Komputasi Exascale ada di sini – apa arti era baru komputasi ini dan apa yang mampu dilakukan oleh superkomputer Exascale?
Komputasi Exascale adalah tonggak sejarah terbaru Superkomputer mutakhir -Sistem bertenaga tinggi yang mampu memproses perhitungan dengan kecepatan saat ini tidak mungkin menggunakan metode lain.
Superkomputer Exascale adalah komputer yang berjalan pada skala exaflop. Awalan “exa” menunjukkan 1 quintillion, yaitu 1 x 1018 – atau satu dengan 18 nol setelah itu. FLOP adalah singkatan dari “Operasi Floating Point per detik,” jenis perhitungan yang digunakan untuk membandingkan komputer untuk tujuan perbandingan.
Ini berarti bahwa komputer Exascale dapat memproses setidaknya 1 quintillion operasi poin mengambang setiap detik. Sebagai perbandingan, sebagian besar komputer rumahan beroperasi dalam kisaran teraflop (umumnya sekitar 5 teraflop), hanya memproses sekitar 5 triliun (5 x 1012) Operasi titik mengambang per detik.
“Exaflop adalah satu miliar miliar operasi per detik. Anda dapat menyelesaikan masalah pada skala yang jauh lebih besar, seperti simulasi seluruh planet, atau Anda dapat melakukannya pada granularitas yang jauh lebih tinggi,” Gerald Kleyn, wakil presiden solusi pelanggan HPC & AI untuk HPEkepada Live Science.
Semakin banyak operasi titik mengambang yang dapat diproses komputer setiap detik, semakin kuat, memungkinkannya untuk menyelesaikan lebih banyak perhitungan lebih cepat. Komputasi Exascale biasanya digunakan untuk melakukan simulasi kompleks, seperti peramalan cuaca meteorologis, memodelkan jenis obat baru dan pengujian virtual desain mesin.
Ada berapa banyak komputer Exascale, dan apa yang mereka gunakan?
Komputer exascale pertama, dipanggil Perbatasandiluncurkan oleh HPE pada Juni 2022. Ini memiliki kecepatan operasi yang direkam 1,102 exaflops. Kecepatan itu telah dilampaui oleh Pemimpin saat ini El Capitanyang saat ini berjalan di 1,742 exaflops. Saat ini ada dua pada saat publikasi.
Superkomputer Exascale digunakan selama COVID-19 pandemi Untuk mengumpulkan, memproses, dan menganalisis sejumlah besar data. Ini memungkinkan para ilmuwan untuk memahami dan memodelkan pengkodean genetik virus, sementara para ahli epidemiologi menggunakan kekuatan komputasi mesin untuk memprediksi penyebaran penyakit di seluruh populasi. Simulasi ini dilakukan dalam waktu yang jauh lebih pendek daripada yang dimungkinkan menggunakan komputer kantor berkinerja tinggi.
Itu juga patut dicatat Komputer kuantum tidak sama dengan superkomputer. Alih -alih mewakili informasi menggunakan bit konvensional, komputer kuantum memanfaatkan sifat kuantum dari qubit Untuk memecahkan masalah terlalu rumit untuk komputer klasik mana pun.
Untuk bekerja, komputasi Exascale membutuhkan puluhan ribu unit pemrosesan pusat canggih (CPU) dan unit pemrosesan grafis (GPU) untuk dikemas ke dalam ruang. Kedekatan CPU dan GPU sangat penting, karena ini mengurangi latensi (waktu yang dibutuhkan untuk data untuk ditransmisikan antar komponen) dalam sistem. Sementara latensi biasanya diukur dalam picoseconds, ketika miliaran perhitungan sedang diproses secara bersamaan, penundaan kecil ini dapat bergabung untuk memperlambat keseluruhan sistem.
“The Interconnect (Network) mengikat node komputasi (terdiri dari CPU dan GPU dan memori) bersama -sama,” Pekka Manninen, Direktur Sains dan Teknologi di CSCkepada Live Science. “Tumpukan perangkat lunak kemudian memungkinkan memanfaatkan daya komputasi bersama node ke dalam tugas komputasi tunggal.”
Meskipun komponen mereka dijejali sekencang mungkin, komputer Exascale masih merupakan perangkat kolosal. Superkomputer Frontier, misalnya, memiliki 74 lemari, masing -masing beratnya sekitar 3,5 ton, dan mengambil lebih dari 7.300 kaki persegi (680 meter persegi) – sekitar setengah ukuran lapangan sepak bola.
Mengapa Komputasi Exascale Sangat Menantang
Tentu saja, mengemas begitu banyak komponen bersama -sama dapat menyebabkan masalah. Komputer biasanya memerlukan pendinginan untuk menghilangkan panas limbah, dan miliaran perhitungan yang dijalankan oleh komputer exascale setiap detik dapat memanaskannya hingga suhu yang berpotensi merusak.
“Membawa banyak komponen untuk beroperasi sebagai satu hal mungkin merupakan jalan yang paling sulit, karena semuanya perlu berfungsi dengan sempurna,” kata Kleyn. “Sebagai manusia, kita semua tahu itu cukup sulit hanya untuk menyatukan keluarga Anda untuk makan malam, apalagi mendapatkan 36.000 GPU bekerja bersama dalam sinkronisitas.”
