočtov

Exascale výpočty predstavujú transformačný skok v oblasti výpočtového výkonu, definovaný systémami schopnými vykonať aspoň jeden exaflop, čo je miliarda miliárd (10¹⁸) výpočtov za sekundu. Táto bezprecedentná výpočtová sila umožňuje výskumníkom riešiť komplexné vedecké, inžinierske a analytické problémy, ktoré boli predtým neuskutočniteľné. Exascale systémy sa očakáva, že zrevolucionizujú oblasti ako modelovanie klímy, genómika, materiálová veda a umelá inteligencia tým, že poskytnú schopnosť simulovať, analyzovať a predpovedať javy na škálach a rozlíšeniach, ktoré doteraz neboli možné.

Cesta k exascale výpočtom si vyžadovala významný pokrok v hardvérovej architektúre, vývoji softvéru a energetickej účinnosti. Dosiahnutie exascale výkonu si vyžaduje prekonanie výziev týkajúcich sa paralelizmu, šírky pamäte, pohybu dát a spoľahlivosti systémov. Tieto systémy obvykle integrujú milióny spracovateľských jadier a využívajú inovatívne technológie, ako je heterogénne počítanie, pokročilé prepojenia a nové pamäťové hierarchie. Rozvoj exascale výpočtov je globálnym úsilím, pričom hlavné iniciatívy vedú organizácie ako Ministerstvo energetiky USA, Európske združenie pre vysokovýkonné výpočty a RIKEN Centrum pre výpočtovú vedu v Japonsku.

Keď sa exascale systémy uvádzajú do prevádzky, očakáva sa, že budú podnecovať inovácie vo vedeckých disciplínach, podporovať národnú bezpečnosť a urýchľovať vývoj nových technológií. Dopad exascale výpočtov presiahne výskum a ovplyvní priemysel, zdravotnú starostlivosť a spoločnosť všeobecne tým, že umožní objavy a riešenia na základe dát pre niektoré z najzávažnejších problémov sveta.

Definovanie exascale: Čo ho odlišuje?

Exascale výpočty predstavujú transformačný skok v oblasti výpočtovej sily, definovaný systémami schopnými vykonať aspoň jeden exaflop, čo je miliarda miliárd (10¹⁸) výpočtov za sekundu. Tento prah znamená tisíckrát vyšší výkon ako petascale systémy, zásadne mení krajinu vedeckého výskumu, inžinierstva a analýzy dát. Čo odlišuje exascale nie je len jeho surová rýchlosť, ale konvergencia inovácií v hardvérovej architektúre, energetickej účinnosti a škálovateľnosti softvéru potrebná na dosiahnutie takéhoto výkonu. Exascale systémy musia efektívne koordinovať milióny procesorových jadier, spravovať rozsiahle pamäťové hierarchie a zaobchádzať s bezprecedentným pohybom dát, pričom musia zachovávať zvládnuteľnú spotrebu energie – zvyčajne zameranú na 20-30 megawattov, čo je samo osebe významná inžinierska výzva.

Ďalšou odlišujúcou črtou je schopnosť riešiť problémy predtým nedosiahnuteľnej veľkosti a zložitosti. Exascale výpočty umožňujú vysokofidelitné simulácie v oblastiach ako modelovanie klímy, genómika, materiálová veda a umelá inteligencia, kde obrovské množstvo a granularita dát vyžadujú výpočtové zdroje ďaleko presahujúce predchádzajúce generácie. Rozvoj exascale systémov zároveň podnecuje pokrok v programovacích modeloch, algoritmoch a systéme softvéru, čím podporuje nový ekosystém nástrojov a expertízy. Úrad vedomostí Ministerstva energetiky USA a Európske združenie pre vysokovýkonné výpočty sú medzi vedúcimi organizáciami, ktoré vedú iniciatívy exascale, zdôrazňujúc globálny význam a kolaboratívny charakter tohto technologického míľnika.

