Supercomputere på spring fra peta til exa
Behovet for regnekraft synes næsten umætteligt. Det oplever vi med vores egne pc’er, tablets og mobiltelefoner – men mest tydeligst ses det nok med de største af verdens computere.
I mange år var det amerikanerne, som havde de største, men i de senere år er kineserne gået i front.
På den seneste top-500-liste fra november 2017 ligger to kinesiske supercomputere øverst efterfulgt af supercomputere i Schweiz, Japan og så endelig en amerikansk på femtepladsen. 202 af de 500 største supercomputere findes i Kina.
Her og andre steder knækker de problemer inden for blandt andet klimamodellering, biotek og astrofysik.
Men USA har ikke til sinds uden videre at overlade tronen til Kina. Under installation er en ny supercomputer, Summit, ved Oak Ridge National Laboratory, der bliver mere end dobbelt så hurtig som den nuværende kinesiske nummer et, Sunway TaihuLight.
Summit vil kunne levere 200 millioner milliarder beregninger i sekundet (200 x 10^15 flops eller 200 petaflops – se boks). Men det er heller ikke nok til alle anvendelser, og derfor vil de første computere inden for få år passere den symbolske grænse 10^18 flops (1 exaflops).
Men at gå fra 200 petaflops til 1 exaflops er ikke blot at gange alt med 5. Det fører til computere, der vil sluge alt for meget strøm. Der skal nytænkning til.
Sluger al energi fra kernekraftværk
Med Moores lov i baglommen har det været rimelig let at forudsige udviklingen inden for regnekraft.
Derfor kunne man i 2007 forudse, at exaskala-computere kunne blive virkelighed omkring 2015, hvis udviklingen fortsatte i samme tempo – det gjorde den så ikke helt, men næsten.
Det amerikanske forsvarsministeriums forskningsorganisation, Darpa, nedsatte på dette tidspunkt en projektgruppe under ledelse af Peter Kogge fra University of Notre Dame, der i 2008 udkom med en rapport over de tekniske udfordringer for nå exaniveauet.
Den var lidt af en øjenåbner.
Artiklen fortsætter under grafikken
Hvis man skulle opskalere den største supercomputer, der på daværende tidspunkt var under opbygning, til exaskala, ville det kræve en effekt på 1,5 GW – eller sit helt eget kernekraftværk.
Som Peter Kogge forklarede, var exaskalacomputernes tre hovedproblemer energi, energi og energi.
I lyset af den generelle teknologiske udvikling kom han for to år siden med et mere optimistisk bud, der lød på ‘kun’ 180-425 MW. Men stadig helt uantageligt. I dag er man klar over, at exaskala-computere vil kunne konstrueres med et langt lavere effektforbrug.
Udviklingen kan illustreres med forskellen på den nuværende største amerikanske supercomputer Titan og den kommende største Summit. Hvor Titan består af 18.688 knudepunkter, der hver kan levere 1,4 teraflops, så vil Summit kun få omkring 4.600 knudepunkter, der til gengæld hver kan yde mere end 40 teraflops.
Forskellen ligger først og fremmest i, at et knudepunkt i Titan indeholder en CPU og en GPU, mens det hos Summit vil bestå af to CPU’er og seks GPU’er.
Hvor Titan kræver 8,2 MW, kan den mere end ti gange hurtigere Summit nøjes med 15 MW, så hvor Titan leverer ca. 2 gigaflops pr. watt, kommer Summit op på ca. 13 gigaflops pr. watt.
Oak Ridge National Laboratory skriver dog i deres omtale af Summit, at ydeevnen alt i alt vil være revolutionært bedre baseret på evolutionære forandringer i systemarkitekturen.
Evolutionær udvikling fører dog ikke til en exaskala-supercomputer. Selv hvis man ganger Summit med 5 og indregner gradvise forbedringer, vil man stadig ende med et alt for højt effektforbrug.
