Cos'è un supercomputer? Entriamo all'interno dell'Argonne National Laboratory per scoprirlo.
Camminare tra le file di armadi per supercomputer nella Leadership Computing Facility dell'Argonne National Laboratory, situata a circa 40 chilometri da Chicago, è un po' come vagare attraverso una versione high-tech di "The Shining's" Overlook Maze , senza il pazzo che brandisce un'ascia.
I due supercomputer principali in quel labirinto d'acciaio, chiamati Mira e Theta, comprendono 101 armadi delle dimensioni di frigoriferi standard che contengono pile di rack e pesano tra 3.450 e 4.390 libbre. ogni. Il loro totale combinato: 160 tonnellate, gran parte di quel peso dovuto ai sistemi di raffreddamento ad acqua che impediscono il surriscaldamento. Insieme a molti altri sistemi più piccoli, le macchine sono alloggiate in un data center di 25.000 piedi quadrati con soffitti bassi e pavimento piastrellato bianco. Con tutta quell'attrezzatura che ronza via, non è un posto tranquillo. Vicino ai computer, i visitatori devono parlare-urlare per essere ascoltati al di sopra di un forte ronzio costante.
Sei miliardi di volte più veloce: la nuova casa del supercomputer Aurora
Per quanto tentacolare sia la struttura, non è sufficiente per ospitare la bestia che presto atterrerà lì. Entro il 2021, se tutto andrà secondo i piani, un nuovo supercomputer straordinariamente potente soprannominato Aurora prenderà la residenza. E così, in preparazione del suo arrivo, è in corso un'importante espansione. Al prezzo di $ 500 milioni, Aurora sarà il primo dei tre cosiddetti supercomputer “exascale” in grado di eseguire un miliardo di miliardi (aka quintilioni) di calcoli al secondo, in cui il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), che gestisce Argonne e 17 altre nazionali laboratori, sta investendo 1,8 miliardi di $. (Un altro, soprannominato Frontier, sarà presto installato presso l'Oak Ridge National Laboratory nel Tennessee.)
Non sorprende che per quel tipo di impasto, Aurora sarà in grado di compiere piccoli miracoli computazionali. Misurato come 10^18 FLOPS (che sta per operazioni in virgola mobile al secondo), il sistema sarà sei miliardi di volte più veloce del suo predecessore di molto tempo fa, l'innovativo Cray-1 del 1964. Detto in termini più tangibili per gentile concessione di Design News , “A una persona che aggiunge 1+1+1 in una calcolatrice manuale una volta al secondo, senza tempo libero per mangiare o dormire, avrebbe bisogno di 31,7 trilioni di anni per fare ciò che Aurora farà in un secondo.
È tra le cinque e le dieci volte più veloce dell'attuale campione in carica di supercomputer, una mega-macchina IBM-Nvidia chiamata Summit che risiede a Oak Ridge. Sbalordire. Chi spoglierà Aurora? Ecco uno sguardo ai 10 supercomputer più veloci al mondo secondo il brain trust di TOP500 .
I 10 SUPERCOMPUTER PIÙ VELOCI AL MONDO
Vertice | America
Sierra | America
Sunway TaihuLight | Cina
Tianhe-2A | America
Piz Daint | Svizzera
Trinità | America
ABCI | Giappone
SuperMUC-NG | Germania
Titano | America
Sequoia | America
"Ci sono limitazioni a ciò che possiamo fare oggi su un supercomputer" , ha detto recentemente Mike Papka , direttore della Leadership Computing Facility, dopo aver fatto un giro dello spazio. “Con Aurora, possiamo portarli al livello successivo. In questo momento, possiamo fare simulazioni dell'evoluzione dell'universo. Ma con Aurora, saremo in grado di farlo in un modo più realistico, con l'aggiunta di più fisica e chimica. Stiamo iniziando a fare cose come cercare di capire come i diversi farmaci interagiscono tra loro e, diciamo, una qualche forma di cancro. Possiamo farlo su piccola scala ora. Saremo in grado di farlo su scala ancora più ampia con Aurora".
