Spis treści
2.Przyszłość i rozwój szybkich superkomputerów
3.Trudne problemy które są lub mogą być rozwiązywane przez Superkomputery
Superkomputery
Superkomputer „Fugaku” znajduje się w instytucie badawczym Riken w Kobe w Japonii, czyli w kraju, który jest jednym z nalepiej rozwiniętych w przemyśle high-tech. Superkomputer ten zajmuje 1 miejsce na najnowszej liście top500 udostępnionej w listopadzie 2021 roku. Fugaku używa, aż 158 976 procesorów A64FX, a jego całkowita ilość pamięci RAM to 4.85 PiB. Superkomputer korzysta z systemu operacyjnego Linux oraz lekkiego jądra McKerne. Moc obliczeniowa (szybkość przetwarzania danych) superkomputera Fugaku wynosi 442 TFLOPS/s
Superkomputer „Fugaku”
Summit – to superkomputer opracowany przez IBM w Oak Ridge National Laboratory w USA. Kraj ten posiada aż 5 superkomputerów, które znajdują się w top 10 według listy z listopada 2021 roku udostępnionej przez stronę top500.org. Najczęściej jest on używany przez naukowców, którym pomaga rozwiązywać skomplikowane zagadnienia. Przedstawiony przez nas „Summit” w wcześniej wspomnianym rankingu zajmuje drugie miejsce. Dysponuje on mocą obliczeniową na poziomie 148,600 TFlop/s , która może sięgnąc nawet do 200 TFlop/s. Superkomputer składa się z 4608 węzłów, z których każdy zawiera dwa 22-rdzeniowe procesory IBM POWER9 22C 3.07GHz co razem daje liczbę około 9 216 procesorów. „Summit” posiada także 2,3 petabajtów pamięci RAM. Superkomputer ten pracuje pod systemem Red Hat Enerprise Linux, który jest komercyjną przeznaczoną dla firm dystrybucją Linuxa firmy Red Hat. Swoje zastosowanie znajduje głównie w astrofizyce, inżynierii materiałowej oraz medycynie.
„Prometheus” – to superkomputer zainstalowany w 2015 w AGH w Krakowie w kwietniu 2015 r. wykorzystuje się go głównie do obliczeń w badaniach naukowych. Jest to superkomputer, który znajduje się najbliżej naszego miejsca zamieszkania. Podczas jego pierwszego uruchomienia był on najszybszym komputerem w Polsce. Obecnie w rankingu światowym zajmuje on 440 miejsce. Jego moc obliczeniowa wynosi około 2,348 Tflop/s. Superkomputer ten posiada około 2 232 węzłów, z których każdy zawiera dwa 12 rdzeniowe procesory Intel Xeon E5-2680v3 co daję razem liczbę około 4 464 procesorów. Dysponuje on także około 282 TB pamięci operacyjnej. Oparty jest on na linuksowym systemie CentOS 7.
Superkomputer „Prometheus”
„Tianhe-2” – to Chiński superkomputer o teoretycznej mocy obliczeniowej sięgającej 100,679 TFlop/s znajdujący się w „The National Supercomputer Center in Guangzhou”. Superkomputer używany jest przez Narodowy Uniwersytet Technologi Obronnej, jednakże należy on do chińskiego rządu. Chiny bardzo dynamicznie rozwijają się jeśli o chodzie o dziedzinę superkomputerów i od kilku lat pozostają w czołówce. „Tianhe-2” posiada około 16 000 węzłów, z których każdy zawiera dwa 12 rdzeniowe procesory Intel Xeon E5-26892 co daję razem liczbę około 32 000 procesorów, posiada on także 1,34 PB pamięci operacyjnej a jego OS-em jest podobnie jak w większości superkomputerów Linux z dystrybucji Ubuntu Kylin. Obecnie znajduje się on na 7 miejscu w najnowszym rankingu top500.
„Tianhe-2”
Przyszłość i rozwój szybkich superkomputerów
Wiele naukowców wierzy, że szybkie superkomputery które będą mogły osiągać moc obliczeniową sięgająca 1 ExaFlops w połączeniu z szybko rozwijającym się technikami uczenia maszynowego będą w stanie złamać kod raka i umożliwić jego wyleczenie. Jednak ilość danych potrzebna lekarzom do leczenie nowotworu jest tak ogromna że proces ten może zająć dużą ilość czasu, jednak nikt nie mówi że jest to niemożliwe. Jest wiele dróg rozwoju superszybkich superkomputerów, kilka z nich zostało przedstawionych poniżej.
- Zwiększenie możliwości superkomputerów pozwoli na rozwój sztucznej inteligencji i dostęp do ultranowoczesnej infrastruktury.