Derfor har USA et helt separat projekt ved navn Aurora, der sigter efter en exaskala-computer med et effektforbrug på 40 MW, dvs. mindst 25 gigaflops pr. watt.
Aurora-projektet er blevet omdefineret flere gange de senere år, og tidsplanen lyder nu på en færdig computer i 2021.
Intel, der har fået opgaven med at udvikle nye chips, oplyser, at man helt har opgivet at lave en videreudvikling af sine nuværende highperformance chips og er begyndt helt forfra i sit design – men har ikke røbet så meget derudover.
Kina, EU og Japan
Selv om nytten af supercomputere ikke alene afhænger af, hvor hurtigt de kan regne og klare sig i en bestemt test, så har Kina naturligvis ikke tænkt sig uden videre at opgive sin førerrolle.
South China Morning Post skrev i august, at Kina forventer at have en exaskala-computer klar allerede i 2019, der bl.a. skal analysere data fra verdenshavene med henblik på at understøtte Kinas maritime udviklingsplaner.
Supercomputere ranglistes efter deres evne til at løse et system af n x n lineære ligninger Ax = b. Denne såkaldte Linpack benchmark er udviklet af Jack Dongarra fra University of Tennessee og Oak Ridge National Laboratory, der en af de fire nuværende bagmænd bag top-500- listen, der opdateres halvårligt, og som har eksisteret siden 1993. Listen angiver, hvor hurtigt denne beregning kan udføres i flydendetals operationer pr. sekund – flops. Værdien angives i tusinder milliarder flops eller teraflops (TFlops) og betegnes Rmax. Den teoretiske højeste ydeevne, der betegnes Rpeak, er typisk 20-30 pct. højere end Rmax – i visse tilfælde meget højere. Top-500-listen indeholder desuden information om, hvor store lineære ligningssystemer, der kan løses. Denne værdi kaldes Nmax og er for de allerstørste supercomputere i dag omkring 10 milliarder. Det er værd at bemærke, at Linpack benchmark ikke siger noget om en bestemt supercomputers evne til at løse en bestemt dedikeret opgave, som kan adskille sig fra en løsning af et lineært ligningssystem.Supercomputernes speedometer
Efter at USA i 2015 indførte et forbud mod salg af hurtige processorer til supercomputercentre i Kina, er de kinesiske supercomputere blevet opbygget med egenproducerede og forholdsvis traditionelle processorer, som dog er optimeret på forskellig vis. Derfor har Sunway TaihuLight en acceptabel ydevene på 6 gigaflops pr. watt – klart bedre end eksempelvis Titan.
Men yderligere optimeringer er nødvendige for at nå 25 gigaflops pr. watt eller endnu højere. Kina sigter nemlig efter at holde det samlede effektforbrug for en exaskala-computer under 30 MW.
Ud over USA og Kina har EU og Japan også exa-planer.
Syv EU-lande med Frankrig og Tyskland i spidsen har tidligere i år underskrevet en deklaration om etablering af et fælleseuropæisk EuroHPC-projekt (HPC for High-Performance Computing) opbygget i samme stil som Airbus og satellitnavigationssystemet Galileo.
Målet er at have en exaskalasupercomputer baseret på europæisk teknologi i den globale top-3 i 2022-2023.
Japans har flere exa-planer, der sigter mod at have en computer klar senest på samme tidspunkt. Den ene hedder Post-K, idet der er tale om videreudvikling af K-computeren, der i øjeblikket indtager 10.-pladsen på top-500-listen over verdens største supercomputere.
Den andet tager udgangspunkt i verdens i dag mest energieffektive supercomputer, Shoubu, der kan levere 17 gigaflops pr. watt.
Hvis man kunne forestille sig, at det var muligt helt simpelt at opskalere Shoubo, der på den samlede liste indtager plads nr. 259, vil en sådan maskine kunne levere 1 exaflops for 60 MW. Så er man tæt på målet.
De stigende tekniske udfordringer har betydet, at exaskala-supercomputeren har taget noget længere at udvikle, end man troede for ti år siden, men nu er den på vej.
