47 СУЧАСНІ СУПЕРКОМП'ЮТЕРИ

Нові наукові області вимагають все більше обчислювальної потужності. Сучасне прогнозування погоди, моделювання ядерних випробувань, моделювання клітин на молекулярному рівні і навіть імітація людського мозку з кожним днем вимагають все більше і більше від потужних суперкомп'ютерів. Існує дуже багато компаній які конкурують між собою у створенні найпотужнішого суперкомп'ютера в світі. У процесі такої своєрідної гонки інженери розробляють, модифікують багато частин і компонентів комп'ютера. Більшість з них дуже схожі на компоненти звичайного настільного комп'ютера.

Центральний процесор. Сучасні суперкомп'ютери часто об'єднують десятки тисяч високопродуктивних процесорів в масиви.

Охолодження. Потужні суперкомп'ютери споживають дуже багато енергії. Наприклад, для нормальної роботи Tianhe 2 потрібно стільки енергії скільки споживає невелике місто. Велика частина цієї енергії виділяється як тепло, тому інженери повинні подбає про те щоб їх суперкомп'ютера для нормальної роботи було досить прохолодно.

Транзистори. Чим більше транзисторів на інтегральній схемі, тим більша її обчислювальна потужність і здатність виконувати більшу кількість операцій.

Розглянемо п’ять перших суперкомп'ютерів зі списку 58-го видання Top500, що оновився у листопаді 2021 року. Проект Топ-500 був запущений в 1993-му, і двічі на рік (у червні і листопаді) публікує актуальний рейтинг найпотужніших суспільно відомих комп'ютерних систем світу.

Fugaku

Фугаку залишається системою №1. Він має 7 630 848 ядер, що дозволило йому досягти тестового показника HPL 442 Pflop/s. Це ставить його в 3 рази попереду системи № 2 у списку. 

Встановлений у Центрі обчислювальної науки Riken (R-CCS) у Кобе, Японія, він був спільно розроблений Riken та Fujitsu і заснований на спеціальному процесорі Fujitsu ARM A64FX. Fugaku також використовує взаємоз'єднання Fujitsu Tofu D для передачі даних між вузлами.

У одинарній або додатково зниженій точності, які часто використовуються в машинному навчанні та застосуванні AI, Fugaku має максимальну продуктивність понад 1000 PFlop/с (1 Exaflop/s). В результаті Fugaku часто представляється як перший суперкомп’ютер Exascale.

Машина на даний момент складається з 400 стійок і має 158 976 процесорів A64FX, кожен з яких має 48 основних і 4 допоміжні ядра і працює на частоті 2,2 ГГц. На операціях типу INT8 Fugaku розвиває 4,3 екзаопа, у звичних одиницях FP16 (половинна точність) результат також викликає повагу - 2,15 екзафлопа. Але, повторимося, питома продуктивність Fugaku не рекордна.

Хоча продуктивність у INT8 хороша сама по собі і ненабагато нижча за продуктивність суперкомп'ютера Saturn V, що використовує різні прискорювачі NVIDIA Tesla від P100 до A100. Але при рівних 4,3 екзаопах витрати на машину типу Saturn V становитимуть лише 860 серверів та $171 мільйон. Це в 5,3 рази дешевше за Fugaku. Втім, коли йдеться про простоту програмування, рішення Fujitsu виграє.

На Fugaku запущено вже п'ять проектів, пов'язаних із COVID-19. Серед них симуляція повітряно-краплинних процесів зараження, пошук кандидатів у ліки проти коронавірусу, аналіз білків SARS-CoV-2, статистичний аналіз поширення захворювання в Японії, а також оцінка впливу епідемії на економіку країни в період карантину.

Summit

Summit, система IBM, створена в Національній лабораторії Ок-Рідж (ORNL) в Теннессі, США, залишається найшвидшою системою в США і займає друге місце в світі. Він має продуктивність 148,8 Pflop/s за тестом HPL, який використовується для рейтингу списку TOP500. Новий суперкомп'ютер складається із 4608 серверів IBM AC922. У кожному з серверів встановлено два 22-ядерні процесори IBM Power9 і шість відеоприскорювачів NVIDIA Tesla V100. Крім того, в сервері встановлено 512 гігабайт оперативної пам'яті DDR4 та ще 96 гігабайт пам'яті з високою пропускною здатністю. Дані між серверами передаються через комутатори з двосторонньою пропускною здатністю 100 гігабіт на секунду. Суперкомп'ютер працює під керуванням операційної системи Red Hat Enterprise Linux 7.4. Через таку велику кількість потужних серверів споживання суперкомп'ютера становить 13 мегават. Для відведення тепла через охолоджувальну систему кожну секунду пропускається понад 250 літрів води. Його розробка коштувала приблизно 200 млн доларів.

Суперкомп'ютер розташований у Національній лабораторії Ок-Рідж у штаті Теннессі. Він розроблений компанією IBM разом із виробником графічних процесорів NVIDIA.

Вчені мають намір використати обчислювальну потужність системи для пошуку можливих зв'язків між генами та раковими захворюваннями, а також між виникненням залежностей від наркотичних речовин. Пристрій також допоможе в кліматичному моделюванні, що збільшить ефективність прогнозу погоди.

Sierra

IBM Sierra - це суперкомп'ютер, встановлений в Ліверморській національній лабораторії (Каліфорнія, США) для потреб Національного управління ядерної безпеки, посідає 3-е місце. Його архітектура дуже схожа на систему №2 Summit.

