Superpočítač

Superpočítač
	Soubor:Frontier OLCF-5.jpg
	Superpočítač Frontier v Oak Ridge National Laboratory, první potvrzený exascale systém na světě.
Princip	Masivně paralelní zpracování
Typ	Výpočetní technika
Využití	Vědecké simulace, umělá inteligence, analýza Big Data, kryptografie, předpověď počasí

Rozbalit box

Obsah boxu

Superpočítač je počítač s extrémně vysokým výpočetním výkonem, který řádově převyšuje výkon běžných osobních počítačů. Zatímco osobní počítač je navržen pro širokou škálu úloh prováděných jedním uživatelem, superpočítač je specializované zařízení určené k řešení nejkomplexnějších vědeckých, technických a datových úloh, které vyžadují zpracování obrovského množství dat a provedení masivního počtu matematických operací v co nejkratším čase^[1].

🖥️ Co je superpočítač?

Základním principem, na kterém funguje drtivá většina moderních superpočítačů, je masivně paralelní zpracování (Massively Parallel Processing, MPP)^[2]. Místo jednoho velmi rychlého procesoru se superpočítač skládá z desítek tisíc až milionů menších, standardních procesorů (nebo jader), které pracují na jedné úloze současně. Tyto procesory jsou uspořádány do tzv. výpočetních uzlů (compute nodes), které jsou navzájem propojeny extrémně rychlou sítí.

Úloha, kterou má superpočítač vyřešit (například simulace srážky galaxií), je rozdělena na obrovské množství menších dílčích úkolů. Každý procesor nebo uzel pak zpracovává jednu malou část. Výsledky těchto dílčích výpočtů jsou neustále sdíleny a synchronizovány přes propojovací síť, dokud není dosaženo finálního řešení. Právě kvalita a rychlost této sítě je stejně důležitá jako výkon samotných procesorů^[3].

📈 Měření výkonu

Výkon superpočítačů se neměří v gigahertzích jako u osobních počítačů, ale v jednotkách FLOPS (Floating Point Operations Per Second), což označuje počet operací s desetinnými čísly, které je stroj schopen provést za jednu sekundu^[4]. Vzhledem k enormnímu výkonu se používají odvozené jednotky:

MegaFLOPS (MFLOPS) = 10⁶ (milion) FLOPS
GigaFLOPS (GFLOPS) = 10⁹ (miliarda) FLOPS
TeraFLOPS (TFLOPS) = 10¹² (bilion) FLOPS
PetaFLOPS (PFLOPS) = 10¹⁵ (kvadrilion) FLOPS
ExaFLOPS (EFLOPS) = 10¹⁸ (kvintilion) FLOPS

Pro objektivní srovnání výkonu různých superpočítačů na světě se používá standardizovaný test zvaný LINPACK Benchmark. Na základě výsledků tohoto testu je dvakrát ročně sestavován prestižní žebříček TOP500, který uvádí 500 nejvýkonnějších superpočítačů světa^[5]. V červnu 2022 byl jako první na světě oficiálně změřen a potvrzen výkon přesahující 1 ExaFLOPS u amerického superpočítače Frontier^[6].

🧑‍🏫 Pro laiky

Představte si, že máte za úkol složit obrovské puzzle o milionu dílků. Kdybyste ho skládali sami, trvalo by vám to měsíce nebo roky. To je princip fungování běžného počítače – jeden "pracovník" (procesor) dělá jednu věc po druhé.

Superpočítač je oproti tomu jako obrovská tovární hala, ve které sedí sto tisíc lidí. Každému z nich dáte malou hromádku dílků (část úlohy) a oni je začnou skládat současně. Navíc spolu mohou neustále komunikovat přes rychlé poslíčky (propojovací síť), aby si řekli, jaké dílky k sobě pasují. Díky této spolupráci a rozdělení práce (paralelní zpracování) dokáže celý tým složit obří puzzle za jediný den. Čím více lidí a čím rychlejší poslíčci, tím rychleji je hotovo. To je přesně to, co dělá superpočítač – řeší obrovské problémy tím, že je rozdělí na tisíce malých kousků a zpracovává je všechny najednou.