- Dużym krokiem naprzód dla świata będą komputery kwantowe, które w niedalekiej przyszłości mają już znaleźć swoje zastosowania. Będą one pozwalały na potężny wzrost mocy obliczeniowej superkomputerów i bardzo duży wzrost szybkości ich działania. Przykładowo każdy problem rozwiązywalny przez komputer kwantowy może zostać rozwiązany przez komputer klasyczny. Jednak dzięki specyficznym własnościom komputerów kwantowych pewne problemy można byłoby rozwiązać znacznie szybciej, co w praktyce znacznie poszerzyłoby zakres problemów do jakich mogą być użyte komputery. Jednym z przykładów jest tutaj algorytm faktoryzacji Shora, służący do rozkładu liczb na czynniki pierwsze. Wykonanie podobnego algorytmu dla kilku dziesięciocyfrowych liczb na współczesnych komputerach przekroczyłoby średnią długość życia człowieka, a dla liczb jeszcze większych – czas istnienia wszechświata. Na komputerach kwantowych możliwe byłoby wykonanie tych operacji w bardziej realnym okresie
- Mocniejsze superkomputery będą także umożliwiały lepsze prognozowanie pogody, które mimo wszystko ma duże znaczenie dla transportu, produkcji żywności czy handlu detalicznego.
Trudne problemy które są lub mogą być rozwiązywane przez Superkomputery
Superkomputery ułatwiają pokonywanie problemów w nauce, inżynierii i biznesie, dzięki czemu nasz świat staje się lepszy — od spersonalizowanego leczenia raka do tworzenia prognoz zmian klimatycznych, aż po zrozumienie chemii.
Innymi problemami które są rozwiązywane lub w przyszłości mogą zostać rozwiązane przez superkomputery są np.
- badanie struktury dużych biocząsteczek, takich jak lignina i celuloza, w celu zwiększania wydajności uzyskiwania z nich biopaliw,
- symulacje procesu spalania w silnikach spalinowych, w celu zwiększania ich wydajności,
- rozwój broni termojądrowej,
- symulacje aerodynamiki projektowanych samolotów i samochodów ciężarowych,
- symulacje zachowania plazmy w tokamakach w badaniach nad kontrolowaną syntezą termojądrową,
-symulacje oddziaływań pomiędzy kwarkami a gluonami aby uzyskać dokładniejsze dane o parametrach cząstek elementarnych,
- badanie właściwości nanomateriałów w celu opracowania wydajniejszych superkondensatorów,
- symulacje zachowania elektronów wewnątrz nanostruktur w celu opracowania przyszłych układów elektronicznych.
Istotność poszczególnych części Superkomputera
Procesor jak wiadomo jest to serce komputera, w zasadzie jeden z najważniejszych jego elementów. To właśnie on dzięki opartych na arytmetyce obliczeniach jest w stanie zdziałać bardzo wiele. Pobiera on dane z pamięci po czym je interpretuje i wykonuje. Procesor z dobrym taktowaniem oraz dużą ilością wątków i rdzeni jest kluczowym elementem w superkomputerach, ponieważ bardzo mocno wpływa na szybkość ich działania. Uważam, że więcej niż jeden procesor jest wręcz koniecznością w takich maszynach, żeby mogły bardzo dobrze funkcjonować. Moc obliczeniowa jednego z takich procesorów jest gigantyczna i ma to odzwierciedlenie w ich zastosowaniu.
Dobry system operacyjny to również podstawa takich maszyn. Łatwo jest się domyślić, że taki komputer musi wykorzystywać pełnię swoich możliwości, a do tego dobry system operacyjny jest niezbędny. Musi on być dobrany w taki sposób, żeby nie obciążać maszyny za bardzo i pozwolić mu „rozwinąć skrzydła”. Dlatego też prawie wszystkie superkomputery z listy top500 korzystają z linuksowych dystrybucji, ponieważ te w dużo mniejszym stopniu obciążają system niż przykładowo systemy Windowsowe.
Oprogramowanie również zalicza się do kwestii związanych z systemem operacyjnym i jego dobrą konfiguracją i przystosowaniem do dalszego działania. Oprogramowanie ma służyć w sposób nienaganny oraz jest kluczowe do funkcjonowania większości aplikacji czy innych programów. Bardzo ważne jest więc, żeby oprogramowanie było dobrze skonfigurowane.
Pamięć operacyjna służy do przechowywania danych, które są aktualnie przetwarzane przez program. Element ten jest nam bardzo potrzebny nawet w naszych osobistych komputerach. Superkomputer operując tyloma danymi musi posiadać duże ilości pamięci RAM o bardzo dobrych parametrach. Im więcej wiadomości taki komputer przetwarza, tym ilość pamięci operacyjnej jest ważniejsza. Szybkość działania maszyny jest też zależna od właśnie pamięci RAM, co możemy zauważyć chociażby na własnym sprzęcie. Jest to kolejny komponent bardzo ważny dla superkomputera.
