(Sierra-supertietokone Lawrence Livermoren kansallisessa laboratoriossa Kaliforniassa.)

Yhdysvallat kilpailee Kiinan kanssa nopeimpien supertietokoneiden rakentamisesta, joten saatat ihmetellä, miten näitä jättimäisiä koneita käytetään.

Supertietokoneessa voi olla satojatuhansia prosessoriytimiä, ja se voi vaatia kokonaisen rakennuksen majoittamista ja jäähdyttämistä – puhumattakaan miljoonista dollareista, jotka kuluisivat niiden luomiseksi ja ylläpitämiseksi. Näistä haasteista huolimatta niitä on kuitenkin tulossa yhä enemmän, kun Yhdysvallat ja Kiina kehittävät uusia ”exascale”-supertietokoneita, jotka lupaavat viisinkertaisen suorituskyvyn lisäyksen nykyisiin johtaviin järjestelmiin verrattuna.

Kuka siis tarvitsee kaikkea tätä laskentatehoa ja mihin? Selvittääkseen asian PCMag vieraili Lawrence Livermoren kansallisessa laboratoriossa Kaliforniassa, jossa on useita supertietokoneita, muun muassa maailman toiseksi nopein, Sierra. Siellä saimme tietää, miten järjestelmäinsinöörit ylläpitävät koneita, jotka palvelevat tieteellisiä tutkijoita mutta myös testaavat jotakin, mitä et ehkä odottaisi: ydinaseita.

Luokiteltu järjestelmä

Laboratorion supertietokoneita ylläpitää noin tuhat ihmistä, jotka luovat niille ohjelmia.

Kun vierailet Sierrassa, huomaat sanat ”classified” (luokiteltu) ja ”secret restricted data” (salainen, rajoitettu tieto), jotka on merkitty supertietokoneeseen, joka koostuu 240 palvelimen kaltaisesta telineestä. Varoitukset ovat olemassa, koska Sierra käsittelee tietoja, jotka koskevat Yhdysvaltain ydinasevarastoja, mukaan lukien sitä, miten aseiden pitäisi räjähtää todellisessa maailmassa.

Yhdysvallat teki viimeisen elävän ydinasekokeensa vuonna 1992. Siitä lähtien maa on käyttänyt supertietokoneita apuna kokeiden suorittamisessa virtuaalisesti, ja Sierra on osa tätä tehtävää. Kone valmistui viime vuonna ensisijaisesti auttamaan Yhdysvaltain hallitusta maan ikääntyvän ydinasearsenaalin tehokkuuden seurannassa ja testaamisessa, ja sitä on huollettava rutiininomaisesti.

”Ainoa tapa, jolla pelote toimii, on se, että tiedetään sen toimivan ja että myös vastustaja tietää ja uskoo sen toimivan”, sanoi laboratorion suurteholaskentajärjestelmien insinööri Adam Bertsch.

Esimerkkejä laboratorion supertietokonekeskuksessa suoritetuista simulaatioista. Vasemmalla on fuusioenergian tutkimuskoe, jossa polttoainekohdetta kuumennetaan ja puristetaan 192 laserilla. Oikealla on hydrodynamiikkaan liittyvä simulaatio ”kolmen pisteen shokkivuorovaikutuksesta.”

Ei ole yllättävää, että ydinräjähdyksen simulointi vaatii paljon matematiikkaa. Tieteen perusperiaatteilla voidaan ennustaa, miten hiukkaset vuorovaikuttavat keskenään eri olosuhteissa. Yhdysvaltain hallituksella on myös hallussaan vuosikymmenten aikana kerättyjä tietoja todellisista ydinkokeista. Tutkijat ovat yhdistäneet nämä tiedot luodakseen yhtälöitä tietokonemallien sisälle, joilla voidaan laskea, miten ydinräjähdys räjähtää ja miten se muuttuu ajan mittaan.