🏗️ Architektura a komponenty

Moderní superpočítače jsou budovány jako počítačové clustery, které se skládají z tisíců samostatných, ale propojených serverů, známých jako výpočetní uzly. Celková architektura je navržena tak, aby minimalizovala jakékoli slabé místo (tzv. bottleneck), které by mohlo brzdit tok dat a výpočtů.

Výpočetní uzly (Nodes)

Uzel je základní stavební jednotka superpočítače, v podstatě velmi výkonný server bez vlastního pevného disku a periferií. Každý uzel obsahuje několik klíčových komponent:

CPU (Central Processing Unit): Obvykle jeden nebo dva vícejádrové procesory (např. od AMD nebo Intel), které řídí chod celého uzlu, spravují operační systém a provádějí univerzální výpočetní operace a sériové části kódu^[7].
GPU/Akcelerátory (Graphics Processing Unit): Většina moderních superpočítačů využívá tzv. hybridní architekturu, kde jsou CPU doplněny několika grafickými kartami (akcelerátory), nejčastěji od firem Nvidia nebo AMD. Právě GPU dodávají drtivou většinu výpočetního výkonu díky své architektuře, která obsahuje tisíce malých jader schopných provádět jednoduché operace masivně paralelně. Jsou ideální pro výpočty v umělé inteligenci, molekulární dynamice a dalších vědeckých simulacích^[8].
Operační paměť (RAM): Každý uzel má vlastní vysokorychlostní operační paměť, která slouží k dočasnému uložení dat, se kterými procesory a akcelerátory právě pracují. Kapacita se pohybuje od stovek gigabajtů až po terabajty na jeden uzel.

Propojovací síť (Interconnect)

Propojovací síť je nervovým systémem superpočítače a je naprosto klíčová pro jeho výkon. Zajišťuje extrémně rychlou komunikaci mezi všemi výpočetními uzly. I nejrychlejší procesory by byly k ničemu, kdyby musely neustále čekat na data od ostatních uzlů. Hlavními parametry sítě jsou:

Šířka pásma (Bandwidth): Jaké množství dat lze přenést za sekundu.
Latence (Latency): Doba, za jakou se malý datový paket dostane z jednoho uzlu na druhý.

V superpočítačích se používají specializované síťové technologie, jako je InfiniBand nebo proprietární řešení jako HPE Slingshot, které řádově překonávají standardní Ethernet^[9].

Paralelní úložný systém

Superpočítače generují a zpracovávají obrovské objemy dat (terabajty až petabajty). Aby se předešlo zahlcení, nevyužívají běžné disky, ale specializovaná paralelní souborové systémy (např. Lustre, Spectrum Scale)^[10]. Takový systém je tvořen desítkami až stovkami diskových serverů a umožňuje, aby tisíce výpočetních uzlů mohly současně číst a zapisovat data na jedno sdílené úložiště, aniž by se navzájem blokovaly.

⚡ Energetická náročnost a chlazení

Superpočítače patří mezi energeticky nejnáročnější zařízení na světě. Jejich spotřeba se měří v megawattech (MW) – jeden megawatt odpovídá spotřebě přibližně jednoho tisíce domácností. Nejvýkonnější systémy spotřebují i více než 20 MW^[11].

Téměř veškerá spotřebovaná elektrická energie se přemění na teplo, které je nutné efektivně odvádět, aby nedošlo k přehřátí a zničení komponent. Chlazení je proto jednou z největších technických výzev.

Vzduchové chlazení: Tradiční metoda, kdy se studený vzduch vhání do serverových skříní. Je energeticky velmi náročné a u nejvýkonnějších strojů již nedostačující.
Přímé kapalinové chlazení (Direct Liquid Cooling): Nejrozšířenější metoda u moderních superpočítačů. Voda nebo jiná chladicí kapalina je přivedena tenkými trubičkami přímo na nejžhavější komponenty (CPU, GPU) pomocí tzv. "cold plates" (studených desek), kde absorbuje teplo a odvádí ho pryč z datového sálu. Je to výrazně účinnější než chlazení vzduchem^[12]. Teplá voda může být následně využita například k vytápění budov.
Imerzní chlazení (Immersion Cooling): Špičková technologie, při které jsou celé servery ponořeny do speciální nevodivé (dielektrické) kapaliny. Tato metoda nabízí nejvyšší efektivitu chlazení^[13].

