Конференція Високопродуктивні обчислення, Київ, 13-15 жовтня 2014

Поява екзафлопса раніше 2020 року малоймовірна

Американський Департамент Енергії (DOE), який будує найшвидші суперкомп’ютери світу, прогнозує появу екзафлопсної системи на 2020-2022 рік, на два-чотири роки пізніше, ніж очікувалось.

Нові терміни передбачають, що Конгрес профінансує проект з бюджету 2014 року. Білий Дім подасть проект бюджету 2014 року до Конгресу на початку наступного фінансового року, тобто, після 1-го жовтня.

Не зважаючи на впевненість багатьох американських вчених, що екзафлопсні обчислення сприятимуть науковому прориву, покращать конкурентоздатність країни, дозволять краще зрозуміти проблеми зміни клімату тощо, досі проект отримує обмежене фінансування, на кілька порядків менше, ніж необхідні мільярди доларів.

Ще недавно експерти очікували появу екзафлопсних систем у 2018 році. Ці очікування були засновані, зокрема, на передбаченнях продуктивності комп’ютерів.

У 1997 році суперкомп’ютер ASCI Red, створений компанією Intel та встановлений у Національній лабораторії Сандіа, подолав терафлопсний бар’єр. На той час він обійшовся у 55 мільйонів доларів. Для порівняння, Intel недавно випустив 60-ядерні прискорювачі Phi з продуктивністю більше терафлопса за ціною 2650 доларів.

Суперкомп’ютер ASCI Red

Через десять років після рекорду ASCI Red, суперкомп’ютер Roadrunner у Національній лабораторії Лос Аламос досяг швидкості петафлопса, у тисячу разів швидшої за ASCI Red.

Суперкомп’ютер Roadrunner

DOE готує звіт для Конгресу, в якому буде описано «Екзафлопсну комп’ютерну ініціативу» (ECI). У звіті, який буде представлено у лютому, очікують побачити план та оцінку вартості побудови екзафлопсного суперкомп’ютера.

Вільям Гарод, директор з науки DOE, на конференції SC12 повідомив, що на початку роботи орієнтиром був 2018 рік, зараз це вже 2020, а реальний термін – 2022 рік. «Я не сумніваюсь, що хтось десь зможе створити екзафлопсну систему у 2018-2020 роках, але я не думаю, що це буде система для розв’язання широкого кола задач», – сказав Гарод.

Китай, Європа та Японія працюють над власними екзафлопсними проектами, тому немає гарантії, що США встигнуть першими. Китай, зокрема, інвестує значні кошти у розробку великих HPC систем, власних мікропроцесорів та технологій інтерконекту.

В Америці вироблені певні критерії до екзафлопсного комп’ютера. Система має бути якомога більш економною та обслуговувати широке коло задач. Уряд також вимагає, щоб наукові результати у цій галузі призвели до появи рішень для звичайних споживачів, які допоможуть ІТ галузі.

План, який подадуть до Конгресу, вимагатиме побудови двох або трьох систем-прототипів до 2018 року. Як тільки технологія буде випробувана, США замовить виробництво 1-3 систем.

Розробка екзафлопсних систем вимагає подолання обмежень потужності, пам’яті, паралелізму та надійності.

Під надійністю розуміється здатність безперебійної роботи системи, яка складається з мільйонів ядер, протягом тривалого часу, не зважаючи на збої компонентів. «Я думаю, що стійкість до збоїв є великою проблемою, і це стане справжнім дивом, якщо такий комп’ютер буде працювати протягом кількох годин», – сказав Гарод.

Проблеми масштабу очевидні і з точки зору енергії. США хоче, щоб екзафлопсна система споживала не більше 20 МВт енергії. Для прикладу, топові петафлопсні системи споживають порядку 8 МВт.

Хоча потужність процесора залишається головною, але це вже не центр уваги при розробці комп’ютерів екзафлопсного масштабу. Дейв Турек, віце-президент відділення екзафлопних систем компанії IBM, стверджує, що основні зміни торкнуться не мікропроцесора, особливо в епоху великих даних. «Зараз все крутиться навколо ідеї даних та мінімізації переміщень даних, як головної філософії розробки, яка лежатиме в основі майбутніх результатів», – сказав він.

У поточних системах дані змушені долати великий шлях, що споживає енергію. «Генеруються величезні набори даних, їх майже неможливо записати на диск, щоб повернутись до аналізу пізніше, – сказав Гарод. – Нам потрібні системи з більшим обсягом пам’яті. Якщо обмежувати пам’ять, зменшаться можливості наших додатків».

Екзафлопсні системи вимагають нової програмної моделі, і наразі такої не існує.

