Високопродуктивні обчислення (HPC) - головний двигун четвертої промислової революції

Високопродуктивні комп'ютери – системи, які здатні моделювати умови, створювати моделі і виконувати аналіз мільйонів різних ситуацій. Вони є, напевно, головним "двигуном" людства до "четвертої промислової революції", адже допомагають у вирішенні величезної кількості комплексних завдань. На сьогоднішній день високопродуктивні обчислювальні комп'ютери використовуються для вирішення багатьох завдань, наприклад:

• Під час пошуку нових лікарських рецептур і тестуванні вже відомих з метою боротьби з різними типами раку і іншими захворюваннями.
• Під час виконання цифрового моделювання молекулярної динаміки для розробки нових матеріалів, наприклад, куленепробивних тканин.
• Під час прогнозування істотних змін погоди, щоб жителі відповідних районів могли краще до них підготуватися.

Найпотужніший високопродуктивний комп'ютер ціна на який не менше 100 млн долларів часто називають суперкомп'ютером. Оскільки відбувається технічний прогрес людства, стандарт суперкомп'ютерів часто змінюється. Відповідно, високопродуктивна система, яка вчора вважалася суперкомп'ютером, завтра вже може не вважатися такою. 

Короткий екскурс для тих, хто не в темі:

• Високопродуктивні обчислення (HPC): потужні обчислювальні системи, від простих (наприклад, 1 центральний процесор + 8 графічних процесорів) до суперкомп'ютерів світового рівня.
• Суперкомп'ютер: найкращі системи для високопродуктивних обчислень, які відповідають мінливим стандартам продуктивності.
• Гетерогенні комп'ютерні системи: архітектура систем високопродуктивних обчислень, що оптимізує можливості послідовних і паралельних обчислень.
• Пам'ять: пристрій зберігання даних в системі високопродуктивних обчислень для швидкого доступу.
• Петафлопсний суперкомп'ютер: система, розрахована на виконання квадрильйона (10 в ступені 15) обчислень в секунду.
• Ексафлопсний суперкомп'ютер: система, розрахована на виконання квінтильйона (10 в ступені 18) обчислень в секунду.

З розвитком технологій і комп'ютерних систем в цілому, збільшилися обсяги інформації, які ці ПК можуть обробляти. Нижче представлене умовне порівняння різних обсягів інформації, з якими взаємодіють сучасні комп'ютери.

1. БАЙТ (8 біт) – 1 байт = один символ, а 10 байт = одне слово.
2. КІЛОБАЙТ (БАЙТ х 103) – 50 кілобайт = стисле зображення.
3. МЕГАБАЙТ (БАЙТ х 106 або 1000 кілобайт) – 2 мегабайта = фотографія з високою роздільною здатністю.
4. ГІГАБАЙТ (БАЙТ х 109 або 1000 МЕГАБАЙТ) – 1 гігабайт = симфонія в форматі для високоякісного відтворення.
5. ТЕРАБАЙТ (БАЙТ х 1012 або 1000 ГІГАБАЙТ) – 10 терабайт = колекція друкованих матеріалів бібліотеки Конгресу США.
6. ПЕТАБАЙТ (БАЙТ х 1015 або 1000 терабайт) – 2 петабайта = всі академічні дослідницькі бібліотеки США.
7. ЕКСАБАЙТ (БАЙТ х 1018 або 1000 петабайт) – 5 ексабайт = усі слова, коли-небудь вимовлені людьми.

Як працюють високопродуктивні комп'ютери

Високопродуктивні системи обробляють інформацію двома способами: послідовно і паралельно.

Послідовна обробка високопродуктивними системами виконується центральними процесорами. Вони необхідні для керування такими функціями, як робота операційної системи і основних програм (наприклад, текстових редакторів).

Паралельна обробка високопродуктивними системами можлива в тому випадку, якщо для виконання обчислень використовується кілька центральних або графічних процесорів. Саме графічні процесори можуть одночасно виконувати кілька операцій оскільки розробляються для цієї мети. Здатність працювати з декількома площинами даних одночасно робить графічні процесори за своєю природою придатними для виконання прикладних задач машинного навчання, наприклад, розпізнавання об'єктів на відео.

Для розширення можливостей суперкомп'ютерів необхідні різні системні архітектури. У більшості систем для високопродуктивних обчислень, велика кількість процесорів і модулів пам'яті об'єднується каналами зв'язку з надвисокою пропускною спроможністю, що дозволяє здійснювати паралельну обробку даних. У деяких високопродуктивних системах (гетерогенних) використовуються як центральні, так і графічні процесори.

