Государственная лаборатория в штате Иллинойс получит самый быстрый суперкомпьютер в США в 2021 году, и он станет первым, который достигнет так называемого экзаскального уровня обработки. Эта мамонтовая машина под названием Aurora будет жить в Аргоннской национальной лаборатории и сможет выполнять такие задачи, как моделирование сложных систем, управление искусственным интеллектом и проведение материаловедческих исследований.
Так в чем же смысл суперкомпьютера? Такие эксперименты, как краш-тесты автомобилей, дороги, сложны и иногда опасны. Однако суперкомпьютерная симуляция позволяет исследователям проводить такие испытания виртуально, отслеживать и изменять бесчисленные переменные в процессе их проведения. Некоторые суперкомпьютеры даже моделируют ядерные взрывы, что лучше всего делать виртуально, а не в реальном мире.
Кроме того, есть исследования в области энергетики: ученые могут использовать Aurora для проверки конструкции лопасти ветряной турбины. Вместо того чтобы создавать реальные лопасти с несколькими вариантами и смотреть, как они работают, суперкомпьютер позволяет смоделировать этот эксперимент, что гораздо быстрее и намного дешевле. Или, например, исследование климата. "Нельзя поместить мир в бутылку в лаборатории и посмотреть, что произойдет, если мы сделаем то-то, то-то и то-то в нашей энергетической политике", - говорит Стив Скотт, главный технический директор Cray, Inc, одной из компаний, создающих Aurora.
Думайте о мощных суперкомпьютерах как о способе виртуально поместить мир в цифровую бутылку. Вот что еще нужно знать об Авроре в цифрах.
Номер один
В 2021 году, когда Aurora начнет работать, ожидается, что она станет самой быстрой машиной в стране. "Она должна стать самой быстрой в США, когда будет построена", - говорит Алан Гара, сотрудник компании Intel, которая также работает над новой машиной. Конечно, США - не единственная страна, инвестирующая в суперкомпьютеры. На данный момент третья по скорости машина находится в Китае, а еще в ноябре 2017 года два самых быстрых суперкомпьютера были китайскими, за ними следовали Швейцария и Япония. "Существует небольшая гонка, и не зря - они стали для стран инструментом, позволяющим в некотором роде конкурировать", - говорит Гара. Короче говоря, если Aurora в какой-то момент стала самой быстрой в мире, можно предположить, что она не будет удерживать это место вечно.
Квинтиллион операций в секунду
Aurora сможет выполнять квинтиллион операций каждую секунду - миллиард миллиардов. В письменном виде это число выглядит следующим образом: 1,000,000,000,000,000,000. В сфере суперкомпьютеров и даже некоторых обычных компьютерных чипов производительность измеряется в FLOPS: операциях с плавающей запятой в секунду. Эти операции представляют собой сложные математические уравнения - сложение или умножение двух длинных чисел, - которые позволяют компьютерам решать поставленные задачи, например, выводить графику на экран или выполнять сложное моделирование.
Возможность выполнения квинтиллиона операций в секунду делает Aurora эксафлопной машиной, а это значит, что она сможет решать 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 сложных математических задач каждую секунду.
Мощность лучших суперкомпьютеров сейчас измеряется петафлопсами. Разросшаяся машина под названием Summit в Национальной лаборатории Оук-Ридж может достигать пика в 200 петафлопс. Аврора должна быть в пять раз мощнее. Отмотайте время назад до конца 90-х годов, и тогда суперкомпьютеры достигали терафлоп. (Исторически чипы и транзисторы становились все меньше и быстрее).
"Самые быстрые суперкомпьютеры на планете имеют производительность около 200 петафлопс, так что это на порядок в пять-десять раз быстрее", - говорит Питер Унгаро, президент и генеральный директор Cray. "Это огромный скачок в производительности и возможностях за очень короткое время".
Миллиард ноутбуков
Если предположить, что типичный ноутбук может выполнять миллиард операций в секунду, то Aurora эквивалентна миллиарду ноутбуков, соединенных вместе. "Это феноменальное число", - говорит Гара из Intel. Конечно, Aurora будет работать лучше, чем миллиард ноутбуков, соединенных вместе, потому что суперкомпьютеры также должны быть подключены продуманным образом, чтобы компоненты были эффективно связаны между собой, не говоря уже о других практических вопросах, таких как обеспечение жидкостного охлаждения оборудования. "Именно это отличает суперкомпьютер от просто кучи из миллиарда ноутбуков", - говорит он.
Для сравнения, Xbox One X в настоящее время является самой быстрой игровой консолью на рынке. Ее производительность составляет около 6 терафлопс.
Более 200 шкафов
Суперкомпьютеры - это не одна массивная, отдельно стоящая машина, сидящая посреди пустой комнаты. Вместо этого их оборудование находится в шкафах. Aurora потребуется более 200 таких шкафов, и, по данным Cray, каждый шкаф имеет ширину около 4 футов, глубину более 5 футов и высоту более 7 футов. Поскольку шкафы требуют определенного пространства между собой, общая площадь системы должна составлять не менее 6400 квадратных футов. Это означает, что, как минимум, компьютер Aurora займет больше места, чем баскетбольная площадка.
Каждый шкаф будет нагреваться, но Cray утверждает, что благодаря жидкостному охлаждению, они могут держать каждый шкаф достаточно прохладным, чтобы работать с мощностью в четверть мегаватта.
Суперкомпьютер Summit в штате Теннесси. 200 гигабит
Поскольку вычислительные узлы внутри каждого шкафа и сами шкафы должны быть соединены друг с другом, коммутаторы, медные и оптоволоконные кабели объединяют все это в сеть. Каждый шкаф имеет несколько коммутаторов, и каждый коммутатор содержит 64 порта. Когда данные перетекают от коммутатора к коммутатору, они могут передаваться со скоростью 200 гигабит в секунду. Представьте себе оптоволоконный кабель, протянутый от коммутатора в одном шкафу до другого шкафа, и данные могут двигаться со скоростью 200 000 мегабит в секунду. (Для сравнения, Netflix утверждает, что для просмотра фильмов в формате HD вам потребуется подключение к Интернету со скоростью 5 Мбит/с, а для 4K - 25).
И каждый узел связан всего тремя "скачками" или меньше от коммутатора к коммутатору, говорит Скотт из Cray.
В конечном счете, все эти разговоры о терафлопсах, петафлопсах и эксафлопсах - это эталоны, которые компьютерщики используют для описания возможностей машины. "Это просто произвольные вехи", - говорит Скотт. "Задача, конечно, состоит в том, чтобы продолжать расширять границы".