Ini berarti bahwa manajemen panas sangat penting dalam mengembangkan superkomputer exascale. Beberapa menggunakan lingkungan yang dingin, seperti di Kutub Utara, untuk mempertahankan suhu yang ideal; Sementara yang lain menggunakan pendinginan air cair, rak kipas, atau kombinasi keduanya untuk menjaga suhu tetap rendah.
Namun, sistem kontrol lingkungan juga menambah komplikasi lebih lanjut pada tantangan manajemen energi. Komputasi Exascale membutuhkan energi dalam jumlah besar karena jumlah prosesor yang perlu didukung.
Meskipun komputasi Exascale mengkonsumsi banyak energi, ia dapat memberikan penghematan energi untuk suatu proyek dalam jangka panjang. Misalnya, alih -alih mengembangkan secara iteratif, membangun dan menguji desain baru, komputer dapat digunakan untuk secara virtual mensimulasikan desain dalam waktu yang relatif singkat.
Komputer Exascale sangat rentan terhadap kegagalan
Masalah lain yang dihadapi komputasi exascale adalah keandalan. Semakin banyak komponen yang ada dalam suatu sistem, semakin kompleks. Komputer di rumah rata -rata diharapkan memiliki semacam kegagalan dalam tiga tahun, tetapi dalam komputasi exascale, tingkat kegagalan diukur dalam jam.
Tingkat kegagalan yang singkat ini disebabkan oleh komputasi ekskal yang membutuhkan puluhan ribu CPU dan GPU – yang semuanya beroperasi pada kapasitas tinggi. Mengingat tingginya tuntutan yang diharapkan secara bersamaan dari semua komponen, menjadi kemungkinan bahwa setidaknya satu komponen akan gagal dalam beberapa jam.
Karena tingkat kegagalan komputasi exascale, aplikasi menggunakan pos pemeriksaan untuk menghemat kemajuan saat memproses perhitungan, dalam hal kegagalan sistem.
Untuk mengurangi risiko kegagalan dan menghindari downtime yang tidak perlu, komputer Exascale menggunakan rangkaian diagnostik di samping sistem pemantauan. Sistem ini memberikan pengawasan terus -menerus dari keandalan sistem secara keseluruhan dan mengidentifikasi komponen yang menampilkan tanda -tanda keausan, menandai mereka untuk diganti sebelum menyebabkan pemadaman.
“Suite diagnostik dan sistem pemantauan menunjukkan kepada kita bagaimana mesin bekerja. Kita dapat mengebor setiap komponen individu untuk melihat di mana gagal dan memiliki peringatan proaktif. Teknisi juga terus -menerus bekerja pada mesin, untuk mengganti komponen yang gagal dan menyimpannya dalam keadaan operasional,” kata Kleyn. “Dibutuhkan banyak perhatian penuh kasih yang lembut untuk menjaga mesin -mesin ini terus berjalan.”
Kecepatan operasi yang tinggi dalam komputasi exascale membutuhkan sistem dan aplikasi operasi spesialis untuk mengambil keuntungan penuh dari daya pemrosesan mereka.
“Kita harus dapat memparalelkan algoritma komputasi lebih dari jutaan unit pemrosesan, dengan cara yang heterogen (lebih dari node dan dalam satu node di atas GPU atau CPU core),” Manninen. “Tidak semua masalah komputasi cocok untuk itu. Komunikasi antara berbagai proses dan utas perlu diatur dengan hati -hati; mendapatkan input dan output yang diimplementasikan secara efisien sangat menantang.”
Karena kompleksitas simulasi yang dilakukan, verifikasi hasil juga bisa menantang. Hasil Komputer Exascale tidak dapat diperiksa, atau setidaknya tidak dalam waktu singkat, oleh komputer kantor konvensional. Sebaliknya, aplikasi menggunakan bilah kesalahan yang diprediksi, yang memproyeksikan perkiraan kasar tentang apa hasil yang diharapkan, dengan apa pun di luar bar ini didiskon.
Di luar komputasi exascale
Menurut Hukum Moorediharapkan bahwa jumlah transistor dalam sirkuit terintegrasi akan berlipat ganda setiap dua tahun. Jika tingkat pengembangan ini berlanjut (dan itu adalah jika, karena tidak bisa berlangsung selamanya), kita bisa mengharapkan Zettascale – satu dengan 21 nol setelah itu – komputasi dalam sekitar 10 tahun.
Komputasi Exascale unggul pada secara bersamaan memproses sejumlah besar perhitungan dalam waktu yang sangat singkat, sementara komputasi kuantum mulai memecahkan masalah yang sangat kompleks yang akan dihadapi oleh komputasi konvensional. Meskipun komputer kuantum saat ini tidak sekuat komputer Exascale, diperkirakan bahwa mereka pada akhirnya akan melebihi mereka.
Salah satu pengembangan yang mungkin bisa menjadi penggabungan komputasi kuantum dan superkomputer. Superkomputer kuantum/klasik hibrida ini akan menggabungkan daya komputasi komputer kuantum dengan pemrosesan komputasi klasik berkecepatan tinggi. Para ilmuwan sudah memulai proses ini, Menambahkan komputer kuantum ke superkomputer Fugaku di Jepang.
“Ketika kami terus mengecilkan hal -hal ini dan meningkatkan kemampuan pendinginan kami dan membuatnya lebih murah, itu akan menjadi kesempatan untuk menyelesaikan masalah yang tidak dapat kami selesaikan sebelumnya,” kata Kleyn.