Kľúčové technológie poháňajúce exascale systémy

Systémy exascale výpočtov, schopné vykonať aspoň jeden exaflop (10¹⁸ operácií s pohyblivou desatinnou čiarkou za sekundu), sa spoliehajú na kombináciu pokročilých technológií na dosiahnutie bezprecedentného výkonu, účinnosti a škálovateľnosti. Jednou zo základných technológií je heterogénne počítanie, ktoré integruje tradičné CPU so zrýchlovačmi, ako sú GPU alebo špecializované AI čipy. Tento prístup umožňuje paralelné spracovanie obrovských súborov dát a komplexné simulácie, čo môžeme vidieť v systémoch ako je Summit v Oak Ridge Leadership Computing Facility a superpočítač Frontier.

Ďalšou kritickou technológiou sú pokročilé prepojenia. Siete s vysokou šírkou pásma a nízkou latenciou, ako je InfiniBand a prispôsobené topológie, umožňujú rýchly pohyb dát medzi miliónmi spracovateľských prvkov, minimalizujúc úzke miesta a podporujúc efektívne škálovanie. Inovácie v pamäťovej hierarchii, vrátane pamäte s vysokou šírkou pásma (HBM) a nepominuteľnej pamäte, ďalej zvyšujú rýchlosť prístupu k dátam a energetickú účinnosť.

Energetická účinnosť je na exascale úrovni zásadná. Architektúry vedomé energetickej spotreby, dynamické nastavovanie napätia a frekvencie a pokročilé chladenie sú nevyhnutné na udržanie spotreby energie v praktických limites. Inovácie v softvéri, ako sú nové programovacie modely a knižnice pripravené na exascale, sú taktiež kľúčové pre využitie plného potenciálu týchto systémov. Iniciatívy ako Exascale Computing Project Ministerstva energetiky USA sú hnacou silou rozvoja škálovateľných algoritmov a ekosystémov softvéru prispôsobených pre exascale architektúry.

Spoločne tieto technológie umožňujú exascale systémom riešiť veľké výzvy vo vede, inžinierstve a umelej inteligencii, posúvajúc hranice toho, čo je výpočtovo možné.

Hlavné exascale projekty a globálne iniciatívy

Globálny pretek k exascale výpočtom podnietil významné investície a spolupráce medzi poprednými národmi, z ktorých každý sa snaží dosiahnuť prevratné objavy vo vedeckej objaviteľnosti, národnej bezpečnosti a priemyselnej inovácii. Spojené štáty, prostredníctvom Exascale Computing Project (ECP) vedeného Ministerstvom energetiky USA, sa ujali vedenia v rozvoji exascale systémov, ako sú Summit a Frontier v Oak Ridge National Laboratory. Frontier, uvedený do prevádzky v roku 2022, sa stal prvým oficiálne uznaným exascale superpočítačom na svete, ktorý presiahol výkon jedného exaflopu a umožnil bezprecedentné simulácie v modelovaní klímy, materiálovej vede a umelej inteligencii.

Čína takisto dosiahla pozoruhodný pokrok, pričom systémy ako Sunway OceanLight a Tianhe-3 sa údajne dostali na exascale výkon, aj keď podrobnosti zostávajú menej verejné kvôli otázkam národnej bezpečnosti. Európske združenie pre vysokovýkonné výpočty koordinuje paneurópske úsilie, financujúc projekty ako LUMI vo Fínsku a Leonardo v Taliansku, s cieľom podporiť digitálnu suverenitu a výskum naprieč členskými štátmi.

Japonský superpočítač Fugaku, vyvinutý firmami RIKEN a Fujitsu, zohral taktiež kľúčovú úlohu, keď sa umiestnil medzi najrýchlejšími na svete a prispel k výskumu COVID-19 a prevencii katastrof. Tieto hlavné exascale projekty nielenže posúvajú hranice výpočtovej sily, ale takisto podporujú medzinárodnú spoluprácu, rozvoj pracovnej sily a pokrok otvoreného softvéru a hardvéru.

Vedecké a priemyselné aplikácie

Exascale výpočty, charakterizované systémami schopnými vykonať aspoň jeden exaflop (10¹⁸ operácií s pohyblivou desatinnou čiarkou za sekundu), revolučným spôsobom prevracajú vedu a priemyslovú inováciu. V vedeckých doménach umožňujú exascale systémy bezprecedentné simulácie a analýzy dát. Napríklad klimatológovia teraz dokážu modelovať globálne poveternostné vzory na rozlíšení na úrovni kilometra, čo zlepšuje predpovede extrémnych udalostí a dlhodobé zmeny klímy. V oblasti životných vied exascale výpočty urýchľujú objavovanie liekov simulovaním komplexných biomolekulárnych interakcií a analýzou obrovských genómových súborov dát, čo je znázornené projekty podporovanými Úradom vedomostí Ministerstva energetiky USA.

V priemysle exascale výpočty transformujú odvetvia ako letectvo, automobilový a energetický priemysel. Výrobcovia využívajú exascale simulácie na optimalizáciu dizajnu, zníženie nákladov na prototypovanie a zvýšenie bezpečnosti produktov. Napríklad automobilky používajú simulácie kolízií s vysokou presnosťou a modelovanie aerodynamiky na vývoj bezpečnejších a efektívnejších vozidiel. V energetickom sektore exascale systémy uľahčujú prieskum nových materiálov na batérie a solárne články a zlepšujú presnosť podzemných modelov pre prieskum ropy a plynu, ako to zdôrazňuje Exascale Computing Project.

Navyše, exascale výpočty podporujú umelú inteligenciu a strojové učenie na úrovniach, ktoré boli predtým nedosiahnuteľné, umožňujúc analýzu dát v reálnom čase a rozhodovanie v oblastiach od financií až po zdravotnú starostlivosť. Integrácia exascale schopností do priemyselných pracovných tokov sa očakáva, že podnieti inováciu, zníži čas uvedenia na trh a udrží globálnu konkurencieschopnosť, ako to zdôraznili Európske združenie pre vysokovýkonné výpočty.

Výzvy pri dosahovaní exascale výkonu

Dosiahnutie exascale výkonu – definovaného ako výpočtové systémy schopné aspoň jedného exaflopu, alebo miliardy miliárd (10¹⁸) výpočtov za sekundu – predstavuje množstvo zložitých výziev, ktoré sa týkajú hardvéru, softvéru a spotreby energie. Jednou z hlavných prekážok je obrovský rozsah paralelizmu, ktorý je potrebný. Exascale systémy musia koordinovať milióny procesorových jadier, čo si vyžaduje inovácie v technológiách prepojení a pamäťových architekturách na minimalizáciu latencie a maximalizáciu priepustnosti. Tento úroveň paralelizmu takisto zhoršuje riziko hardvérových porúch, čo si vyžaduje robustné stratégie tolerancie chýb a odolnosti na zabezpečenie spoľahlivosti systému počas dlhých období prevádzky.

Energetická účinnosť je ďalší kritický problém. Bez výrazných zlepšení v správe spotreby energie by exascale systémy mohli vyžadovať stovky megawattov, čo by ich robilo nepraktickými na prevádzku. Výskum sa sústreďuje na vývoj energeticky účinných procesorov, pokročilých chladících techník a dynamickej správy energie, aby sa udržala spotreba energie na rozumných úrovniach. Okrem toho je zložitosť programovania exascale systémov významnou prekážkou. Existujúce softvéry a algoritmy často nedokážu efektívne škálovať na úrovne exascale, čo podnecuje vývoj nových programovacích modelov, knižníc a nástrojov, ktoré môžu využiť masívny paralelizmus a zároveň si zachovať prenositeľnosť a jednoduchosť použitia.