Wywiad z dr Henry Neemanem
Wstęp:
Dr Henry Neeman jest dyrektorem OU Supercomputing Center for Education & Research oraz asytentem profesora w School of Computer Science na Uniwersytecie w Oklahomie. Oprócz własnego nauczania i badań, dr Neeman współpracuje z dziesiątkami grup badawczych, stosując techniki obliczeń o wysokiej wydajności w dziedzinach takich jak numeryczne prognozowanie pogody, bioinformatyka i genomika, eksploracja danych, fizyka wysokich energii, astronomia, nanotechnologia, zarządzanie złożami ropy naftowej , modelowanie dorzeczy i optymalizacja inżynierska.
Dr. Henry Neeman
Wywiad:
źródło: wywiad przeprowadzony przez Bonnie Bracey Sutton z strony (https://shareok.org/handle/11244/17336). Wywiad został zredukowany i przetłumaczony. Wywiad został przeprowadzony 2011-03-28, mimo to nadal zachowuje aktualność
Dziennikarz: Mówiąc prostym językiem, czym jest superkomputer (SK)?
Henry Neeman: Superkomputer w tej chwili jest jednym z największych i najszybszych komputerów. Powodem, dla którego mówimy „w tej chwili”, jest to, że komputery zawsze stają się większe i szybsze, więc jeśli coś jest dziś superkomputerem, nie będzie superkomputerem za kilka lat
Często superkomputery są wykorzystywane w naukach komputerowych lub szerzej w nauce i inżynierii obliczeniowej i opartej na danych (tłumaczenie: Computational and Data-Enabled Science and Engineering - CDESE), która polega na wykorzystaniu obliczeń do przeprowadzania eksperymentów. Czasami CDESE służy do zrozumienia wyników obserwowanych w rzeczywistym świecie, ale często jest używany do badania zjawisk, które są zbyt duże (jak galaktyka), zbyt małe (jak atom), zbyt wolne (jak przez całe życie wszechświata), zbyt szybkie (jak zderzenia cząstek subatomowych), zbyt drogie (testowanie dziesiątek prototypów samolotów w celu zbudowania jednego nowego produktu) lub po prostu zbyt niebezpieczne (bieganie wewnątrz tornada) do wykonania w prawdziwym świecie.
DZ: W jaki sposób SC jest używany przez „naukowców i inżynierów ze skromnym doświadczeniem komputerowym”?
HN: : Wielu naukowców zajmujących się nauką i inżynierią jest bardzo wyrafinowanych w swojej dziedzinie badań, ale niezbyt wyrafinowanych w informatyce, zwłaszcza w obliczeniach na dużą skalę. W OU uczymy ich podstawowych pojęć związanych z superkomputerem, a następnie siadamy z nimi i pomagamy im wykonać pracę, którą muszą wykonać, korzystając z naszego superkomputera. Najczęściej oznacza to po prostu pomaganie im w pobraniu bezpłatnego „kodu społecznościowego” z sieci, zainstalowaniu go i uruchomieniu, aby przeprowadzić badania. Ale czasami oznacza to pomaganie im w pisaniu oprogramowania lub modyfikowaniu oprogramowania, aby móc działać na superkomputerze. Tak czy inaczej, naszym celem jest jak najszybsze zwiększenie ich produktywności.
DZ: Jak w przyszłości SC zmieni krajobraz edukacyjny? To znaczy, jak zmieni nauczanie i uczenie się
HN: Nauczyciele będą mieli sposoby, aby nie tylko pokazać uczniom zjawiska, których wcześniej nie mogli uczyć się w klasie, ale także poeksperymentować z nimi.
DZ: Czy szkoły i uczelnie robią wystarczająco dużo, aby edukować uczniów w zakresie komputerów? Jeśli nie, co jeszcze należy zrobić?
HN: Jak na ironię, im bardziej wszechobecne i użyteczne stają się komputery, tym mniej ludzie czują potrzebę uczenia się o informatyce. A ponieważ egzaminy stają się coraz większym zainteresowaniem szkół w całym kraju, przedmioty poza egzaminami zniknęły z radaru. Nic więc dziwnego, że informatyka stała się mniej powszechna w klasie. Jednocześnie szkoły coraz częściej odkrywają wartość komputerów w nauczaniu swoich podstawowych przedmiotów. Być może najlepszym sposobem na zachęcenie studentów do kariery komputerowej jest umożliwienie im korzystania z komputerów wszędzie.