Välttämättä yrität kartoittaa ketjureaktiota. Jotta malleista saataisiin tarkkoja, ne on suunniteltu ennustamaan ydinräjähdys molekyylitasolla käyttäen todellista fysiikkaa. Haasteena on, että sen laskeminen, mitä kaikki nämä hiukkaset tekevät, vaatii paljon numeroiden murskaamista.

Syötä Sierra. Supertietokoneessa on 190 000 CPU-prosessoriydintä ja 17 000 GPU-ydintä. Kaikki tämä laskentateho tarkoittaa, että se voi ottaa valtavan tehtävän, kuten ydinfission simuloinnin, ja pilkkoa sen pienempiin osiin. Kukin ydin voi sitten käsitellä pienen osan simulaatiosta ja välittää tulokset muulle koneelle. Prosessi toistuu yhä uudelleen ja uudelleen, kun supertietokone yrittää mallintaa ydinräjähdystä sekunnista toiseen.

”Tietokoneessa voidaan tehdä täydellinen ydinlaitteen simulointi”, Bertsch lisäsi. ”Voit selvittää, että se toimii, kuinka hyvin se tarkalleen ottaen toimii ja millaisia vaikutuksia tapahtuisi.”

Tutkimuskone

Kaapeliklusterit auttavat Sierraa vaihtamaan tietoja. Toisissa kaapeleissa on vettä, jotta järjestelmä pysyy viileänä.

Supertietokoneen kyky laskea ja mallintaa hiukkasten vuorovaikutuksia on syy, miksi siitä on tullut niin tärkeä työkalu tutkijoille. Tavallaan reaktioita tapahtuu kaikkialla ympärillämme. Tällaisia voivat olla esimerkiksi sää, miten tähti muodostuu tai kun ihmisen solut joutuvat kosketuksiin lääkkeen kanssa.

Supertietokone voi simuloida kaikkia näitä vuorovaikutuksia. Tutkijat voivat sitten käyttää tietoja saadakseen hyödyllisiä oivalluksia, esimerkiksi siitä, sataako huomenna, pitääkö uusi tieteellinen teoria paikkansa tai onko tuleva syöpähoito lupaava.

Samojen tekniikoiden avulla teollisuus voi myös tutkia lukemattomia uusia malleja ja selvittää, mitkä niistä ovat kokeilemisen arvoisia reaalimaailmassa. Siksi laboratorio on kokenut valtavaa kysyntää kahdelle kymmenelle supertietokoneelleen.

”Ei ole väliä, kuinka paljon laskentatehoa meillä on ollut, ihmiset käyttävät sen loppuun ja pyytävät lisää”, Bertsch sanoi.

Se selittää myös, miksi Yhdysvaltain hallitus haluaa exascale-supertietokoneen. Ylimääräisen laskentatehon ansiosta tutkijat voivat kehittää edistyneempiä simulaatioita, kuten entistä pienempien hiukkasten vuorovaikutusten uudelleenluomista, mikä voi tasoittaa tietä uusille tutkimusläpimurroille. Exascale-järjestelmät pystyvät myös saattamaan nykyiset tutkimushankkeet päätökseen lyhyemmässä ajassa. ”Siihen, mihin aiemmin piti käyttää kuukausia, saattaa kulua vain tunteja”, Bertsch lisäsi.

Tutkija on yhteydessä laboratorion supertietokoneeseen verkossa Linux-tietokoneen kautta. ”Työ” voidaan asettaa jonoon yksinkertaisesti komentorivisovelluksella.

Sierra on osa salaista verkkoa, joka ei ole yhteydessä julkiseen internetiin ja joka on noin 1 000 hyväksytyn tutkijan käytettävissä liitännäisissä tieteellisissä ohjelmissa. Noin 3 000 ihmistä tekee tutkimusta luokittelemattomilla supertietokoneilla, jotka ovat käytettävissä verkossa, jos sinulla on käyttäjätili ja oikeat kirjautumistiedot. (Anteeksi, Bitcoin-louhijat.)

”Meillä on ihmisiä, jotka ostavat tietokoneen hankinta-aikana”, Bertsch sanoi. ”Rahamäärä, jonka laitat sisään, korreloi ostamasi koneen prosenttiosuuden kanssa.”

