Bez superpočítačů se věda neobejde. Na čem pracují a kam spěje jejich vývoj?

Výpočetní možnosti superpočítačů se ve vědeckém bádání využívají čím dál častěji. Nasazují se tam, kde lidské matematické schopnosti nestačí nebo je třeba výpočty provést co nejrychleji. Kolik operací zvládnou spočítat? A proč vědci musí na jejich služby takříkajíc ‚stát ve frontě‘? Nejen na to jsme se ptali Jakuba Šístka z Matematického ústavu AV ČR.

Laik si superpočítač může představit jako velké množství spolupracujících běžných počítačů. Je to zjednodušená představa?

Taková představa není příliš vzdálená od pravdy. Jsou to vlastně takové šuplíky, které se zasadí do skříně (racku) a každý šuplík (uzel) je v podstatě počítač. Nejsou to ale plnohodnotné osobní počítače. Mají sice třeba i několik procesorů, grafických karet, pamětí, ale chybí jim například výstupy pro monitor, nebo pevné disky, které jsou řešeny odděleně. Tyto uzly jsou propojené pomocí výkonných síťových karet. Velké superpočítače pak mají desítky i stovky takových skříní.

Čím se superpočítač liší od spojení běžných počítačů je specifická architektura sítě. Síťová komunikace je ostatně to, co dělá superpočítač superpočítačem. Základem je, že všechny uzly jsou spojené velmi rychlou a důmyslnou sítí. Má kilometry kabelů, které zaručují co nejmenší zpoždění v komunikaci všech jednotek mezi sebou.

A co takový software? Jaké programy na superpočítačích najdu?

Typický operační systém superpočítače je dnes některá z variant Linuxu. Pak existuje celá řada programů, které vybereme podle toho, co bude superpočítač pro svou práci potřebovat.  Vědci ale samozřejmě píšou i svoje vlastní programy, které pro výpočty potřebují.

Je čas superpočítačů drahý? Musejí na jejich výpočetní schopnosti výzkumníci takzvaně čekat v řadě?

Ano, drahý rozhodně je. Není to tak, že by nějaký superpočítač ležel ladem a na ničem nepracoval. K přístupu je typicky potřeba projektová žádost s informací, kolik hodin bude výpočet asi vyžadovat. Z žádostí jsou pak vybrány vhodné projekty. Obvykle je tomu tak, že když se nějaký nový superpočítač spustí, fronta se velmi rychle zaplní.

Jak si můžeme představit výstup ze superpočítače? Jsou to tabulky, řada číslic, nebo už nějak graficky zpracované modely, mapy?

To hodně záleží na aplikaci. V Matematickém ústavu AV ČR máme blízko k simulacím fyzikálních dějů a na superpočítači počítáme většinou proudové pole nějaké tekutiny. Výsledky si pak ukládáme do souborů, které je možné zobrazit na jakémkoliv lepším PC.

Ovšem u náročných simulací, jako je třeba výpočet proudění vzduchu kolem celého letadla, by bylo výstupních dat příliš mnoho. Model se proto někdy vizualizuje rovnou, což dovoluje už během výpočtů sledovat, jestli nedochází k chybám. V tomto případě se vizualizace připojí přímo k probíhající simulaci bez ukládání rozsáhlých souborů.

U nejvýkonnějšího českého superpočítače, systému Karolina, který provozuje centrum IT4Innovations se uvádí, že má výkon až 15,7 petaFLOPů za vteřinu. Co to znamená?

Flop je operace sečtení nebo vynásobení dvou reálných čísel. Takže 15,7 PFlop/s znamená, že superpočítač při plném nasazení spočítá 15,7 × 1015 operací za vteřinu. Když to porovnáme s moderním laptopem, je to asi 40tisíckrát rychlejší systém.

Když už porovnáváme výkon superpočítače s obyčejným PC, tvoří je stejné komponenty? Tedy běžně dostupné čipy nebo paměti?

Víceméně ano, ale nebylo tomu tak vždy. Ještě v 90. letech se vyráběly komponenty speciálně pro využití v superpočítačích. Čas ale ukázal, že ačkoliv se finanční náklady na pořízení největších superpočítačů pohybují až v miliardách, trh je to malý a nevyplatí se navrhovat a dělat komponenty jen pro tohle využití. U procesorů změna přišla na přelomu milénia, u grafických karet kolem roku 2010. Technologie je tedy dnes u osobních počítačů velmi podobná jako u superpočítačů. V posledních letech se využívají také procesory architektury ARM, které najdeme v našich chytrých telefonech. Třeba v současnosti nejvýkonnější superpočítač na světě, japonský Fugaku, je postavený právě z takových procesorů. Díky tomu je také energeticky úsporný.