Essendo uno dei 52 supercomputer del Dipartimento dell'Energia, Aurora sarà probabilmente l'unico sistema esascala esistente al suo debutto. (Cioè, a meno che la Cina non ne costruisca uno per primo, cosa che alcuni addetti ai lavori dicono sia piuttosto improbabile nonostante i rapporti secondo cui il paese si sta affannando a realizzarne uno entro il 2020.) In una conferenza stampa del marzo 2019 che annunciava l'installazione di Aurora, il direttore associato del laboratorio di Argonne, Rick Stevens, ha spiegato che il il sistema gestirà applicazioni di calcolo ad alte prestazioni e analisi di dati in streaming generati da acceleratori, rivelatori, telescopi e altre apparecchiature di ricerca.
Rick Stevens, direttore associato del laboratorio presso l'Argonne National Laboratory, parla di Aurora, il primo computer exascale d'America. INGLESE
A questo punto, però, Aurora rimane un work in progress mentre Summit ottiene la gloria. Originariamente previsto per essere pubblicato diversi anni fa in un'incarnazione molto meno potente e lanciato a metà del 2018, Summit è costato $ 200 milioni, può eseguire calcoli matematici complessi a una velocità di 200 quadrilioni(o 200 trilioni) al secondo ed è responsabile per aver strappato alla Cina il trespolo numero uno dell'America nella lista TOP500. Fisicamente imponente, è composto da più di 300 unità — di dimensioni simili a quelle di Mira e Theta — che pesano un totale di 340 tonnellate, occupano 9.250 piedi quadrati e sono alimentate da 9.216 chip di elaborazione centrale. All'interno ci sono chilometri di cavo in fibra ottica e il raffreddamento di questo colosso richiede 4.000 litri d'acqua al minuto. Inoltre, consuma energia voracemente, abbastanza per alimentare migliaia di case.
Quando il "padre del supercalcolo", Seymour Cray , iniziò a costruire le sue macchine rivoluzionarie negli anni '60, un'esibizione così increspata di muscoli computazionali era incomprensibile. Più di mezzo secolo dopo, sta lentamente diventando la norma e un giorno sembrerà bizzarro come un Atari 2600 ora.
Cos'è un supercomputer?
I supercomputer hanno impiegato per anni una tecnica chiamata "elaborazione massicciamente parallela", in base alla quale i problemi vengono suddivisi in parti e lavorati simultaneamente da migliaia di processori rispetto al metodo "seriale" uno alla volta, ad esempio, del normale vecchio MacBook Air. Ecco un'altra buona analogia, questa da Explainthatstuff.com :
È come arrivare alla cassa con un carrello pieno di articoli, ma poi dividere i tuoi articoli tra diversi amici. Ogni amico può effettuare un checkout separato con alcuni articoli e pagare separatamente. Una volta che avrete pagato tutti, potrete riunirvi di nuovo, caricare il carrello e partire. Più elementi ci sono e più amici hai, più velocemente riesce a fare le cose tramite l'elaborazione parallela, almeno, in teoria.
"Devi usare il calcolo parallelo per sfruttare davvero la potenza del supercomputer", afferma la candidata al dottorato del Rensselaer Polytechnic Institute Caitlin Joann Ross, che di recente ha svolto una residenza di sei mesi all'Argonne. “Devi capire come i dati devono essere scambiati tra i processi per farlo in modo efficiente, quindi ci sono molte piccole sfide diverse che rendono molto divertente lavorare. Anche se ci sono giorni in cui può essere sicuramente frustrante”.
I problemi di "debug" , dice, sono la causa principale di quella frustrazione. I calcoli che potrebbero funzionare senza problemi utilizzando quattro processori, ad esempio, potrebbero non funzionare se ne viene aggiunto un quinto. “Se tutto funziona alla perfezione”, dice Ross, “allora qualunque cosa tu stia eseguendo funziona molto più velocemente di quanto potrebbe fare su un computer con meno processori o con un solo processore. Ci sono alcuni calcoli che potrebbero richiedere settimane o mesi per essere eseguiti sul tuo laptop, ma se riesci a parallelizzarli in modo efficiente per essere eseguiti su un supercomputer, potrebbe volerci un giorno. Un'altra area del lavoro di Ross riguarda la simulazione degli stessi supercomputer, più specificamente le reti utilizzate sui supercomputer. I dati provenienti da applicazioni eseguite su supercomputer reali vengono inseriti in un simulatore, che consente di testare varie funzioni senza disattivare l'intero sistema. Qualcosa chiamato "interferenza nelle comunicazioni" è una di quelle funzioni.
