Varför behöver vi superdatorer och vem anvÀnder dem?

Varför behöver vi superdatorer och vem anvÀnder dem?

Eftersom USA tÀvlar med Kina för att bygga de snabbaste superdatorer, kanske du undrar hur dessa jÀtte maskiner anvÀnds.

En superdator kan innehĂ„lla hundratusentals processorkĂ€rnor och krĂ€ver en hel byggnad för att hysa och svalna – för att inte tala om miljoner dollar för att skapa och underhĂ„lla dem. Men trots dessa utmaningar kommer allt fler att gĂ„ online nĂ€r USA och Kina utvecklar nya “exascale” superdatorer, som lovar en femfaldig prestandaförbĂ€ttring jĂ€mfört med nuvarande ledande system.

SÄ vem behöver all denna datorkraft och varför? För att fÄ reda pÄ besökte PCMag Lawrence Livermore National Laboratory i Kalifornien, som Àr hem för flera superdatorer, inklusive vÀrldens nÀst snabbaste, Sierra. Det var dÀr vi lÀrde oss hur systemingenjörer underhÄller maskinerna för att tjÀna vetenskapliga forskare men ocksÄ testar nÄgot du kanske inte förvÀntar dig: kÀrnvapen.

Ett klassificerat system

Sierra Supercomputer 2

NĂ€r du besöker Sierra kommer du att mĂ€rka orden “klassificerad” och “hemlig begrĂ€nsad data” publicerad pĂ„ superdatorn, som bestĂ„r av 240 serverliknande rack. Varningarna finns eftersom Sierra bearbetar data som involverar USA: s kĂ€rnkraftslager, inklusive hur vapnen ska detonera i den verkliga vĂ€rlden.

USA genomförde sitt senaste levande kÀrnvapentest 1992. Sedan dess har landet anvÀnt superdatorer för att praktiskt utföra experimenten, och Sierra Àr en del av det uppdraget. Maskinen fÀrdigstÀlldes förra Äret frÀmst för att hjÀlpa den amerikanska regeringen att övervaka och testa effektiviteten i landets Äldrande kÀrnvapenarsenal, som rutinmÀssigt mÄste underhÄllas.

“Det enda sĂ€ttet en avskrĂ€ckande effekt Ă€r om du vet att den kan fungera, och att din motstĂ„ndare ocksĂ„ vet och tror att den fungerar”, sĂ€ger Adam Bertsch, en högpresterande datorsystemtekniker vid laboratoriet.

Superdator-simuleringar

Inte överraskande krÀver simning av en kÀrnexplosion mycket matte. GrundlÀggande principer inom vetenskapen kan förutsÀga hur partiklar kommer att interagera med varandra under olika förhÄllanden. Den amerikanska regeringen har ocksÄ decennier av data som samlats in frÄn verkliga kÀrnvapenprov. Forskare har kombinerat denna information för att skapa ekvationer i datormodeller, som kan berÀkna hur en kÀrnexplosion kommer att gÄ ut och förÀndras över tiden.

I huvudsak försöker du kartlÀgga en kedjereaktion. SÄ för att göra modellerna korrekta har de utformats för att förutsÀga en kÀrnkraftsdetonation pÄ molekylÀra nivÄer med hjÀlp av verklig fysik. Utmaningen Àr att berÀkna vad alla dessa partiklar kommer att krÀva krÀver mycket siffra.

GÄ in i Sierra. Superdatorn har 190 000 CPU-processorkÀrnor och 17 000 GPU-kÀrnor. All den datorkraften innebÀr att den kan ta en enorm uppgift, som att simulera kÀrnklyvning, och bryta ner den i mindre bitar. Varje kÀrna kan sedan bearbeta en liten bit av simuleringen och kommunicera resultaten till resten av maskinen. Processen kommer att upprepas om och om igen nÀr superdatorn försöker modellera en kÀrnexplosion frÄn en sekund till en annan.

“Du kan göra en fullstĂ€ndig simulering av en kĂ€rnenhet i datorn”, tillade Bertsch. “Du kan ta reda pĂ„ att det fungerar, exakt hur bra det fungerar och vilken typ av effekter som skulle hĂ€nda.”