HPC дозволяє вченим моделювати та візуалізувати процеси. Системи можуть обробляти нескінченну кількість сценаріїв для перевірки гіпотез, наприклад, як певні ліки взаємодіють з клітиною або як працює сонячна батарея.

Великі системи дозволяють вченим збільшити роздільну здатність, подивитись на проблему більш детально, застосовувати більш точні фізичні моделі реального світу.

Наукові зусилля США спрямовані на повне використання потенціалу екзафлопса та досягнення «мільярдного паралелізму». У сенсі кількості ядер, а не вартості.

Щоб уявляти майбутні перспективи, вчені з Національної лабораторії Аргонни розробили модель Всесвіту, яка вимагала кілька петафлопс продуктивності. Фізик Салман Хабіб сказав, що при моделюванні на 1,5 млн. ядер суперкомп’ютера Sequoia досягнуто продуктивність у 14 ПФлопс. Загальний паралелізм склав 6,3 мільйони потоків, тобто 4 потоки на одне ядро процесора. Цей проект – найбільше моделювання космосу за всю історію HPC.

Комп'ютерна модель Всесвіту

«Як би ми цього не хотіли, але нам не вдасться побудувати власні Всесвіти, щоб перевірити ті чи інші гіпотези про те, що відбувалось у реальному Всесвіті. Через цю неможливість проведення справжніх космологічних експериментів, ми змушені робити віртуальні експерименти на комп’ютері, а потім порівнювати результати зі спостереженнями. У цьому сенсі високопродуктивні обчислення абсолютно незамінні для космології», – сказав Хабіб.

Для виконання завдання вченим необхідно запустити сотні або тисячі віртуальних моделей Всесвіту для корегування їхнього розуміння. «Для проведення таких моделювань з великою точністю необхідно мати комп’ютер масштабу екзафлопса, – сказав Хабіб. – Захоплюючим є те, що до того, як такий комп’ютер буде побудований, з’являться нові спостереження».

Загальна кількість вузлів у екзафлопсній системі буде близькою до 100 тисяч, як і у найшвидших сучасних суперкомп’ютерів. Однак, зараз кожен вузол стає більш паралельним та потужним, каже Піт Бекман, директор Інституту високопродуктивних обчислень та технологій Національної лабораторії Аргонни.

Наприклад, вузол IBM Blue Gene/Q має 16 ядер та 64 потоки. З часом кількість потоків виросте до сотень, а потім і тисяч.

«Коли у вас буде 1000 незалежних потоків на вузол, уся система матиме мільярдний паралелізм, – каже Бекман. – Справжнім викликом є програмування всередині вузла, щоб зменшити затримки та обміни між вузлами. Нові системи вимагають адаптивних програмних моделей. Поки цей підхід не сформувався, протягом кількох років у програмних моделях буде певна анархія».

Виробники мають змінити свій підхід до створення ПЗ.

«Багато виробників мають 50-річний досвід створення ПЗ. 50 років зусиль, коли ніхто не турбувався про енергоефективність, надійність, зменшення руху даних. Ми маємо все це змінити. Ми маємо штовхати розробників туди, куди вони не дуже хочуть йти», – каже Гарод. Він вірить, що проблему можна вирішити, але для цього країна зобов’язана інвестувати у нові технології.

Гарод стверджує, що США можуть побудувати одноразову екзафлопсну машину з обмеженою придатністю до розв’язання різноманітних задач. Але зусилля мають бути спрямовані на отримання технологій для широкого ринку.

«Якби я міг створити екзафлопсний комп’ютер потужністю 20 МВт, який би помістився у 500 шаф, це б означало, що одна шафа давала б 2 ПФлопс продуктивності. Неймовірно! Петафлопсна система стала б настільки малою, що її можна було б встановити у кожній лабораторії або компанії, – каже Гарод. – Треба зробити значні дослідження перед тим, як дійсно починати проектування та розробку таких комп’ютерів. Наразі ми не розуміємо, як їх проектувати та будувати».

Фінансування екзафлопсного проекту залишається під питанням. Схвалені урядом кошти в обсязі 73 млн. доларів покривають лише початкові роботи, а на фінансування самого проекту грошей ще не виділено. «Ми не очікуємо, що фінансування почнеться раніше 2014 року», – каже Гарод.

Фінансовий 2014 рік починається 1 жовтня 2013 року. Але поточні бюджетні проблеми Конгресу, зокрема боргова криза, додають Гароду лише песимізму: «Чесно кажучи, зараз я дуже сумніваюсь у можливості фінансування. Бюджет – найбільша проблема. Поки немає бюджету, я не знаю, що я роблю».

Теги: HPC, високопродуктивні обчислення, екзафлопс, енергоефективність, паралельне програмування, суперкомп'ютер

Матеріали за темою:

Коментарі