"Nella vita reale, diversi utenti invieranno lavori al supercomputer, che eseguirà un qualche tipo di pianificazione per determinare quando tali lavori verranno eseguiti", afferma Ross. “Di solito ci saranno più lavori diversi in esecuzione contemporaneamente sul supercomputer. Usano nodi di calcolo diversi , ma condividono le risorse di rete. Quindi la comunicazione dal lavoro di qualcun altro potrebbe rallentare il tuo lavoro, in base al modo in cui i dati vengono instradati attraverso la rete. Con le nostre simulazioni, possiamo esplorare questo tipo di situazioni e testare cose come altri protocolli di routing che potrebbero aiutare a migliorare le prestazioni della rete.
Super Computer e Simulazione della realtà, tutto qui
Negli ultimi decenni e fino ai giorni nostri, il principale contributo del supercalcolo alla scienza è stata la sua capacità in costante miglioramento di simulare la realtà per aiutare gli esseri umani a fare previsioni migliori sulle prestazioni e progettare prodotti migliori nei settori della produzione e del petrolio, fino a quello farmaceutico e militare. Jack Dongarra , uno dei massimi esperti di supercalcolo al mondo, paragona questa capacità all'avere una sfera di cristallo.
"Diciamo che voglio capire cosa succede quando due galassie si scontrano", dice Dongarra. “Non posso davvero fare quell'esperimento. Non posso prendere due galassie e farle scontrare. Quindi devo costruire un modello ed eseguirlo su un computer. O ai vecchi tempi, quando progettavano un'auto, prendevano quell'auto e la facevano schiantare contro un muro per vedere come resisteva all'impatto. Beh, è piuttosto costoso e richiede tempo. Oggi non lo facciamo molto spesso; costruiamo un modello al computer con tutta la fisica [calcoli] e lo facciamo schiantare contro un muro simulato per capire dove sono i punti deboli".
A COSA SERVONO I SUPERCOMPUTER?
I supercomputer sono fondamentalmente utilizzati da aziende e organizzazioni governative per simulare i risultati. Questi computer velocissimi possono essere utilizzati per qualsiasi cosa, dalla ricerca di nuovi depositi di petrolio allo sviluppo di nuovi farmaci salvavita. In effetti, i supercomputer in tutto il mondo vengono utilizzati per aiutare nella ricerca e nello sviluppo di un vaccino per il COVID-19.
Le aziende, in particolare, vedono il valore monetario ( ROI , come dicono i tipi aziendali) nelle simulazioni di supercalcolo, sia che si tratti di fabbricazione di automobili, di trivellazioni petrolifere o di scoperta di nuovi farmaci. Nel 2018, gli acquisti di aziende e governi hanno contribuito a un mercato dei computer ad alte prestazioni sempre più solido .
"Dei primi cinquecento computer, più della metà sono nell'industria", afferma Dongarra, che ha trascorso una prima parte della sua carriera ad Argonne. “L'industria lo prende. Stanno investendo in computer ad alte prestazioni per essere più competitivi e ottenere un vantaggio sulla concorrenza. E sentono che i soldi sono ben spesi. Stanno investendo in queste cose per aiutare a guidare i loro prodotti e l'innovazione, i loro profitti, la loro produttività e la loro redditività".
Ma è più grande del semplice ROI.
"L'impresa commerciale tradizionale può vedere calcoli di ritorno sull'investimento di, 'Ci ha risparmiato questa quantità di costi di test fisici' o, 'Siamo stati in grado di arrivare sul mercato più velocemente e quindi di ottenere entrate extra'", afferma Andrew Jones , un Regno Unito- consulente di calcolo ad alte prestazioni basato. "Ma un calcolo di base del ROI per HPC non è necessariamente da dove viene il valore. Se chiedi a una compagnia petrolifera, non si tratta di essere in grado di trovare petrolio il 30 percento in meno. Si tratta di essere in grado di trovare il petrolio o no".