Ajoitusjärjestelmää käytetään varmistamaan ”reilu osuutesi” koneen kanssa. ”Se yrittää ohjata käyttösi kohti sinulle osoitettua prosenttiosuutta”, Bertsch lisäsi. ”Jos olet käyttänyt ajan mittaan vähemmän kuin reilun osuutesi, prioriteettisi nousee, ja sinut ajetaan aikaisemmin.”

Simulaatiot ovat aina käynnissä. Yksi supertietokone voi ajaa tuhansia tehtäviä milloin tahansa. Kone voi myös käsitellä niin sanottua ”sankarijuoksua” eli yksittäistä työtä, joka on niin suuri, että sen suorittamiseen kohtuullisessa ajassa tarvitaan koko supertietokone.

Keeping It Up And Running

Toisen supertietokoneen, Sequoian, sisukset. Yksi teline ei eroa liikaa palvelimesta.

Sierra on supertietokone, mutta kone on tehty pitkälti tavaraosista. Esimerkiksi prosessorit ovat IBM:n ja Nvidian yritystason siruja, ja itse järjestelmä käyttää Red Hat Enterprise Linuxia, joka on suosittu käyttöjärjestelmä palvelintoimittajien keskuudessa.

”Aikaisemmin supertietokoneet olivat näitä monoliittisia, isoja, esoteerisia laitteistomöhkäleitä”, sanoo laboratorion suurteholaskentaratkaisujen arkkitehti Robin Goldstone. ”Nykyään maailman suurimmatkin järjestelmät ovat pohjimmiltaan vain joukko toisiinsa liitettyjä palvelimia.”

Voidakseen maksimoida hyötynsä Sierran kaltaisen järjestelmän on kyettävä suorittamaan erilaisia tutkimuksia. Niinpä laboratorio lähti luomaan monikäyttöistä konetta. Mutta edes supertietokone ei ole täydellinen. Laboratorio arvioi, että joka 12. tunti Sierrassa tapahtuu virhe, johon voi liittyä laitteistovika. Se saattaa kuulostaa yllättävältä, mutta ajattele, että se on kuin omistaisi 100 000 tietokonetta; viat ja korjaukset ovat väistämättömiä.

”Yleisimpiä vikoja ovat luultavasti muistin DIMM-muistit, virtalähteet ja tuulettimet”, Goldstone sanoi. Onneksi Sierra on niin valtava, että siinä on runsaasti kapasiteettia. Supertietokone luo myös rutiininomaisesti muistin varmuuskopioita siltä varalta, että jokin vika keskeyttää jonkin projektin.

”Jossain määrin tämä ei ole aivan samanlainen kuin tietokone, joka sinulla on kotona, mutta maku siitä”, Goldstone lisäsi. ”Otetaan esimerkiksi pelaajat, joilla on pakkomielle saada nopein muisti ja nopein näytönohjain, ja se on sama asia, josta meillä on pakkomielle. Haasteena meillä on se, että meillä on niin monta yhtä aikaa käynnissä.”

Supertietokoneiden alapuolella on putkistojärjestelmä, joka lähettää ylös huoneenlämpöistä vettä pitämään koneet viileinä. Sierra on 80-prosenttisesti vesijäähdytteinen ja 20-prosenttisesti ilmajäähdytteinen.

Sierra itsessään sijaitsee 47 000 neliömetrin kokoisessa huoneessa, joka täyttyy laitteistoa viileänä pitävien tuulettimien melusta. Koneen alapuolella on rakennuksen vesipumppujärjestelmä. Joka minuutti se voi lähettää tuhansia gallonoita putkiin, jotka sitten syöttävät supertietokoneen telineisiin ja kierrättävät vettä takaisin ulos.

Voiman osalta laboratorio on varustettu niin, että se pystyy syöttämään 45 megawattia – eli tarpeeksi sähköä pienelle kaupungille. Noin 11 näistä megawateista on delegoitu Sierralle. Supertietokoneen virrankulutus voi kuitenkin toisinaan aiheuttaa valituksia paikallisilta energiayhtiöiltä. Kun jokin sovellus kaatuu, koneen energiantarve voi yhtäkkiä pudota useita megawatteja.