💻 Software a programování

Na superpočítačích nelze spustit běžný software z osobního počítače. Veškeré aplikace musí být speciálně napsány tak, aby dokázaly využít masivně paralelní architekturu.

Operační systém: Absolutní dominantou je Linux. Všechny superpočítače v žebříčku TOP500 používají některou z jeho specializovaných distribucí (např. založenou na Red Hat Enterprise Linux)^[14]. Důvodem je jeho stabilita, výkon, otevřenost (open-source) a možnost detailních úprav pro konkrétní hardware.
Paralelní programovací modely: Pro programování superpočítačů se používají standardizované knihovny a rozhraní:

   *   MPI (Message Passing Interface): Je standardem pro komunikaci a synchronizaci procesů běžících na různých výpočetních uzlech.
   *   OpenMP (Open Multi-Processing): Slouží k programování a využití více jader v rámci jednoho CPU na sdílené paměti.
   *   CUDA / HIP: Jsou programovací platformy pro využití masivního paralelismu grafických akcelerátorů od firem Nvidia (CUDA) a AMD (ROCm/HIP).

Pro efektivní správu a plánování úloh se používají specializované programy (tzv. schedulery, např. Slurm), které přidělují výpočetní čas a zdroje jednotlivým uživatelům a jejich úlohám.

⏳ Historie a vývoj

Historie superpočítačů je příběhem neustálého posouvání hranic výpočetního výkonu.

60. léta: První průkopníci: Za první skutečný superpočítač je často považován CDC 6600 z roku 1964, navržený Seymourem Crayem. Byl přibližně třikrát rychlejší než předchozí nejvýkonnější stroj od IBM a zavedl inovativní architekturu a chlazení^[15]. Seymour Cray se stal legendou v oboru a později založil vlastní společnost Cray Research.
70. a 80. léta: Vektorové procesory: Společnost Cray dominovala éře tzv. vektorových superpočítačů (např. Cray-1 z roku 1976). Tyto stroje byly schopny provést jednu instrukci na celém souboru dat (vektoru) najednou, což bylo ideální pro vědecké výpočty^[16].
90. léta: Nástup masivně paralelních systémů: S rozvojem mikroprocesorů se ukázalo jako efektivnější propojovat tisíce standardních procesorů, než vyvíjet několik málo extrémně drahých a složitých specializovaných procesorů. Tím vznikla architektura masivně paralelního zpracování (MPP), která dominuje dodnes^[17].
21. století: Peta a Exascale éra: Na počátku století se výkon měřil v teraflopsech. V roce 2008 prolomil superpočítač Roadrunner od IBM jako první hranici jednoho petaflopsu^[18]. V červnu 2022 dosáhl superpočítač Frontier v Oak Ridge National Laboratory mety jednoho exaflopsu a zahájil tak éru exascale computingu^[19].

💡 Využití v praxi

Superpočítače nejsou jen akademickou hračkou, ale klíčovým nástrojem, který posouvá hranice vědy a průmyslu.

Vědecké simulace: Umožňují modelovat jevy, které jsou příliš velké, rychlé, pomalé nebo nebezpečné na to, aby je bylo možné zkoumat v reálném světě. Patří sem simulace vzniku vesmíru, srážek černých děr, vývoje klimatu, proudění vzduchu kolem letadla nebo testování účinnosti jaderných zbraní bez nutnosti jejich reálného odpalu^[20].
Předpověď počasí a klimatologie: Moderní a přesná předpověď počasí je nemyslitelná bez superpočítačů. Ty zpracovávají obrovské množství dat z meteorologických stanic, satelitů a radarů a na jejich základě modelují budoucí vývoj atmosféry^[21].
Umělá inteligence a strojové učení: Trénování rozsáhlých jazykových modelů (jako je GPT-4) a dalších komplexních neuronových sítí vyžaduje enormní výpočetní výkon, který mohou poskytnout pouze superpočítače^[22].
Medicína a farmacie: Superpočítače se používají k vývoji nových léků (modelování interakcí molekul s proteiny), personalizované medicíně, analýze DNA a simulaci šíření epidemií.
Průmysl a inženýrství: V automobilovém průmyslu se využívají pro simulace nárazových testů (crash testy), v energetice pro navrhování účinnějších turbín nebo modelování fúzních reaktorů a v ropném průmyslu pro hledání nových nalezišť ropy a zemního plynu.
Kryptografie a národní bezpečnost: Superpočítače se používají jak k prolamování složitých šifer, tak k vývoji nových, odolnějších šifrovacích metod.