Le aziende che utilizzano il supercalcolo per apportare miglioramenti al quadro generale e aumentare l'efficienza hanno un vantaggio sui concorrenti.
"E lo stesso vale per gran parte della scienza", aggiunge Jones. "Non stai necessariamente cercando un ritorno sull'investimento in un senso specifico, stai cercando capacità generali, se i nostri ricercatori sono in grado di fare scienza che sia competitivo a livello internazionale o meno.”
I Super Computer e il bisogno di velocità
Poiché i computer più veloci consentono ai ricercatori di ottenere più rapidamente una maggiore comprensione di qualunque cosa stiano lavorando, c'è un bisogno sempre crescente, o almeno un forte desiderio, di velocità. Dongarra la chiama "una ricerca senza fine" e le capacità di senzafine sostenute di Aurora (ancora non provate) sarebbero l'apice di quella ricerca finora. Sarà comunque uno dei tanti. Decine di supercomputer con nomi a volte epici (Titan, Excalibur) operano in altri 26 paesi in tutto il mondo. Prodotti da 36 fornitori diversi, sono guidati da 20 generazioni di processori e servono una varietà di settori e funzioni governative che vanno dalla ricerca scientifica alla difesa nazionale.
Queste statistiche provengono dal sito TOP500.org . Co-fondato da Dongarra, ha tenuto sotto controllo tutto ciò che riguarda il supercalcolo dal 1993 e utilizza il suo benchmark LINPACK (che stima la velocità con cui un computer può eseguire uno o più programmi) per misurare le prestazioni. Secondo la sua ultima carrellata del più grande e più cattivo del mondo, l'America ha cinque (presto sei) della top 10, tra cui il supercomputer più veloce del pianeta a Oak Ridge's Summit e il secondo più veloce, Sierra, al Lawrence Livermore National Laboratory in California. La Cina, seconda classificata, ne ha solo due (ma presto saranno tre). Certo, il paese occupa 227 dei primi 500 posti e ha prodotto 303 delle macchine in quella lista, ma gli Stati Uniti possono ancora brandire il loro gigantesco dito di schiuma. Per adesso. Il concorso è in corso e non accenna a diminuire.
"Non ci sono due maggiori trasgressori di 'guarda quanto è grande il mio sistema' rispetto agli Stati Uniti e alla Cina", afferma Nicole Hemsoth, co-fondatrice e co-editore di The Next Platform .
Sebbene storicamente la Cina sia stata meno interessata alla Top 500, spiega, negli ultimi anni hanno reso il calcolo ad alte prestazioni "un punto di orgoglio nazionale", ponendo maggiore enfasi sulle "prestazioni ai vertici delle classifiche" e spendendo miliardi per raggiungere esso. Altri concorrenti exascale includono Francia e Giappone . Secondo uno studio , 10 miliardi di dollari dei 130 miliardi di dollari previsti spesi in supercomputer tra il 2018 e il 2021 andranno verso sistemi a esascala come quello previsto per Argonne.
"La corsa tra i paesi è in parte reale e in parte artificiale", afferma Jones. "Quindi, per esempio, se sei il direttore di un laboratorio nazionale statunitense e stai cercando di ottenere finanziamenti per la tua prossima macchina HPC, è un ottimo argomento per dire che, 'Beh, la Cina ne ha una dieci volte più grande, quindi dobbiamo recuperare il ritardo.' L'Unione Europea e la Cina giocano la stessa partita contro gli Stati Uniti, quindi c'è un po' di tensione creata che non è necessariamente reale, ma sta aiutando a guidare la [competizione]".
Anche i media giocano un ruolo significativo. I giornalisti adorano distribuire statistiche da capogiro sui supercomputer e spiegarle in modo evocativo. C'è un esempio di questo all'inizio di questa storia. Eccone un altro, dal New York Times: "Se uno stadio costruito per 100.000 persone fosse pieno e tutti i presenti avessero un laptop moderno, ci vorrebbero 20 stadi per eguagliare la potenza di fuoco del Summit". NON TI DIVERTE?
I funzionari governativi si divertono anche con un po' di spavalderia nel supercalcolo, parlando della loro gigantesca potenza di elaborazione come la chiave per il miglioramento della società e, naturalmente, la prova della totale magnificenza del loro paese. John F. Kennedy, che ha dato il via alla corsa allo spazio nel 1961, sarebbe stato dappertutto. "È la competitività economica di base", afferma Jones. “Se ti allontani così lontano che la tua nazione non è più economicamente competitiva con altre nazioni di dimensioni comparabili, allora ciò porta a un intero carico di altre questioni politiche e di sicurezza da affrontare”.
VELOCITÀ DI CALCOLO + POTENZA = POTENZA MILITARE
Oltre agli aspetti economici e di sicurezza, aggiunge, coloro che comprendono chiaramente le implicazioni del calcolo ad alte prestazioni ne vedono gli enormi vantaggi per la scienza, il business e altri settori. "Quindi è un gioco da ragazzi che facciamo queste cose." (Certo, alcuni rapporti affermano che questi benefici sono esagerati .) Sul fronte degli armamenti nucleari, ad esempio, i supercomputer si sono dimostrati un enorme vantaggio per le cose che vanno a gonfie vele: simulazioni sofisticate hanno eliminato la necessità di test nel mondo reale.
"Non sviluppano qualcosa, escono nel deserto, praticano un foro e vedono se funziona", dice Dongarra di una pratica che si è interrotta decenni fa. "Simulano quel progetto [dell'arma] su un supercomputer. Simulano anche cosa succede a quelle [armi] se rimangono su uno scaffale per così tanti anni, perché devono verificare che la scorta funzioni". In un importante aggiornamento recente, l'Air Force Research Lab - uno dei cinque centri di supercalcolo del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti - ha installato quattro supercomputer condivisibili su cui l'intero esercito degli Stati Uniti può condurre ricerche classificate. Il progetto è stato promosso come un modo per aiutare i ricercatori dell'aeronautica, dell'esercito e della marina a "rispondere rapidamente alle sfide più urgenti e complesse della nostra nazione, che sta anche accelerando nuove capacità per il combattente a costi inferiori per i contribuenti".
Interpretalo come vuoi.
Supercomputer e Intelligenza Artificiale
L'intelligenza artificiale è ancora piuttosto rudimentale, ma i supercomputer lo stanno cambiando mettendo a dura prova i processi di apprendimento automatico per produrre risultati più rapidi da più dati, come in questa ricerca sulla scienza del clima . "Essere impegnati nel supercalcolo significa credere nel potere dell'algoritmo di distillare informazioni preziose e significative dall'implementazione ripetuta della logica procedurale", scrive Scott Fulton III in una storia penetrante su ZDNet. "Alla base del supercalcolo ci sono due ideali: uno che professa che la macchina di oggi alla fine raggiungerà una soluzione nuova e straordinariamente preziosa, seguito da una seconda e più sottile nozione che la macchina di oggi è un prototipo per quella di domani."
Come ha dichiarato il direttore di Argonne Paul Kearns a HPCWire, Aurora è destinata all'IA di "prossima generazione" che accelererà la scoperta scientifica e renderà possibili miglioramenti in aree come previsioni meteorologiche estreme, trattamenti medici, mappatura del cervello, sviluppo di nuovi materiali. Ci aiuterà anche a comprendere ulteriormente l'universo, ha aggiunto, "e questo è solo l'inizio".
Mentre Dongarra pensa che i supercomputer plasmeranno il futuro dell'intelligenza artificiale , come ciò accadrà esattamente non è del tutto prevedibile. "In una certa misura, i computer che vengono sviluppati oggi verranno utilizzati per applicazioni che richiedono intelligenza artificiale, deep learning e calcoli di neuro-networking", afferma Dongarra. "Sarà uno strumento che aiuterà gli scienziati a comprendere e risolvere alcuni dei problemi più impegnativi che abbiamo".
"Sarà" - tempo futuro. Il lavoro sull'intelligenza artificiale è ancora solo una piccola percentuale di ciò che fanno i supercomputer. Per la maggior parte, dice Jones, sono "macchine del tempo" che "portano la prossima scienza da cinque anni avanti a oggi". "Il novanta percento delle installazioni HPC tradizionali esegue ancora carichi di lavoro HPC tradizionali: simulazioni ingegneristiche, fluidodinamica, modellazione meteorologica e climatica ", spiega. "E l'intelligenza artificiale è presente al livello del cinque o del 10 percento che li aumenta e aiuta a farli funzionare meglio, ma non sta ancora dominando i requisiti per l'acquisto di piattaforme HPC o anche per guidare i programmi di finanziamento HPC".
Hemsoth pensa che probabilmente passeranno altri cinque anni prima che i flussi di lavoro HPC esistenti includano molta intelligenza artificiale e deep learning, entrambi i quali avranno requisiti di elaborazione diversi rispetto a quelli attuali. "Tutti stanno saltando un po' la pistola quando si tratta di intelligenza artificiale", dice. “Stanno acquistando sistemi adatti all'AI così com'è adesso. L'intelligenza artificiale sarà una parte pratica dei carichi di lavoro, ma cambierà. E il software e l'applicazione effettivi su cui devono funzionare le cose cambieranno, il che cambierà l'hardware di cui hai bisogno. Questa roba si sta evolvendo rapidamente, ma con cicli di produzione hardware molto lunghi, specialmente se sei un laboratorio nazionale e devi procurarti questa roba da tre a cinque anni prima ancora di avere la macchina.
Il futuro dei SuperComputer
"Il miglioramento dell'umanità è un nobile obiettivo da raggiungere".
Un altro rompicapo: il tuo smartphone attuale è veloce come lo era un supercomputer nel 1994, uno che aveva 1.000 processori e faceva simulazioni nucleari. (C'è un'app per questo?) Va da sé, quindi, che lo smartphone (o come si chiama) che hai in un quarto di secolo potrebbe teoricamente essere al livello di Aurora. Il punto è che questa roba è veloce - e sta solo diventando più veloce. Ecco come lo riassume Dongarra:
“Abbiamo raggiunto i teraflop nel 1997 su una macchina dei Sandia National Laboratories. Questo è stato 10 12 teraflops. Poi, nel 2008, abbiamo raggiunto i petaflop — 10 15 — a Los Alamos. Ora siamo sul punto di raggiungere l'esascala, con 10 18 operazioni, intorno all'inizio del 2020 o del 2021. Probabilmente tra 10 o 11 anni, saremo a zettascale : 10 21 operazioni al secondo. Quando ho iniziato con l'informatica, stavamo facendo megaflop: 10 6 operazioni. Quindi le cose cambiano. Ci sono cambiamenti nell'architettura, cambiamenti nel software e nelle applicazioni che devono andare di pari passo. Passare al livello successivo è una progressione naturale”.
Una storia recente su TOP500.com intitolata "Il supercalcolo si sta dirigendo verso una crisi esistenziale", dipinge un quadro delle cose a venire in cui le simulazioni passano in secondo piano.
"L'apprendimento automatico, in particolare, potrebbe arrivare a dominare la maggior parte dei domini informatici, incluso l'HPC (e persino l'analisi dei dati) nel prossimo decennio e mezzo", scrive l'autore Michael Feldman. "Mentre oggi viene utilizzato principalmente come passaggio ausiliario nel calcolo scientifico tradizionale, sia per le simulazioni di pre-elaborazione che di post-elaborazione, in alcuni casi, come la scoperta di farmaci, potrebbe plausibilmente sostituire del tutto le simulazioni".
Qualunque sia la forma che assumeranno i supercomputer, Papka di Argonne afferma che diventeranno sempre più potenti e trasformativi, influenzando tutto, dal pedone al profondo, dalla progettazione di batterie per auto elettriche più efficienti a, forse, l'eradicazione di malattie a lungo combattute come il cancro. O così spera.
"Il miglioramento dell'umanità", dice Papka, "è un nobile obiettivo da raggiungere".
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