Superkomputery (cz. 1)

Autor:
Zespół Innokrea

Data publikacji: 2023-06-01

Kategorie: Innowacja

Dzisiaj jako Innokrea opowiemy Wam trochę o superkomputerach. W dobie przetwarzania gigantycznych ilości danych i trenowaniu modeli sztucznej inteligencji znaczenie superkomputerów rośnie z każdym miesiącem. Jeśli chcesz dowiedzieć się jak są budowane klastry służące do zaawansowanych symulacji to zapraszamy do lektury!

Po co?

Pierwszym pytaniem na które powinniśmy odpowiedzieć jest po co właściwie tworzyć superkomputery? Czy faktycznie jest zapotrzebowanie? Czy moc obliczeniowa przeciętnego komputera PC w 2023 nie jest wystarczająca? Aby wyjaśnić tę kwestię posłużę się tutaj jednym ze słynniejszych cytatów, który przypisywany jest wielu naukowcom zajmujących się matematyką i danymi.

“Dane to nowa ropa. Jest cenna, ale nierafinowana nie nadaje się do użytku. Trzeba ją zamienić na gaz, plastik, chemikalia itp., aby stworzyć wartościowy podmiot, który napędza dochodową działalność; więc dane muszą zostać podzielone, przeanalizowane, aby miały wartość”

– Clive Humby, UK Mathemetician and architect of Tesco’s Clubcard, 2006

Superkomputery mają za zadanie przetwarzać gigantyczne ilości danych i wykonywać skomplikowane obliczenia, których nie da się wykonywać na zwykłych komputerach. Używa się ich w takich obszarach jak:

Symulacje z zakresu fizyki, chemii, biologii czy astronomii
Modelowanie finansowe, analiza ryzyka i optymalizacje
Modelowanie klimatu
Modelowanie w medycynie – genomy, wirusy, rozprzestrzenianie się chorób

Superkomputery pozwalają na uwzględnienie większej ilości czynników, danych czy podzielenie modelu na bardzo małe cząstki czyli tak zwane zwiększenie rozdzielczości czy granularności.

Konkretne przykłady

Wykonywane są symulacje trzęsień ziemi, aby zobaczyć jaki wpływ miały one na naturę, czy jaki mogą mieć wpływ na życie człowieka. Niektórzy widzą komercyjne zastosowanie takich danych np. poprzez naniesienie danych dotyczących trzęsień ziemi, ich częstości i wpływu na domy czy mieszkania. W ten sposób można zwiększać np. skuteczność inwestycji mieszkaniowych poprzez inwestowanie tylko w miejscach o niskiej aktywności sejsmicznej. Oprócz tego występują symulacje tornad i przewidywanie pogody na podstawie dokładnie wykonanych modeli. W przestrzeni naukowej występują także modele dotyczące wirusów, ich rozprzestrzeniania się, podziału czy zachowania.

Rysunek 1: Przedstawiona symulacja sejsmiczna z 2017 roku wykonana z użyciem superkomputera LRZ’s SuperMUC na uniwersytecie w Monachium.

Rysunek 2 i 3: Na animacji z Uniwersytetu UC San Diego obserwujemy modelowanie wirusa H1N1 o rozdzielczości 160 milionów atomów.
Do wykonania niezbędnych obliczeń wykorzystano komputer Titan z Oak Ridge National Laboratory’s.

Rysunek 4: Porównanie modelu komputerowego z realnym zachowaniem chmur na niebie, Leigh Orf’s Thunderstorm Research.

Czym właściwie jest superkomputer?

Wiemy już w jakich dziedzinach mają zastosowanie superkomputery, ale właściwie jak wyglądają? Czy jest to pojedyncza jednostka czy może cała grupa współpracujących ze sobą komputerów? Superkomputery z lat 80. były zazwyczaj pojedynczymi, ściśle połączonymi komputerami, a nie klastrami komputerów. Przedrostek „super” pochodzi z czasów, gdy obliczenia o wysokiej wydajności były wykonywane tylko na bardzo specjalnych maszynach zwanych właśnie superkomputerami. Nasze dzisiejsze telefony na ówczesne standardy byłyby określane jako superkomputery.

Dzisiaj duże możliwości przetwarzania osiągane są poprzez tworzenie klastrów z tysięcy komputerów i takie systemy nazywamy w dzisiejszych czasach superkomputerami. Klaster to więc grupa połączonych ze sobą komputerów, które współpracują ze sobą w celu obsługi programu. W klastrze każdy komputer jest określany jako węzeł.

Rysunek 5: Superkomputer Cray-2 z 1985 roku, Wikipedia.

Czy superkomputer to komputer kwantowy?

Nie, superkomputery i komputery kwantowe to nie to samo. Chociaż oba są wysokowydajnymi systemami obliczeniowymi, działają na zasadniczo różnych zasadach.

Superkomputery opierają się na klasycznych obliczeniach, które wykorzystują cyfry binarne oraz bity do reprezentowania informacji i wykonywania obliczeń. Superkomputery wykorzystują dużą liczbę połączonych ze sobą procesorów lub układów GPU do wykonywania złożonych obliczeń.

Z kolei komputery kwantowe działają na zasadach mechaniki kwantowej, co pozwala im wykonywać określone rodzaje obliczeń i symulacji znacznie szybciej niż klasyczne komputery. Komputery kwantowe używają kubitów do reprezentowania informacji i używają algorytmów kwantowych do wykonywania obliczeń i symulacji. Powstał także specjalny język do programowania w środowisku kwantowym – QSharp -> (https://en.wikipedia.org/wiki/Q_Sharp) . Na rok 2023 na większą skalę stosuje się superkomputery, a komputery kwantowe są w fazie rozwoju.

Rysunki 6 i 7: Po lewej komputer kwantowy Dwave 2000-Q, po prawej Frontier najlepszy superkomputer na świecie wg. rankingu top500

Dzisiaj udało nam się zapoznać z podstawowymi zagadnieniami dotyczącymi superkomputerów. Wiemy dlaczego się ich używa, oraz czym właściwie są. Jeśli jesteście chętni na więcej informacji dotyczących superkomputerów i wykorzystywanych tam technologii to zapraszamy do kolejnej publikacji.

Źródła: