Высокопроизводительные вычисления (HPC) - главный двигатель четвертой промышленной революции

Высокопроизводительные компьютеры – системы, которые способны моделировать условия, создавать модели и выполнять анализ миллионов различных ситуаций. Они являются, наверное, главным “двигателем” человечества к “четвертой промышленной революции”, ведь помогают в решении огромного количества комплексных задач. На сегодняшний день высокопроизводительные вычислительные компьютеры используются для решения многих задач, например:

• При поиске новых лекарственных рецептур и тестировании уже известных с целью борьбы с различными типами рака и другими заболеваниями.
• При выполнении цифрового моделирования молекулярной динамики для разработки новых материалов, например, пуленепробиваемых тканей.
• При прогнозировании существенных изменений погоды, чтобы жители соответствующих районов могли лучше к ним подготовиться.

Самый мощный высокопроизводительный компьютер цена на который не меньше 100 млн долларов часто называют суперкомпьютером. Поскольку происходит технический прогресс человечества, стандарт суперкомпьютеров часто меняется. Соответственно, высокопроизводительная система, которая вчера считалась суперкомпьютером, завтра уже может не считаться таковой. 

Краткий экскурс для тех, кто не в теме:

• Высокопроизводительные вычисления (HPC): мощные вычислительные системы, от простых (например, 1 центральный процессор + 8 графических процессоров) до суперкомпьютеров мирового уровня.
• Суперкомпьютер: лучшие системы высокопроизводительных вычислений, соответствующие меняющимся стандартам производительности.
• Гетерогенные компьютерные системы: архитектура систем высокопроизводительных вычислений, оптимизирующая возможности последовательных и параллельных вычислений.
• Память: устройство хранения данных в системе высокопроизводительных вычислений для быстрого доступа.
• Петафлопсный суперкомпьютер: система, рассчитанная на выполнение квадриллиона (10 в степени 15) вычислений в секунду.
• Эксафлопсный суперкомпьютер: система, рассчитанная на выполнение квинтиллиона (10 в степени 18) вычислений в секунду.

С развитием технологий и компьютерных систем в целом, увеличивались объемы информации, которые эти ПК могли обрабатывать. Ниже представлено условное сравнение разных объемов информации, с которыми взаимодействуют современные компьютеры.

1. БАЙТ (8 бит) - 1 байт = один символ, а 10 байт = одно слово.
2. КИЛОБАЙТ (БАЙТ х 103) - 50 килобайт = сжатое изображение.
3. МЕГАБАЙТ (БАЙТ х 106 ИЛИ 1000 КИЛОБАЙТ) - 2 мегабайта = фотография в высоком разрешении.
4. ГИГАБАЙТ (БАЙТ х 109 ИЛИ 1000 МЕГАБАЙТ) - 1 гигабайт = симфония в формате для высококачественного воспроизведения.
5. ТЕРАБАЙТ (БАЙТ х 1012 ИЛИ 1000 ГИГАБАЙТ) -  10 терабайт = коллекция печатных материалов библиотеки Конгресса США.
6. ПЕТАБАЙТ (БАЙТ х 1015 ИЛИ 1000 ТЕРАБАЙТ) - 2 петабайта = все академические исследовательские библиотеки США.
7. ЭКСАБАЙТ (БАЙТ х 1018 ИЛИ 1000 ПЕТАБАЙТ) - 5 эксабайт = все слова, когда-либо произнесенные людьми.

Как работают высокопроизводительные компьютеры

Высокопроизводительные системы обрабатывают информацию двумя способами: последовательно и параллельно. 

Последовательная обработка высокопроизводительными системами выполняется центральными процессорами. Они необходимы для управления такими функциями, как работа операционной системы и основных приложений (например, текстовых редакторов и офисных приложений).

Параллельная обработка высокопроизводительными системами возможна в том случае, если для выполнения вычислений используется несколько центральных или графических процессоров. Именно графические процессоры могут одновременно выполнять несколько операций, поскольку изначально разрабатываются для этой цели. Способность работать с несколькими плоскостями данных одновременно делает графические процессоры по своей природе подходящими для выполнения прикладных задач машинного обучения, например, распознавания объектов на видео.

Для расширения возможностей суперкомпьютеров необходимы различные системные архитектуры. В большинстве систем высокопроизводительных вычислений большое количество процессоров и модулей памяти объединяется каналами связи со сверхвысокой пропускной способностью, что позволяет осуществлять параллельную обработку данных. В некоторых высокопроизводительных системах (гетерогенных) используются как центральные, так и графические процессоры.