Цей суперкомп'ютер, що складається з 240 обчислювальних стійок, здатний виконувати 125 квадрильйонів обчислень за секунду. Для цього Sierra потрібно 240 обчислювальних стійок та 4,320 вузлів. Кожен вузол складається з 2 процесорів IBM Power 9 та 4 графічних процесорів Nvidia V100. Sierra досягла 94,6 пфлоп/с.

Система такого типу відома як гетерогенна система, оскільки вона поєднує центральний процесор та графічний процесор. Вся ця обчислювальна потужність вимагає близько 7000 квадратних футів простору та споживає 3500 галонів води за секунду для охолодження. Понад 12 мільйонів ват потужності необхідні підтримки роботи Sierra; достатньо для живлення 9000 будинків! Для забезпечення масштабованості та швидкої передачі даних комп'ютер повинен мати пропускну здатність 1.54 терабайти на секунду.

Sierra використовується головним чином для побудови прогнозів у додатку до завдань управління ядерним арсеналом, допомагаючи забезпечити безпеку, надійність та ефективність ядерної зброї США.

Sunway TaihuLight

Sunway TaihuLight – це система, розроблена Китайським національним дослідницьким центром паралельної комп'ютерної інженерії та технологій (NRCPC) і встановлена ​​в Національному суперкомп'ютерному центрі в Усі, китайська провінція Цзянсу, займає 4 місце з 93 Пфлоп/с.

Цей суперкомп'ютер складається із понад 10,5 мільйонів процесорних ядер і працює під керуванням власної операційної системи Sunway Raise OS 2.0.5 на основі Linux. У суперкомп'ютері використані багатоядерні 64-бітні RISC-процесори SW26010 архітектури ShenWei.  Загальна кількість процесорів у системі – 40 960, кожен процесор містить 256 ядер загального призначення і 4 допоміжних ядра для керування, що загалом дає 10 649 600 ядер. У порівнянні із попереднім китайським рекордсменом Тяньхе-2, котрий був збудований на процесорах Intel виробництва США, в Sunway TaihuLight використані процесори тільки китайського виробництва у зв'язку із забороною США на експорт високопродуктивних процесорів у Китай з квітня 2015 року.

Суперкомп'ютер Sunway TaihuLight призначений для складних розрахунків у виробництві, медицині, видобувній промисловості, для прогнозування погодних умов і аналізу «великих масивів даних».

Втім, комп'ютер TaihuLight, котрий станом на червень 2016 року був найпотужнішим суперкомп'ютером у світі з його продуктивністю в 93 петафлопса, може бути посунутий у рейтингу ексафлопсним комп'ютером, який планує створити китайський уряд. Згідно з повідомленнями офіційних ЗМІ країни, Китай планує розробити першу робочу модель ексафлопсной кібернетичної машини.

Perlmutter

Perlmutter під № 5 знову потрапив у ТОП-10. Він заснований на платформі HPE Cray «Shasta» і гетерогенній системі з вузлами на базі AMD EPYC і 1536 прискореними вузлами NVIDIA A100. Perlmutter покращив свою продуктивність до 70,9 Пфлоп/с.

Nvidia, AMD та Національний обчислювальний центр енергетичних досліджень (NERSC) представили суперкомп'ютер Perlmutter, який вони назвали найшвидшим у світі для робочих навантажень штучного інтелекту. Названий на честь астрофізика Сола Перлмуттера новий суперкомп'ютер може похвалитися 6159 графічними процесорами A100 з тензорними ядрами і займеться складанням найбільшої в історії 3D-карти видимого Всесвіту.

Perlmutter працює на базі процесорів AMD EPYC серії 7003. Він призначений для обробки робочих навантажень з використанням 16-бітної та 32-бітної математики змішаної точності у додатках штучного інтелекту. В даний час суперкомп'ютер включає 1536 вузлів, кожен з одним CPU та чотирма GPU, підключеними до Nvidia NVlink, а також файлову систему Lustre all-flash на 35 Пбайт, яка забезпечить сховище з високою пропускною здатністю. Очікується, що наприкінці цього року на Perlmutter буде додано ще 3072 вузли, призначені тільки для ЦП, кожен із двома процесорами AMD та 512 ГБ пам'яті на вузол.

Він підтримує OpenMP та інші популярні моделі, а також RAPIDS, відкритий код обробки даних на графічних процесорах.

В рамках роботи над картою видимого Всесвіту Perlmutter оброблятиме дані від приладу для спектроскопії темної енергії (DESI), свого роду космічної камери, яка може захоплювати до 5000 галактик за одну експозицію. Підготовка таких даних у попередніх системах займала б тижні чи місяці, але завдяки суперкомп'ютеру завдання вдасться вирішити лише за кілька днів. На додаток до картування Всесвіту, проект «спрямований на те, щоб пролити світло на темну матерію, що стоїть за її розширенням, що прискорюється». Раніше астрономи з Університетського коледжу Лондона створили найбільшу на сьогоднішній момент карту розподілу темної матерії у Всесвіті в рамках проекту Dark Energy Survey.

Суперкомп'ютер надасть приблизно 7 тисячам дослідників NERSC доступ до чотирьох екзафлопів продуктивності обчислень змішаної точності для наукових проектів з використанням штучного інтелекту. На додаток до проекту картографування DESI, дослідники будуть використовувати суперкомп'ютер для роботи у сфері кліматології, де він допомагатиме у дослідженні субатомних взаємодій для виявлення джерел зеленої енергії.

У NERSC бачать галузі застосування Perlmutter у фізиці елементарних частинок, матеріалознавстві та біоенергетиці.