🇨🇿 Superpočítače v České republice

Česká republika je díky IT4Innovations národnímu superpočítačovému centru v Ostravě, které je součástí VŠB–TUO, superpočítačovou velmocí. IT4Innovations provozuje několik systémů, z nichž nejvýznamnější jsou:

Karolina: Zprovozněn v roce 2021, ve své době se umístil na 15. místě v žebříčku TOP500 nejvýkonnějších superpočítačů a byl nejvýkonnějším superpočítačem v ČR. Část jeho výkonu je specializovaná pro úlohy umělé inteligence^[23].
Barbora: Spuštěn v roce 2019, slouží širokému spektru vědeckých a průmyslových uživatelů^[24].
NVIDIA DGX-2: Specializovaný systém určený pro výpočty v oblasti umělé inteligence.

Kromě centra v Ostravě provozují menší superpočítačové clustery i další instituce, například Masarykova univerzita (centrum CERIT-SC) nebo Akademie věd České republiky.

🔮 Budoucnost

Vývoj superpočítačů směřuje k několika hlavním cílům:

Zettascale Computing: Dalším milníkem po exascale (10¹⁸ FLOPS) je zettascale (10²¹ FLOPS), tedy tisícinásobné navýšení výkonu.
Větší role AI a datové analýzy: Superpočítače budou stále více navrhovány nejen pro tradiční simulace, ale i pro zpracování obrovských datových sad a trénování modelů umělé inteligence.
Energetická efektivita: Spotřeba energie je hlavním limitem dalšího růstu. Budoucí systémy se musí zaměřit na radikální snížení spotřeby na jednu provedenou operaci (měřeno v FLOPS/Watt).
Integrace s kvantovými počítači: V dlouhodobém horizontu se očekává propojení klasických superpočítačů s kvantovými počítači, kde by každý systém řešil ten typ úloh, pro který je nejvhodnější.

Reference

[1] ttps://www.britannica.com/technology/supercomputer

[2] ttps://www.techtarget.com/searchdatacenter/definition/massively-parallel-processing-MPP

[3] ttps://www.it4i.cz/o-superpocitacich/co-je-superpocitac/

[4] ttps://www.techopedia.com/definition/4426/floating-point-operations-per-second-flops

[5] ttps://www.top500.org/project/linpack/

[6] ttps://www.top500.org/news/frontiers-historic-performance-of-1-1-exaflops-marks-a-new-era-in-computing/

[7] ttps://www.it4i.cz/o-superpocitacich/architektura-superpocitacu/

[8] ttps://blogs.nvidia.com/blog/whats-the-difference-between-a-cpu-and-a-gpu/

[9] ttps://www.hpcwire.com/2022/05/31/interconnect-speeds-feeds-at-isc-22-part-one-ethernet-and-infiniband/

[10] ttps://www.techtarget.com/searchstorage/definition/Lustre-file-system

[11] ttps://www.datacenterdynamics.com/en/analysis/the-top-10-most-power-hungry-supercomputers-in-the-world/

[12] ttps://www.servethehome.com/the-case-for-direct-liquid-cooling-in-the-data-center/

[13] ttps://www.datacenterdynamics.com/en/opinions/understanding-the-pros-and-cons-of-immersion-cooling/

[14] ttps://www.top500.org/statistics/details/osfam/1/

[15] ttps://history-computer.com/cdc-6600-supercomputer/

[16] ttps://www.techtarget.com/whatis/definition/vector-processing

[17] ttps://www.britannica.com/technology/supercomputer/Massively-parallel-processing

[18] ttps://www.ibm.com/ibm/history/ibm100/us/en/icons/roadrunner/

[19] ttps://www.olcf.ornl.gov/frontier/

[20] ttps://www.it4i.cz/o-superpocitacich/k-cemu-slouzi-superpocitac/

[21] ttps://scijinks.gov/weather-forecast/

[22] ttps://www.nvidia.com/en-us/glossary/data-science/supercomputing/

[23] ttps://www.it4i.cz/infrastruktura/karolina/

[24] ttps://www.it4i.cz/infrastruktura/barbora/

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]