HN: Wszystkie powyższe i faktycznie są już używane we wszystkich tych obszarach. Weźmy na przykład raka; wiele z tego, co dzieje się obecnie w badaniach onkologicznych, to tak zwane „omiki różne dyscypliny biologii, których nazwy kończą się przyrostkiem -omika”: genomika, proteomika, metabolomika i tak dalej. Są to problemy eksploracji danych na dużą skalę, polegające na poszukiwaniu wzorców w dużych zbiorach danych, które pokazują, w jaki sposób różne zjawiska genetyczne, białkowe i metaboliczne prowadzą do struktur powodujących choroby, takie jak rak. Pokój na świecie jest, w dziwny sposób, jedną z najstarszych aplikacji superkomputerowych. W szczególności Narodowa Administracja Bezpieczeństwa Jądrowego, będąca częścią Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, była jednym z pierwszych użytkowników superkomputerów jako sposobu symulowania wybuchów nuklearnych, zwłaszcza po podpisaniu Traktatu o Zakazie Prób Jądrowych. Ponieważ nie możemy wysadzić naszych bomb, testujemy je wirtualnie, za pomocą superkomputerów. W ten sposób zarówno my, jak i nasi rywale mamy pewność, że atak na nas naprawdę oznaczałby koniec świata — więc nikt nie próbuje. W ograniczaniu ubóstwa superkomputery mają coraz większe znaczenie w naukach społecznych, zwłaszcza w ekonomii, gdzie coraz więcej dowiadujemy się o tym, jak gospodarki działają w świecie rzeczywistym, zarówno poprzez przeprowadzanie symulacji, jak i eksplorację danych.
Recenzja wywiadu:
Wywiad przeprowadzony przez Bonnie Bracey Sutton jest idealnym podsumowaniem zdobytych przez nas informacji. Czym jest superkomputer? To właśnie zagadnienie główne wywiadu i temat, który pozwolił nam poszerzyć horyzonty własnej wiedzy. Superkomputery to ważny element życia i rzecz niezbędna w czasach, które opanował dział high-tech. Wysoko rozwinięte kraje mają budżet i zasób osób wysoko wykwalifikowanych, które są w stanie z takim sprzętem zdziałać cuda. Henry Neeman idealnie przybliżył temat oraz pokazał na jaką skalę taki sprzęt jest potrzebny i jakie korzyści dzięki niemu odnosi społeczeństwo. Chociażby pomoc przy badaniach raka oraz szukania potrzebnych informacji pokazuje jak bardzo świat potrzebuje nowoczesnych rozwiązań.
- https://pl.wikipedia.org/wiki/TOP500#Pierwsza_pi%C4%85tka_z_55._rankingu_06/2020 (podstawowy ranking na temat superkomputerów)
- https://www.top500.org/lists/top500/2021/11/ (oficjalna najnowsza lista superkomputerów stąd są brane informacje o jej rankingu, na niej opierany był wybór superkomputerów)
- https://en.wikipedia.org/wiki/Fugaku_(supercomputer) (informacje na temat superkomputera fugaku)
- https://www.fujitsu.com/global/about/innovation/fugaku/specifications/ (informacje na temat superkomputera fugaku)
- https://pl.wikipedia.org/wiki/Summit_(superkomputer) (informacje na temat superkomputera Summit)
- https://www.top500.org/system/179397/ (bardziej szczegółowe informacje na temat superkomputera Summit )
- https://en.wikipedia.org/wiki/Summit_(supercomputer) (informacje na temat Sumita wzięte z anglojęzycznej wikipedi)
- https://www.top500.org/system/178534/ (Liczbowe informacje na temat Superkomputera „Prometheus”, , użyte w celu jego sprzętowej analizy”)
- https://kdm.cyfronet.pl/portal/Prometheus (Oficjalna strona cyfronetu zawierająca informację na temat superkomputera Prometheus, dzięki niej dało się wyliczyć liczbę procesorów)
- https://pl.wikipedia.org/wiki/Tianhe-2 (Podstawowe informacje na temat „Tianhe-2, użyte w celu jego sprzętowej analizy)
- https://www.top500.org/system/177999/ (Liczbowe informacje na temat „Tianhe-2”, użyte w celu jego sprzętowej analizy)
- https://pl.wikipedia.org/wiki/Komputer_kwantowy (Informacje na temat superkomputerów kwantowych użyte do przedstawienia ich przyszłości.)
- https://pl.wikipedia.org/wiki/Superkomputer (Informacje na temat superkomputerów ich podzespołów, funkcji)
- https://www.intel.pl/content/www/pl/pl/government/exascale-supercomputing.html (Informacje na temat superkomputerów ich podzespołów, funkcji )
- Kacper Adamczyk
- Szymon Kaczmarczyk
- Piotr Kaim
- Przemek Potaczek