Що може суперкомп’ютер та де його використовують

Перший суперкомп’ютер Cray-1 з'явився у 1976 році, а зараз вже існує рейтинг суперкомпʼютерів ― ТОП500, який оновлюється двічі на рік.

Винайти вакцину проти коронавірусу, запустити мільйон Кіберпанків водночас, спрогнозувати наслідки ядерної катастрофи чи змінити хід війни ― все це під силу суперкомп’ютерам. 

Що таке суперкомп’ютери, яку потужність вони мають, де їх активно використовують та яке у них майбутнє, ми розповіли у новому відео від GigaCloud. Нижче найцікавіше з нього.

Перший суперкомп’ютер

На світанку компʼютеробудування, а це були 50-ті роки минулого століття, чи не кожну електронно-обчислювальну машину вважали супер. Бо не було з чим порівнювати. Допоки у 1976 році не з'явився Cray-1, спроєктований Сеймуром Креєм.

Це був величезний системний блок з процесором, який складався із майже 145 тисяч мікросхем. Cray-1 виконував до 180 млн операцій на секунду. Крім того, він одним з перших почав працювати як зі скалярними обчисленнями, так і з векторними. 

Cray-1, який спроєктував Сеймур Крей

Якщо спростити, то коли машина займається скалярними обчисленнями, вона працює з окремим числами: додає їх, множить тощо. У векторних обчисленнях виконуються операції з наборами чисел або ж векторами у тривимірному просторі. Тобто коли є величина та напрямок або ж кут. З векторними обчисленнями складні арифметичні розрахунки займають значно менше часу. 

Чи не єдиний мінус Cray-1 — він дуже сильно нагрівався під час роботи. Тому для нього розробили спеціальну систему охолодження на рідкому фреоні. Проте тепла було стільки, щоб поряд із ним можна було зігрітися. Цим і користувалися взимку працівники Cray Research. Першою компанією, яка придбала Cray-1, став Національний центр атмосферних досліджень США для своїх досліджень з метеорології та кліматології.  

За супер ПК та жорсткі диски до нього вони заплатили майже $9 млн.

Ексапотужність 

Продуктивність комп'ютерів як звичайних, так і супер, оцінюють у FLOPS (FLoating-point Operations Per Second). Або ж кількість операцій над числами з рухомою комою на секунду.

Для вимірювання потужностей суперкомп'ютерів спочатку використовували мегафлопси. Це кількість мільйонів операцій на секунду. Потім — гігафлопси. Після них були терафлопси. З 2008 року — петафлопси. Це вже кількість мільйонів мільярдів обчислень на секунду. І наразі є суперкомпʼютер, потужність якого вимірюють в ексафлопсах. Тобто скільки саме мільярд мільярдів операцій зможе зробити ПК на секунду. Візуально це цифра з вісімнадцятьма нулями після одиниці.

Продуктивність ​​Cray-1 була 133 мегафлопси. Другої моделі, яка вийшла 1985 року — вже 1,9 гігафлопса. Для порівняння, продуктивність консолі Sega Dreamcast 1998 року, тобто через 13 років, була трохи меншою — 1,4 гігафлопса.

З більш актуальних прикладів — продуктивність iPhone 14 Pro — 2 терафлопси. Майже така сама, як у PlayStation 4, що вийшла 10 років тому. Її продуктивність дорівнювала 1,8 терафлопс.

Що може суперкомп’ютер

Ваш ПК — це як мотоцикл, а суперкомп'ютер — як швидкісний поїзд. Бо звичайний комп'ютер працює на одному процесорі, тому операції він виконує послідовно. Гортати інтернет-сторінки, друкувати, грати, монтувати — це завдання, з якими він легко впорається. 

Натомість суперкомпʼютер має багато процесорів. Тому і багато завдань він може виконувати одночасно. І те, що ігровий комп'ютер оброблятиме тиждень, суперкомпʼютер зможе вирахувати за день, бо його головна місія — зробити максимум обчислень за мінімум часу.

Суперкомпʼютери використовують у фармакології, щоб створити нові ліки. Для цього машина моделює молекулярну динаміку.

Інша галузь, де суперкомп'ютер знайшов своє покликання, це нафтогазова. Супер ПК прискорюють обробку складних сейсмічних даних, що дозволяє геологам швидше знаходити нафту, з меншими витратами та з кращими показниками успіху.

З суперкомпʼютером можна змоделювати, як поширюватиметься вірус, зокрема, коронавірус. Чи спрогнозувати та зробити симуляцію природних катастроф. Або, що зараз, на жаль, дуже актуально — показати наслідки ядерної війни, як це зробили дослідники з некомерційної організації Future of Life Institute. 

Вердикт суперкомпʼютера — неважливо, хто перший запустить ядерну ракету — росія чи США, бо буде удар у відповідь. Тож пів планети все одно вимре від голоду. 

