Αγωνιζόμενοι για να ανταποκριθούν στην αυξανόμενη ισχύ των υπολογιστών της Κίνας, οι Η.Π.Α. σκιαγραφούν το σχεδιασμό για τον υπολογιστή exascale

Το 1957, η εκτόξευση του δορυφόρου Sputnik οδήγησε τη Σοβιετική Ένωση στην πρώτη θέση στον διαστημικό αγώνα και γαλβάνισε τις Ηνωμένες Πολιτείες. Οι αμερικανοί ερευνητές υπερυπολογιστών αντιμετωπίζουν σήμερα τη δική τους στιγμή Sputnik—αυτή τη φορά με την Κίνα. Αφού κυριαρχούσαν στην κατάταξη των υπερυπολογιστών για δεκαετίες, οι Ηνωμένες Πολιτείες είναι τώρα τόσο πίσω που η συνδυασμένη ισχύς των δύο κορυφαίων μηχανών στην Κίνα ξεπερνά εύκολα αυτή και των 21 υπερυπολογιστών που λειτουργεί το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE), ο κορυφαίος χρηματοδότης υπερυπολογιστών της χώρας .

Αλλά τώρα, οι Αμερικανοί ερευνητές υπερυπολογιστών αντεπιτίθενται. Οι μηχανικοί στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge του DOE στο Τενεσί έχουν σχεδόν ολοκληρώσει το Summit, έναν υπολογιστή με διπλάσια ισχύ από την κορυφαία κινεζική μηχανή, το Sunway TaihuLight στο Wuxi. Όταν τεθεί σε πλήρη λειτουργία αυτό το καλοκαίρι, το Summit θα πραγματοποιήσει 200 ​​εκατομμύρια δισεκατομμύρια πράξεις κινητής υποδιαστολής ανά δευτερόλεπτο (petaflops). Ακόμη πιο πολλά υποσχόμενοι, οι επιστήμονες συναντώνται στο Νόξβιλ του Τενεσί, αυτή την εβδομάδα για να ρίξουν την πρώτη τους λεπτομερή ματιά στα σχέδια για το επόμενο μεγαθήριο των ΗΠΑ, τον πρώτο του υπερυπολογιστή των 1000 petaflop—1 exaflop ή exascale—, που θα κατασκευαστεί έως το 2021 στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne στο Lemont του Ιλινόις. Αυτό είναι 2 χρόνια νωρίτερα από το προγραμματισμένο. "Είναι μια αρκετά συναρπαστική στιγμή", λέει ο Aiichiro Nakano, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Καλιφόρνια στο Λος Άντζελες που χρησιμοποιεί υπερυπολογιστές για να μοντελοποιήσει υλικά που παράγονται από στοίβες ατομικών φύλλων όπως το γραφένιο.

Με την ονομασία A21, ο υπολογιστής Argonne θα κατασκευαστεί από την Intel και την Cray και αναμένεται να υπερφορτίσει τις προσομοιώσεις όλων, από το σχηματισμό γαλαξιών έως τις τυρβώδεις ροές αερίου κατά την καύση. "Με την κλίμακα exa μπορούμε να βάλουμε πολύ περισσότερη φυσική εκεί", λέει ο Choong-Seock Chang, ένας φυσικός στο Εργαστήριο Φυσικής Πλάσματος του Πρίνστον στο Νιου Τζέρσεϊ, ο οποίος σχεδιάζει να χρησιμοποιήσει το A21 για να μοντελοποιήσει τη φυσική του πλάσματος μέσα σε έναν αντιδραστήρα σύντηξης.

Η Κίνα και πιθανώς η Ιαπωνία εξακολουθούν να είναι πιθανό να φτάσουν πρώτα στη γη της υποσχεθείσας κλίμακας. Αλλά εάν ολοκληρωθεί εντός του χρονοδιαγράμματος, το A21 θα μπορούσε να εμποδίσει τις Ηνωμένες Πολιτείες να γλιστρήσουν πολύ πίσω. Ο ταχύτερος ρυθμός αντανακλά την αλλαγή στρατηγικής από τους αξιωματούχους της DOE το περασμένο φθινόπωρο. Αρχικά, ο οργανισμός δημιούργησε μια προσέγγιση "δύο λωρίδων" για να ξεπεράσει τις προκλήσεις μιας μηχανής exascale, ιδιαίτερα μια δυνητικά αιχμηρή όρεξη για ηλεκτρική ενέργεια που θα μπορούσε να απαιτήσει την παραγωγή ενός μικρού πυρηνικού εργοστασίου.