Обчислювальна потужність будь-якої системи вимірюється за допомогою FLOPS (кількості операцій з плаваючою крапкою в секунду). На початку 2019 року найкращий суперкомп'ютер працював з продуктивністю 143,5 петафлопс (143 × 1015). Системи цього рівня потужності називаються петафлопсними і мають продуктивність більше одного квадрильйона FLOPS. Для порівняння, найбільш потужні ігрові настільні ПК виконують обчислення більш ніж у 1 000 000 разів повільніше, їх продуктивність в середньому 200 гігафлопс (1 × 109). Важливі досягнення в області обчислювальної потужності та пропускної здатності суперкомп'ютерів дозволять вийти на новий рівень – досягти ексафлопсної продуктивності, що приблизно в 1000 разів вище петафлопсної.

Характеристика FLOPS показує теоретичну продуктивність обчислень за умови безперервної передачі даних в процесори. Отже, на швидкість доставки даних процесорам впливають як системна пам'ять, так і з’єднання, що зв'язують обчислювальні модулі один з одним. До речі, для досягнення ексафлопсної продуктивності суперкомп'ютерів потрібно 5 000 000 настільних комп'ютерів з потужністю на рівні 200 гігафлопс.

Нові варіанти застосування високопродуктивних обчислень на практиці

У міру вдосконалення технологій спектр можливостей високопродуктивних обчислень збільшується. На сьогоднішній день, людство розпоряджається недосяжною раніше обчислювальною потужністю та обсягами пам'яті, що дозволяють вирішувати більш складні завдання, наприклад:

• Машинне навчання: будучи частиною штучного інтелекту, дана система здатна самостійно навчатися, а не просто пасивно виконувати отримані інструкції. Системи високопродуктивних обчислень можна використовувати для створення надскладних систем машинного навчання, які аналізують величезні обсяги даних.
• Аналіз великих даних: порівняння і пошук взаємозв'язків у величезних масивах даних використовується для рішення задач в сферах фундаментальних і прикладних наук, державного управління та в інших сферах. Для виконання цих завдань необхідні неймовірні обчислювальні можливості.
• Поглиблене моделювання та імітація: високопродуктивні обчислення надають можливість компаніям економити час, матеріали, трудовитрати і швидше виводити на ринок свої винаходи. Моделювання та імітація за допомогою систем високопродуктивних обчислень застосовуються при розробці та тестуванні ліків, проектуванні і конструюванні в автомобільній і аерокосмічній галузях, прогнозуванні кліматичних і метеорологічних систем, а також при вирішенні задач в області енергетики.

Роль компанії AMD в досягненні ексафлопсної продуктивності

Технології компанії AMD використовуються у ряді найпотужніших в світі суперкомп'ютерів. Для створення конструкції ексафлопсного суперкомп'ютера в найближчому майбутньому будуть потрібні більш висока пропускна здатність і продуктивність при обробці даних (як центральних, так і графічних процесорів). Будучи лідером в області високопродуктивних обчислень і графічних технологій, компанія AMD забезпечує унікальні переваги для оптимізації систем високопродуктивних обчислень. Компанія AMD співпрацює з урядом США в рамках реалізованого Міністерством оборони США проекту ексафлопсних обчислень, допомагаючи вдосконалювати технології для створення перших в країні ексафлопсних суперкомп'ютерів. В рамках цієї роботи проводяться дослідження, спрямовані на створення відповідної мікроархітектури центральних і графічних процесорів, систем пам'яті, а також на інтеграцію компонентів і розробку високошвидкісних з’єднань.

Нижче представлене наочне порівняння потужності настільних, петафлопсних і ексафлопсних систем:

• Настільна система – розраховує в режимі реального часу один динамічний сценарій регіональної енергосистеми.
• Петафлопсна система – розраховує в режимі реального часу десятки тисяч динамічних сценаріїв загальнодержавної енергосистеми.
• Ексафлопсна система – розраховує в режимі реального часу мільйони динамічних сценаріїв глобальної енергосистеми з невизначеними змінними генерації і споживання.

Ексафлопсні обчислювальні системи можуть дуже сильно вплинути на персоналізовану медицину, астрофізику, ринкову економіку, біопаливо, а також знизити викиди вуглецю. Вони дозволять фахівцям точніше прогнозувати погоду, вирішувати складні математичні задачі, досліджувати віддалені частини всесвіту і створювати більш енергоефективні системи електропостачання. Високопродуктивні обчислювальні системи – це те, що рухає людство до "четвертої промислової революції".