Отже, суперкомп'ютери не просто щось там роблять з гігантськими числами. Вони моделюють реальність. Тобто прораховують усі можливі варіанти розвитку подій та роблять прогнози.

Лідер рейтингу суперкомп’ютерів ТОП500 —  Frontier

Рейтинг суперкомп’ютерів 

З 1993 року існує рейтинг суперкомпʼютерів Топ-500. Він оновлюється двічі на рік. 

До 2002 року у ньому не було жодного суперкомп'ютера з Китаю. Проте вже з червня 2013 року китайські супер ПК посідали перші місця. А ще згодом їх стало більше ніж американських. Як-от у червні 2018 році. Тоді вийшло 206 проти 124.

Але станом на листопад 2023 року це співвідношення змінилося. США має 161 суперкомпʼютер у топі, Китай — 104. На третій сходинці Німеччина, у неї 36 машин. У Японії — 32. У Франції — 23. України в цьому рейтингу немає.

На першому місці топа — американський супер ПК Frontier потужністю 1,194 ексафлопси. Він складається з 9 408 вузлів, у кожному з яких є один центральний процесор — 64-ядерний AMD Milan EPYC із частотою 2 ГГц. А також чотири графічні прискорювачі AMD Instinct MI 250x. Всього в ньому використовується 9,2 петабайта оперативної пам'яті та 753 петабайти постійної.

Frontier складається з 74 окремих стійок вагою понад 3,6 тонни кожна. Вони з'єднані між собою кабелями завдовжки 144 км. Система охолодження щохвилини прокачує понад 22 тисячі літрів води.

Наразі Frontier — єдиний, хто подолав позначку в один ексафлопс. Але є нюанс. Цей суперкомпʼютер розробили в американській національній лабораторії Oak Ridge. І, як розповідав програмний директор Джастін Вітт у жовтні 2022 року, машина глючила чи не кожні кілька годин, невідомо чому. 

Суперкомп’ютер Aurora, створений Intel та Hewlett Packard Enterprise

На другому місці у Топ-500 — теж американський супер ПК Aurora з продуктивністю 585 петафлопс. Але це лише частина системи. Надалі Aurora матиме продуктивність понад 2 ексафлопси. В основі цього ПК — процесори Intel Xeon CPU Max 9470 і прискорювачі Intel Data Center Max. 

Суперкомп’ютер Eagle, створений Microsoft

На третьому місці — ще один американець Eagle від Microsoft. Він має продуктивність 561 петафлопси.

Суперкомп’ютери-трансформери 

Але суперкомпʼютер — це не лише монолітна система. Це може бути локальна мережа звичайних компʼютерів, як, наприклад, це реалізовано у волонтерському проєкті Folding@Home. 

Пік його потужностей припав на 2020 рік, коли у світі вирував коронавірус. Тоді координатори проєкту хотіли дізнатися як вірус потрапляє у людську клітину. Тож вони закликали всіх охочих пожертвувати певний відсоток від потужності свого ПК, доєднавшись до спільної справи. Для цього треба було лишень завантажити спеціальне програмне забезпечення.

Як заявляли у Folding@Home, у проєкті взяли участь понад мільйон користувачів-волонтерів. Сукупно вони видали максимальну потужність у 2,4 ексафлопс. 

Але Топ-500 не враховує такі системи-трансформери, бо зараз вони показують одну потужність, а вже за секунду — іншу.

Квантовий комп’ютер від Google

Суперкомп'ютерні перегони 

Наразі у світі тривають не лише ядерні перегони, а й суперкомпʼютерні.

Наприклад, у Китаї вже заявили, що хочуть збільшити обʼєм своїх потужностей з двохсот до трьохсот ексафлопсів до 2025 року. За підрахунками аналітиків, один юань, який інвестують в обчислювальні потужності, приносить 3-4 юані. По-друге, Китай розуміє, що чим далі, тим більше компаній застосовуватимуть штучний інтелект. А для його роботи потрібні і хмарні обчислення, і великі потужності. Тож сукупне збільшення ексафлопсів відбуватиметься в межах національної стратегії щодо збереження конкурентоспроможності у галузі високих технологій.

Вже зрозуміло, що надалі продуктивність суперкомп'ютерів розганятимуть до космічних показників. Можливо, машини займатимуть менше місця та споживатимуть менше енергії. Але головне питання — які саме завдання їм доручатимуть? І — доволі неочікуване — чи не стануть суперкомпʼютери вже за кілька років чимось на кшталт PlayStation 1? 

Річ у тім, що нещодавно у Google заявили, що створили надпотужний квантовий комп'ютер, який може за 6,7 секунди вирішити завдання, на яке суперкомп'ютер Frontier витратив би 47 років. Побачимо, що нас чекає далі.