Za čtyři roky mohou být nejsilnější superpočítače světa asi desetkrát rychlejší než dnes

21. září 2016

Světu superpočítačů nyní vládnou dva čínské stroje. Starší Tianhe-2 (Mléčná dráha 2) a novější a téměř třikrát rychlejší Sunway TaihuLight System.

Na rok 2018 však několik amerických firem chystá superpočítače ještě asi dvakrát nebo třikrát rychlejší a Čína chce mít v roce 2020 k dispozici dokonce více než desetkrát rychlejší superpočítačový systém než je dnešní Sunway TaihuLight System.

Superpočítače jsou nejvýkonnějšími počítači na světě. Jejich výkon se má k výkonu našich stolních počítačů asi jako velikost velryby či veleještěra k velikosti blechy. V praxi se jimi rozumějí stroje či složené počítačové systémy zařazené do seznamu „horních 500" (Top 500), který vytvářejí už 23 let pracovníci univerzity v německém Mannheimu a některých amerických institucí.

Seznam je obnovován každého půl roku. Tyto významem a často i fyzickými rozměry gigantické stroje obsahují někdy až miliony spřaženě pracujících procesorů a zabírají celá patra budov nebo budovy celé. Používají se pro numerická řešení matematicky nejnáročnějších výpočtů, jako jsou např. předpovědi počasí, vývoj globálního klimatu, přesné fyzikální, průmyslové, genetické, geofyzikální a biochemické modelování nebo simulace plazmatu či jaderných výbuchů.

Superpočítač nemusí mít nutně všechny své součásti fyzicky zcela pohromadě, dnes jde často o rozsáhlý shluk (anglicky cluster) menších jednotek či počítačových/procesorových uzlů, spojených pomocí rychlé lokální sítě.

Jak měříme výpočetní výkon počítačů? Výkon počítačů, přesněji jejich procesorů, které operují s desetinnými čísly, se často měří v násobcích jednotky zvané FLOPS (elementární operace s pohyblivou desetinnou řádkou za sekundu - FLoating point Operation(s) Per Second) při řešení jistých standardních úloh. V praxi se setkáme nejčastěji s výkony v řádech gigaFLOPS (10^9), teraFLOPS (10^12), petaFLOPS (10^15) či exaFLOPS (10^18).

Stroj Tianhe-2 má výkon zhruba 34 petaFLOPS, Sunway TaihuLight System 93 petaFLOPS. Pro srovnání, současný nejrychlejší český superpočítač Salomon, který pracuje ve výpočetním centru areálu Vysoké školy báňské v Ostravě, má výkon „jen” 2 petaFLOPS a zaujímá 55. místo v posledním seznamu Top500 z června 2016. I tak je jeho výkon roven asi 70 tisícům notebooků.

USA chtějí na současnou převahu Číny reagovat v roce 2018 třemi superpočítači

V roce 2018 mají tři pracoviště amerického ministerstva energetiky získat od firem IBM, Cray, Intel a Nvidia po jednom superpočítači s výkony ležícími mezi 150 až 250 petaFLOPS, v rámci programu CORAL (Collaboration of Oak Ridge, Argonne and Livermore). Jeden z nich dostane Národní laboratoř Oak Ridge (stroj Summit), další laboratoř Argonne (superpočítač Aurora) a laboratoř Lawrence Livermora (systém Sierra).

Energetická spotřeba dotyčných strojů by se mohla pohybovat kolem 10-15 megawattů. ExaFLOPSový systém plánují Spojené státy vytvořit až v roce 2023. Podle dnešních představ by měl mít podobný systém energetickou spotřebu asi 20-30 megawattů.

Čína usiluje o superpočítačový systém se špičkovým výkonem jednoho exaFLOPS již v roce 2020

Tento plán nedávno oznámili představitelé čínské Národní univerzity obranné technologie. Jejich superpočítač by se měl jmenovat Tianhe-3, v pokračování linie, vytyčené předchozími stroji Tianhe-1 (2010) a Tianhe-2 (2013). Pokud by však došlo k jeho sestrojení ve zmíněném roce 2020, technologie by zřejmě ještě nedosáhla takové energetické úspornosti jako u amerického systému, plánovaného pro rok 2023. Jeho energetická spotřeba by tedy byla asi mnohem vyšší než 30 megawattů a je otázka, zda by byl provoz takového giganta efektivní.

Superpočítače

Přesto se např. Steve Conway, odborník na oblast superpočítačů z prestižní analytické organizace IDC, domnívá, že nějaký stát pravděpodobně již v roce 2020 hranice špičkového výpočetního výkonu 1 exaFLOPS dosáhne. To však ještě neznamená, že jeho stabilní výkon při chodu nějaké užitečné aplikace bude stejně velký. Tohoto stavu podle Conwaye nějaký superpočítač dosáhne až někdy mezi lety 2022-2024.

Z tohoto hlediska se zdá být americký plán na „pokoření exaFLOPSové” hranice v roce 2023 jako realističtější a užitečnější než plán čínský. Je však možné, že Čína použije nominální či maximální exaFLOPSový výkon svého systému v roce 2020 jako výkladní skříň pro prezentaci dosaženého vědeckého a technologického pokroku. Podle současných informací vyvíjí Čína systémy této dimenze na bázi 3 různých architektur, které jsou založeny buď na procesorech AMD, ARM nebo na procesorech vlastní výroby Shenwei (SunWay).

Japonsko a Francie

Japonská firma Fujitsu nedávno oznámila záměr vytvořit výkonnějšího následovníka dnešního superpočítače Project-K, který pracuje ve špičkovém japonském vědeckém ústavu RIKEN. Navrhovaný stroj bude poháněn mobilními procesory ARM, bude se jmenovat Post-K, má zahájit pravidelnou činnost kolem roku 2022, má mít výkon na hranici jednoho exaFLOPS a bude sloužit japonským výpočetním potřebám z oblastí, jako jsou biomedicinské vědy, modelování klimatu a energetika.

Francouzská jaderná energetika by mohla získat po roce 2020 podobně výkonný stroj, od konsorcia firem Atos a Bull, na bázi jejich progresivního systému Sequana.


Co bude dál?

Erik P. DeBenedictis z Národních laboratoří Sandia prohlásil, že pro přesnou předpověď počasí na 14 dní dopředu bude třeba superpočítače s výkonem jednoho zettaFLOPS (10^21 FLOPS čili tisíce exaFLOPS).

Takový systém bude technicky možné sestrojit až někdy kolem roku 2030. Tvořit jej však už budou pravděpodobně trojrozměrné mikroprocesory a paměti s mnoha vrstvami nad sebou, tedy nikoliv dvojrozměrné čipy jako dnes. V konstrukci také budou zřejmě použity prvky fotoniky, hlavně pokud jde o velmi rychlá spojení mezi jejich výpočetními prvky.

Zdroje: The Next Platform, ComputerWorld, Fabius Maximus, GadgetsNow, Top500, MIT Technology Review, ExtremeTech, CIO, IEEE Spectrum, WT Vox, CORAL (PDF), Youtube

autor: Pavel Vachtl
Spustit audio