Pohyb a skladovanie dát tiež predstavujú významné výzvy. Objem dát generovaných a spracovávaných na exascale je obrovský, čo si vyžaduje riešenia na uskladnenie s vysokou šírkou pásma a nízkou latenciou a efektívne vstupno-výstupné subsystémy. Riešenie týchto mnohostranných problémov je zamerané na koordinované medzinárodné úsilie, ako je Úrad vedomostí Ministerstva energetiky USA a Európske združenie pre vysokovýkonné výpočty, ktoré vedú výskum a vývoj smerom k praktickým exascale výpočtom.

Dopad na umelú inteligenciu a veľké dáta

Exascale výpočty sú pripravené revolučne zmeniť oblasti umelej inteligencie (AI) a analytiky veľkých dát poskytnutím bezprecedentného výpočtového výkonu a šírky pásma pamäte. Schopnosť vykonať viac ako jeden exaflop (10¹⁸ operácií s pohyblivou desatinnou čiarkou za sekundu) umožňuje výskumníkom a organizáciám trénovať väčšie, komplexnejšie AI modely a spracovávať obrovské súbory dát s vyššou rýchlosťou a presnosťou. Tento skok v výkonnosti je obzvlášť dôležitý pre hlboké učenie, kde sa veľkosti modelov a požiadavky na dáta exponenciálne zvyšujú. Exascale systémy môžu urýchliť trénovanie neurónových sietí, uľahčiť analýzu dát v reálnom čase a umožniť skúmanie nových architektúr AI, ktoré boli predtým výpočtovo prohibívne.

V analytike veľkých dát umožňujú exascale výpočty integráciu a analýzu rôznych, vysokoobjemových súborov dát zo zdrojov ako genómika, modelovanie klímy a sociálne médiá. Táto schopnosť podporuje presnejšie predikčné modelovanie, rozpoznávanie vzorov a rozhodovacie procesy. Napríklad exascale zdroje sa využívajú na pokrok vo výskume personalizovanej medicíny, kde sa analyzujú masívne genómové súbory dát na identifikáciu markerov chorôb a prispôsobenie liečby jednotlivým pacientom. Rovnako tak v oblasti klimatickej vedy exascale výpočty umožňujú simuláciu komplexných systémov Zeme na vyšších rozlíšeniach, čím sa zlepšuje presnosť predpovedí klímy.

Synergia medzi exascale výpočtami, AI a veľkými dátami je aktívne presadzovaná národnými laboratóriami a výskumnými inštitúciami po celom svete. Iniciatívy, ako je Exascale Computing Project Ministerstva energetiky USA a Európske združenie pre vysokovýkonné výpočty, sú na čele vývoja exascale infraštruktúry a softvérových ekosystémov na podporu týchto transformačných aplikácií.

Energetická účinnosť a obavy o udržateľnosť

Systémy exascale výpočtov, schopné vykonať aspoň jeden exaflop (10¹⁸ operácií s pohyblivou desatinnou čiarkou za sekundu), predstavujú významné výzvy z hľadiska energetickej účinnosti a udržateľnosti. Ako sa zvyšuje výpočtová sila, rastie aj dopyt po elektrickej energii, pričom prvé odhady požiadaviek na energiu pre exascale systémy sa pohybujú v rozmedzí 20–30 megawattov – porovnateľné s energetickou spotrebou malej obce. Tento úroveň spotreby energie nielenže zvyšuje prevádzkové náklady, ale aj vyvoláva environmentálne obavy v súvislosti s pridruženou uhlíkovou stopou.