Ο οργανισμός είχε χρηματοδοτήσει δύο μηχανές, και τα δύο σκαλοπατήματα στην κλίμακα exa, που θα ακολουθούσαν διαφορετικές προσεγγίσεις για τη μείωση της ζήτησης ενέργειας. Η IBM και ο συνεργάτης της NVIDIA, οι κατασκευαστές του Summit, έχουν επικεντρωθεί στο συνδυασμό κεντρικών μονάδων επεξεργασίας (CPU) με μονάδες γραφικής επεξεργασίας, οι οποίες είναι ταχύτερες και πιο αποτελεσματικές για υπολογισμούς που εμπλέκονται σε πολύπλοκες οπτικές προσομοιώσεις. Η Intel και η Cray, εν τω μεταξύ, έχουν εδώ και καιρό στόχο να αυξήσουν τον αριθμό των «πυρήνων» της CPU που λειτουργούν παράλληλα και να δημιουργούν γρήγορους δεσμούς μεταξύ τους. Η στρατηγική τους προοριζόταν να οδηγήσει σε μια αδερφή 180 petaflop για τη Σύνοδο Κορυφής, που ονομάζεται Aurora, που θα κατασκευαστεί στο Argonne.

Το 2015, η DOE περίμενε ότι η Aurora θα είχε τελειώσει φέτος, με την πρώτη μηχανή εξάκλιμακα των ΗΠΑ να εμφανιστεί το 2023. Στη συνέχεια, η Κίνα ανακοίνωσε ένα 5ετές σχέδιο που καθόριζε τον στόχο μιας μηχανής exascale μέχρι το τέλος του 2020. Οι Ηνωμένες Πολιτείες δεν ήταν». Αν απλώς υστερούσε, ήταν έτοιμος να περιτριγυριστεί.

«Υπήρχε πολύ άγχος στο DOE των ΗΠΑ, στην Εθνική Υπηρεσία Πυρηνικής Ασφάλειας και στη βιομηχανία», λέει ο Chang. Η DOE άλλαξε τακ. Διέλυσε τα σχέδια για το Aurora και το αντικατέστησε με το A21, ένα μηχάνημα πέντε φορές μεγαλύτερο. Αυτό ώθησε την ημερομηνία κυκλοφορίας πίσω στο 2021, αλλά επειδή επρόκειτο να είναι το πρώτο μηχάνημα exascale των ΗΠΑ, ώθησε επίσης αποτελεσματικά το χρονοδιάγραμμα των ΗΠΑ κατά 2 χρόνια.

Το να παρακάμψετε το ενδιάμεσο βήμα του Aurora είναι επικίνδυνο, λέει ο Kenneth Jansen, μηχανικός αεροδιαστημικής στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο στο Boulder. «Σημαίνει ότι ένα από τα σκαλοπατάκια δεν θα είναι εκεί». Ωστόσο, άλλοι λένε ότι είναι ένα ρίσκο που αξίζει να το πάρεις. "Αυτός είναι ο σωστός τρόπος για να το κάνετε", λέει ο Thom Dunning, ένας υπολογιστικός χημικός στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο Σιάτλ.

Οι λεπτομέρειες της αρχιτεκτονικής του A21 παραμένουν αυστηρά προστατευμένες για την προστασία της αποκλειστικής τεχνολογίας. Αλλά στους επιστήμονες που γράφουν λογισμικό για το νέο μηχάνημα θα δοθούν λεπτομερείς ενημερώσεις για τη νέα αρχιτεκτονική αφού υπογράψουν συμφωνίες μη αποκάλυψης. Μερικές από τις πρώτες ενημερώσεις πραγματοποιούνται αυτή την εβδομάδα στο Knoxville στη δεύτερη ετήσια συνάντηση Exascale Computing Project.

Ερευνητές που είναι ήδη εξοικειωμένοι με τα σχέδια λένε ότι το μηχάνημα δεν μοιάζει με κανένα που έχουν δει ποτέ πριν. "Το A21 είναι μια πολύ διαφορετική αρχιτεκτονική", λέει ο Chang. Σε γενικές γραμμές, λέει, ο σχεδιασμός εστιάζει στη μείωση της ανάγκης μετακίνησης δεδομένων σε μεγάλες αποστάσεις μεταξύ των επεξεργαστών, μια ενεργειακά δαπανηρή διαδικασία. Λέει ότι το νέο μηχάνημα πιθανότατα θα απαιτήσει 25 έως 30 μεγαβάτ ισχύος, μόνο περίπου διπλάσια από αυτή του Summit. Ερωτηθείς εάν πιστεύει ότι η Intel θα είναι σε θέση να αναπτύξει τη νέα αρχιτεκτονική, ο Chang είπε, "Είμαι βέβαιος ότι θα το κάνουν."