Energiatoimittaja ”ei pidä siitä lainkaan. Koska heidän on pudotettava kuormaa. He maksavat sähköstä”, Goldstone sanoi. ”He ovat soittaneet meille puhelimessa ja sanoneet: ’Voitteko olla tekemättä tuota enää?'”

Exascale-tulevaisuus

Viime vuonna Sequoia sijoittui maailman kymmenenneksi nopeimmaksi supertietokoneeksi. Se korvataan kuitenkin pian tehokkaammalla koneella.

Lawrence Livermore National Labissa toimii myös toinen supertietokone nimeltä Sequoia, joka hallitsi hetken aikaa maailman huippujärjestelmänä vuonna 2012. Laboratorio aikoo kuitenkin vetää sen eläkkeelle myöhemmin tänä vuonna tehdäkseen tilaa suuremmalle ja paremmalle supertietokoneelle nimeltä El Capitan, joka kuuluu Yhdysvaltain hallituksen suunnittelemiin exascale-supertietokoneisiin.

Sen odotetaan käynnistyvän vuonna 2023. Mutta se ei tule olemaan yksin. El Capitan liittyy kahteen muuhun exascale-järjestelmään, joiden rakentamiseen Yhdysvallat käyttää yli miljardi dollaria. Molemmat valmistuvat vuonna 2021 erillisiin laboratorioihin Illinoisissa ja Tennesseessä.

”Jossain vaiheessa mietin koko ajan: ”Eikö se ole tarpeeksi nopea?”. Kuinka paljon nopeampia me todella tarvitsemme näiden tietokoneiden olevan?”’” Goldstone sanoi. ”Mutta kyse on pikemminkin siitä, että pystymme ratkaisemaan ongelmia nopeammin tai tutkimaan ongelmia korkeammalla resoluutiolla, jotta voimme todella nähdä jotain molekyylitasolla.”

Mutta supertietokoneteollisuuden on lopulta innovoitava. On yksinkertaisesti kestämätöntä jatkaa suurempien koneiden rakentamista, jotka kuluttavat enemmän tehoa ja vievät enemmän fyysistä tilaa. ”Työnnämme sen rajoja, mihin nykyteknologia pystyy”, hän sanoi. ”On edistyttävä muillakin aloilla kuin perinteisillä piipohjaisilla laskentasiruilla, jotta pääsemme seuraavalle tasolle.”

Sillä välin laboratorio on työskennellyt IBM:n ja Nvidian kaltaisten toimittajien kanssa ratkaistakseen välittömiä pullonkauloja, kuten parantamalla supertietokoneen verkkoarkkitehtuuria niin, että se voi kommunikoida nopeasti eri klustereiden välillä, sekä parantamalla komponenttien luotettavuutta. ”Prosessorin nopeudella ei ole enää väliä”, hän lisäsi. ”Niin nopeita kuin prosessorit ovatkin, muistin kaistanleveys rajoittaa meitä.”

Laboratorio ilmoittaa tulevaisuudessa lisää yksityiskohtia El Capitanista. Mitä tulee tietokoneeseen, jonka se korvaa, Sequoiaan, järjestelmä on matkalla kohti unohdusta.

Turvallisuussyistä laboratorio aikoo jauhaa koneen jokaisen palan ja kierrättää sen jäänteet. Supertietokoneet voivat päätyä hallituksen turvaluokiteltujen tietojen pyörittämiseen, joten on elintärkeää, että kaikki jäljet näistä tiedoista puhdistetaan kokonaan – vaikka se tarkoittaisi koneen muuttamista romuksi. Tämä saattaa kuulostaa äärimmäiseltä, mutta virheitä voi sattua, kun tietoja yritetään poistaa virtuaalisesti, joten laboratorion on oltava täysin varma, että tiedot ovat lopullisesti poissa.