Вычислительная мощность любой системы измеряется с помощью FLOPS (количества операций с плавающей точкой в секунду). В начале 2019 года лучший суперкомпьютер работал с производительностью 143,5 петафлопс (143 × 1015). Системы этого уровня мощности называются петафлопсными и имеют производительность более одного квадриллиона FLOPS. Для сравнения, наиболее мощные игровые настольные ПК выполняют вычисления более чем в 1 000 000 раз медленнее, их производительность в среднем 200 гигафлопс (1 × 109). Важные достижения в области вычислительной мощности и пропускной способности суперкомпьютеров скоро позволят выйти на новый значимый уровень – достичь эксафлопсной производительности, что примерно в 1000 раз выше петафлопсной. 

Характеристика FLOPS показывает теоретическую производительность вычислений при условии непрерывной передачи данных в процессоры. Следовательно, на скорость доставки данных процессорам влияют как системная память, так и межсоединения, связывающие вычислительные модули друг с другом. Кстати, для достижения эксафлопсной производительности суперкомпьютеров потребуется 5 000 000 настольных компьютеров с мощностью на уровне 200 гигафлопс.

Новые варианты применения высокопроизводительных вычислений на практике

По мере совершенствования технологий спектр возможностей высокопроизводительных вычислений увеличивается. На сегодняшний день, человечество распоряжается недостижимыми ранее вычислительной мощностью и объемами памяти, что позволяет решать более сложные задачи, например:

• Машинное обучение: являясь частью искусственного интеллекта, данная система способна самостоятельно активно обучаться, а не просто пассивно выполнять полученные инструкции. Системы высокопроизводительных вычислений можно использовать для создания сверхсложных систем машинного обучения, анализирующих огромные объемы данных.
• Анализ больших данных: сравнение и поиск взаимосвязей в огромных массивах данных используется для дополнения вычислений и решения задач в сферах фундаментальных и прикладных наук, государственного управления и в других сферах. Для выполнения этих задач необходимы невероятные пропускная способность и вычислительные возможности. 
• Углубленное моделирование и имитация: высокопроизводительные вычисления предоставляют возможность компаниям экономить время, материалы, трудозатраты и быстрее выводить на рынок свои изобретения. Моделирование и имитация с помощью систем высокопроизводительных вычислений применяются при разработке и тестировании лекарств, проектировании и конструировании в автомобильной и аэрокосмической отраслях, прогнозировании климатических и метеорологических систем, а также при решении задач в области энергетики.

Роль компании AMD в достижении эксафлопсной производительности

Технологии компании AMD используются в ряде самых мощных в мире суперкомпьютеров. Для создания отвечающей соответствующим требованиям конструкции эксафлопсного суперкомпьютера в ближайшем будущем потребуются более высокая пропускная способность и производительность при обработке данных (как центральных, так и графических процессоров). Являясь лидером в области высокопроизводительных вычислений и графических технологий, компания AMD обеспечивает уникальные преимущества для оптимизации систем высокопроизводительных вычислений. Компания AMD сотрудничает с правительством США в рамках реализуемого Министерством обороны США проекта эксафлопсных вычислений, помогая совершенствовать технологии для создания первых в стране эксафлопсных суперкомпьютеров. В рамках этой работы проводятся исследования, направленные на создание соответствующей микроархитектуры центральных и графических процессоров, систем памяти, интеграцию компонентов и разработку высокоскоростных межсоединений.

Ниже представлено наглядное сранение мощности настольных, петафлопсных и эксафлоасных систем:

• Настольная система – рассчитывает в режиме реального времени один динамический сценарий региональной энергосистемы.
• Петафлопсная система – рассчитывает в режиме реального времени десятки тысяч динамических сценариев общегосударственной энергосистемы.
• Эксафлопсная система – рассчитывает в режиме реального времени миллионы динамических сценариев глобальной энергосистемы с неопределенными переменными генерации и потребления.

Эксафлопсные вычислительные системы могут привести к достижениям в области персонализированной медицины, снижения выбросов углерода, астрофизики, рыночной экономики и биотоплива. Они позволят специалистам точнее прогнозировать погоду, решать сложнейшие математические задачи, исследовать отдаленные части вселенной и создавать более энергоэффективные системы электроснабжения. Высокопроизводительные вычислительные системы – это то, что движет человечество к “четвертой промышленной революции”.