Na riešenie týchto problémov exascale iniciatívy uprednostnili vývoj energeticky účinného hardvéru a softvéru. Inovácie zahŕňajú pokročilé architektúry procesorov, ako sú nízkoenergetické CPU a GPU, a integráciu špecializovaných zrýchlovačov navrhnutých na maximalizáciu výkonu na watt. Okrem toho sa implementujú dynamické techniky správy energie, ako adaptívne nastavovanie napätia a prideľovanie zdrojov podľa pracovnej záťaže, aby sa optimalizovalo využitie energie v reálnom čase. Na strane softvéru sa vyvíjajú algoritmy a plánovacie stratégie vedomé energetickej spotreby, ktoré majú minimalizovať zbytočné výpočty a pohyb dát, čo sú hlavné prispievateľov k spotrebe energie.

Úsilie o udržateľnosť sa takisto rozširuje na fyzickú infraštruktúru exascale zariadení. Efektívne chladicí systémy, regenerácia odpadového tepla a využívanie obnoviteľných zdrojov energie sa stále častejšie prijímajú s cieľom znížiť environmentálny dopad týchto superpočítačov. Napríklad Oak Ridge National Laboratory a Los Alamos National Laboratory implementovali pokročilé chladenie a systémy správy energie vo svojich exascale projektoch. Ako sa exascale výpočty stávajú čoraz rozšírenejšími, pokračujúca inovácia v energetickej účinnosti a udržateľnosti bude kľúčová pre zabezpečenie toho, aby tieto mocné systémy zostali ekonomicky aj environmentálne životaschopné.

Budúci pohľad: Mimo exascale

Keď sa systémy exascale výpočtov dostávajú do prevádzky, zameranie výskumu a vývoja v oblasti vysokovýkonných výpočtov (HPC) sa už posúva smerom k ére po exascale, ktorá sa často označuje ako „mimo exascale“ alebo zettascale výpočty. Táto ďalšia hranica má za cieľ dosiahnuť výpočtové schopnosti na úrovni jedného zettaFLOPu (10²¹ operácií s pohyblivou desatinnou čiarkou za sekundu), čo je tisíckrát väčšie ako exascale. Prechod na zettascale si bude vyžadovať transformačné pokroky v hardvérových architektúrach, energetickej účinnosti, pohybe dát a ekosystémoch softvéru.

Jednou z hlavných výziev je spotreba energie. Súčasné exascale systémy už spotrebujú desiatky megawattov; škálovanie na zettascale s existujúcimi technológiami by nebolo udržateľné. Inovácie v nízkoenergetických procesoroch, pokročilých chladeniach a nových materiáloch, ako sú kvantové a neuromorfné komponenty, sa skúmajú na riešenie týchto problémov. Okrem toho sa zvyšujúca zložitosti a objem dát generovaných vedeckými simuláciami a pracovnými záťažami AI budú vyžadovať prevratné objavy v pamäťových hierarchiách, riešeniach pre uskladnenie a technológiach prepojenia.

Softvér a programovacie modely sa tiež musia vyvíjať, aby využili masívny paralelizmus a heterogenitu, ktoré sa očakávajú v systémoch po exascale. Úsilie je v práci na vývoji odolnejších, škálovateľnejších a inteligentnejších softvérových rámcov, ktoré sa môžu prispôsobiť dynamickým hardvérovým prostrediam a podporovať vznikajúce aplikácie v AI, modelovaní klímy a presnej medicíne. Medzinárodné spolupráce a iniciatívy, ako tie, ktoré vedie Úrad vedomostí Ministerstva energetiky USA a Európske združenie pre vysokovýkonné výpočty, sú kľúčové na poháňanie výskumu a infraštruktúry potrebnej pre éru zettascale.

Nakoniec, cesta mimo exascale sľubuje odblokovanie bezprecedentných vedeckých objavov a technologických inovácií, ale vyžaduje si koordinované pokroky naprieč celým výpočtovým stackom.

Zdroje & Odkazy

• Európske združenie pre vysokovýkonné výpočty
• RIKEN Centrum pre výpočtovú vedu
• Frontier Supers počítač
• LUMI
• Los Alamos National Laboratory