Když jsme u energií, jak náročný je superpočítač?

Energetická náročnost je vedle chlazení jedním z největších omezení v procesu zvětšování superpočítačů. Nepotřebují vlastní elektrárnu, ale spotřeba rozhodně není zanedbatelná. Největší superpočítače světa k práci potřebují i 30 megawattů příkonu elektrické energie. Úspornost je důležitá. To je ostatně vidět i na zřízení žebříčku Green500 energeticky nejúspornějších superpočítačů světa. Zde je měřítkem počet Flopů na Watt. Část Karoliny se umístila v listopadu 2021 na skvělém osmém místě.

Na jakých vědeckých projektech dnešní superpočítače nejčastěji pracují? Co je současným trendem výzkumu?

Pokud budeme vycházet z údajů centra IT4Innovations a já věřím, že ve světě bude situace podobná, můžeme se řídit podle jednotlivých vědních oborů. Superpočítače dnes přibližně dvě třetiny času pracují na výzkumech materiálových věd, což zahrnuje také výpočetní chemii. O té se ostatně říká, že její úlohy dovedou naplno využít libovolně silný počítač. Asi dvacet procent výpočetního času se věnuje výzkumu z oborů živé přírody. Následují úlohy z inženýrství, informatiky, aplikované matematiky či z oboru věd o neživé přírodě a astrofyziky. Konkrétně jde třeba o předpovídání počasí, studium klimatu, navrhování nových materiálů a léčiv, optimalizace výrobků pro jejich zefektivnění například v letectví nebo energetice.

A pokud se budeme bavit o Vašem vlastním výzkumu? K čemu superpočítač využíváte?

V Matematickém ústavu AV ČR vyvíjíme metody pro velmi rychlé řešení soustav lineárních rovnic. Ty pak využíváme pro výpočty nestlačitelného proudění a zabýváme se také možnostmi jejich vizualizace. Pomocí superpočítače testujeme nové metody. Ověřujeme, že fungují správně a dokážou takové složité výpočty urychlit. Často ale stojíme také před úlohou spočítat určitou konkrétní simulaci, třeba právě proudění, nebo vedení tepla v tělese. V tomto případě využíváme služeb superpočítače ne k vývoji metod, ale přímo k výpočtům.

Čím dál častěji se dozvídáme o vývoji superpočítačů, čteme o výzkumech, na nichž mají přímou zásluhu. Rozšiřuje se jejich uplatnění? Stávají se univerzálnějším vědeckým nástrojem?

Já jsem o tom přesvědčen. Říká se, že simulace jsou dnes vedle vědeckých teorií a experimentů třetím pilířem, na kterém vědecké bádání stojí. Počítačové simulace mají místo někde mezi onou teorií a experimentem. Většinu unikátních vědeckých simulací lze provést jen na superpočítačích. Výpočetní výkon narůstá, zlepšují se a zpřesňují jednotlivé matematické modely. Díky tomu se otevírají cesty k výzkumu, kde by experimenty nebyly možné nebo extrémně drahé. Může jít třeba o modelování kolizí černých děr, simulace explozí i přetížení mostu. 

A co humanitní a společenské vědy? Nacházejí i tam superpočítače své uplatnění?

Modely v humanitních oborech se stávají složitějšími a algoritmy pro jejich analýzu logicky vyžadují větší výpočetní kapacity. A zde nastupují superpočítače. Je patrné, že humanitní obory se s výpočetní technikou propojují a mezičlánkem může být umělá inteligence, která je na výkonných počítačích do značné míry závislá.

A kam směřuje další vývoj superpočítačů? Budou dál narůstat jejich výpočetní kapacity, získají nové schopnosti?

I dnes je aktuální stará otázka, jak superpočítače stavět. Přesněji, jestli je dělat univerzální. Každá úloha je trochu odlišná a pro každou by superpočítač v ideálním případě vypadal a fungoval trochu jinak. Dnes jsou superpočítače projektované tak, aby vyhovovaly všem a plnily libovolný úkol. Ale třeba strojové učení je už dnes natolik silný obor, že samotní výrobci komponent i celých systémů je navrhují právě pro účely úloh umělé inteligence. V historii se ale už ukázalo, že když byl určitý hardware příliš přizpůsobený k jedné určité aplikaci, tak na tom jiné obory tratily.

Vývoj naznačuje, že se v dalších letech budou stavět superpočítače s více komponentami a s možností částečné specializace pro určitou úlohu. Některé z těchto komponent pak budou lépe využity algoritmy strojového učení a jiné zase v technických výpočtech náročných na paměť. Tak už to vlastně trochu funguje i dnes.

Jan Hanáček, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR (3.2.2022)