Μια εξωτερική πρόκληση θα μπορούσε να είναι τα χρήματα. Το Κογκρέσο δεν έχει ακόμη εγκρίνει τον δημοσιονομικό προϋπολογισμό του 2018 και αντ' αυτού έχει χρηματοδοτήσει την κυβέρνηση μέσω μιας σειράς συνεχιζόμενων ψηφισμάτων που διατηρούν τα επίπεδα χρηματοδότησης στα ίδια με το προηγούμενο έτος, ενώ απαγορεύουν την έναρξη νέων έργων, όπως η κατασκευή της μηχανής Α21. Προς το παρόν, αυτό δεν είναι πρόβλημα, επειδή το DOE εξακολουθεί να είναι σε θέση να υποστηρίξει τις υποκείμενες επιστημονικές εξελίξεις ως μέρος του υπάρχοντος Exascale Computing Project, λέει ο Jack Dongarra, ειδικός στους υπερυπολογιστές στο Πανεπιστήμιο του Tennessee στο Knoxville. Σύντομα όμως θα είναι καιρός να ξεκινήσουμε την κατασκευή τσιπ για το A21, το οποίο αναμένεται να κοστίσει μεταξύ 300 και 600 εκατομμυρίων δολαρίων, σύμφωνα με την εταιρεία ερευνών αγοράς Hyperion Research. "Το 2021 θα υπάρχει ο προϋπολογισμός για να γίνει αυτό;" ρωτά ο Horst Simon, ειδικός στους υπερυπολογιστές και αναπληρωτής διευθυντής του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Berkeley στο Μπέρκλεϋ της Καλιφόρνια. "Δεν ξέρω."

Σχετική ιστορία

Ο προγραμματισμένος υπολογιστής exascale της Κίνας απειλεί τη θέση της Summit στην κορυφή

Του Robert F. Service

Αυτό το καλοκαίρι, όταν οι μηχανικοί γυρίζουν τον διακόπτη στο Summit, έναν υπερυπολογιστή που συναρμολογείται στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge στο Τενεσί, το μηχάνημα αναμένεται να είναι το πιο ισχυρό στον κόσμο. Αυτό θα επέστρεφε τις Ηνωμένες Πολιτείες στην κορυφή της κατάταξης υπερυπολογιστών για πρώτη φορά από τον Ιούνιο του 2013, όταν έχασαν την πρώτη θέση από την Tianhe-2, μια μηχανή που στεγάζεται στο Εθνικό Κέντρο Υπερυπολογιστών της Κίνας στο Guangzhou.

«Φυσικά, ελπίζαμε ότι θα μπορούσαμε να έχουμε [το κορυφαίο μηχάνημα] για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα», λέει ο Depei Qian, επιστήμονας υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο Beihang στο Πεκίνο. "Αλλά οι κρατικές υπηρεσίες κατανοούν ότι καμία χώρα δεν μπορεί να είναι Νο 1 για πάντα."

Στο παγκόσμιο παιχνίδι του υπερυπολογιστικού άλματος, η Κίνα είναι πιθανό να πάρει πίσω τον τίτλο από τις Ηνωμένες Πολιτείες όταν κατασκευάσει τον πρώτο υπολογιστή exascale:ένα μηχάνημα ικανό για 1 δισεκατομμύριο δισεκατομμύρια λειτουργίες κινητής υποδιαστολής ανά δευτερόλεπτο ή 1 exaflop. Σύμφωνα με το 13ο 5ετές Σχέδιο της χώρας, το οποίο κυκλοφόρησε το 2015, η Κίνα έχει δεσμευτεί να λανσάρει τον πρώτο της υπερυπολογιστή exascale μέχρι το τέλος του 2020. Αυτό θα μπορούσε να την φέρει έναν ολόκληρο χρόνο μπροστά από τον A21, τον πρώτο υπερυπολογιστή exascale των ΗΠΑ, που έχει προγραμματιστεί να κυκλοφορήσει το 2021 Η Ιαπωνία στοχεύει επίσης για ένα μηχάνημα exascale με διάδοχο του υπερυπολογιστή K της στο RIKEN Advanced Institute for Computational Science στο Κόμπε, αν και ο επικεφαλής του έργου έχει πει ότι η παράδοσή του μπορεί να κυλήσει μέχρι το 2021 ή το 2022. Τέλος, η Ευρωπαϊκή Ένωση θα μπορούσε να υπερβεί το κατώφλι της εξακλίμακας το 2021, σύμφωνα με την εταιρεία ερευνών αγοράς Hyperion Research.

Αλλά αυτό δεν θα είναι το τέλος του αγώνα. Οι τέσσερις δυνάμεις υπερυπολογιστών είναι πεπεισμένες ότι πρέπει να ξεπεράσουν τα σύνορα προκειμένου να ανταγωνιστούν σε ένα ευρύ φάσμα επιστημονικών κλάδων, αμυντικής τεχνολογίας, βιομηχανικής τεχνολογίας και προϊόντων υπολογιστών. «Όλοι κινούνται όσο πιο γρήγορα μπορούν», λέει ο Jack Dongarra, ειδικός στους υπερυπολογιστές στο Πανεπιστήμιο του Tennessee στο Knoxville που παρακολουθεί στενά τις διεθνείς προσπάθειες υπερυπολογιστών. Και μόλις περάσουν το ένα κατώφλι, λέει, "τότε περνάει στο επόμενο."

Με επιπλέον αναφορές από τον Dennis Normile.