En forskningsmaskin

Superdator inuti

En superdatorns förmÄga att berÀkna och modellera partikelinteraktioner Àr dÀrför det har blivit ett sÄ viktigt verktyg för forskare. PÄ sÀtt och vis hÀnder reaktioner runt omkring oss. Detta kan inkludera vÀdret, hur en stjÀrna bildas eller nÀr mÀnskliga celler kommer i kontakt med ett lÀkemedel.

En superdator kan simulera alla dessa interaktioner. Forskare kan sedan ta informationen för att lÀra sig anvÀndbara insikter, som om det regnar i morgon, om en ny vetenskaplig teori Àr giltig, eller om en kommande cancerbehandling ger nÄgot löfte.

Samma teknik kan ocksÄ lÄta branscher utforska otaliga nya mönster och ta reda pÄ vilka som Àr vÀrda att testa i den verkliga vÀrlden. Det Àr dÀrför laboratoriet har upplevt stor efterfrÄgan pÄ sina tvÄ dussin superdatorer.

“Oavsett hur mycket datorkraft vi har haft, skulle folk anvĂ€nda den och be om mer”, sa Bertsch.

Det förklarar ocksĂ„ varför den amerikanska regeringen vill ha en superdator i exaskala. Den extra datorkraften gör det möjligt för forskare att utveckla mer avancerade simuleringar, som att Ă„terskapa Ă€nnu mindre partikelinteraktioner, vilket kan bana vĂ€g för nya forskningsgenombrott. Exascale-systemen kommer ocksĂ„ att kunna slutföra pĂ„gĂ„ende forskningsprojekt pĂ„ kortare tid. “Det du tidigare hade spenderat mĂ„nader pĂ„ kan bara ta timmar,” tillade Bertsch.

GrÀnssnitt med en superdator

.

Sierra Àr en del av ett klassificerat nÀtverk som inte Àr anslutet till det offentliga internet, vilket Àr tillgÀngligt för cirka 1000 godkÀnda forskare i anslutna vetenskapliga program. Cirka 3000 personer forskar pÄ oklassificerade superdatorer, som Àr tillgÀngliga online förutsatt att du har ett anvÀndarkonto och rÀtt inloggningsuppgifter. (TyvÀrr, Bitcoin gruvarbetare.)

“Vi har folk som köper in datorn vid förvĂ€rvstidpunkten”, sa Bertsch. “Den summa pengar du lĂ€gger i korrelerar med procentandelen av maskinen du köpte.”

Ett schemalĂ€ggningssystem anvĂ€nds för att sĂ€kerstĂ€lla din “rĂ€ttvisa andel” med maskinen. “Det försöker styra din anvĂ€ndning mot den procentsats du har tilldelats”, tillade Bertsch. “Om du anvĂ€nde mindre Ă€n din rĂ€ttvisa andel över tiden gĂ„r din prioritet upp och du kommer att springa tidigare.”

Simuleringar Ă€r alltid igĂ„ng. En superdator kan köra tusentals jobb nĂ€r som helst. En maskin kan ocksĂ„ bearbeta det som kallas en “hero run” eller ett enda jobb som Ă€r sĂ„ stort att hela superdatorn krĂ€vs för att slutföra den pĂ„ en rimlig tid.

Att hÄlla det igÄng

Tarmar av en Sequoia superdator

Sierra Àr en superdator, men maskinen har till stor del tillverkats med rÄvarudelar. Processorerna Àr till exempel företagsklasser frÄn IBM och Nvidia och sjÀlva systemet kör Red Hat Enterprise Linux, ett populÀrt operativsystem bland serverleverantörer.

“Tillbaka pĂ„ dagen var superdatorer dessa monolitiska stora, esoteriska hĂ„rdvaruklumpar”, sĂ€ger Robin Goldstone, laboratoriets högpresterande datalösningsarkitekt. “Dessa dagar Ă€r till och med vĂ€rldens största system i huvudsak bara en massa servrar anslutna.”

För att maximera anvÀndningen mÄste ett system som Sierra kunna bedriva olika typer av forskning. SÄ labbet satte sig för att skapa en universalmaskin. Men Àven en superdator Àr inte perfekt. Laboratoriet uppskattar att Sierra var 12: e timme kommer att drabbas av ett fel som kan innebÀra maskinvarufel. Det lÄter kanske förvÄnande, men tÀnk pÄ det som att Àga 100 000 datorer; fel och reparationer Àr oundvikliga.

“De vanligaste sakerna som misslyckas Ă€r förmodligen minnes-DIMM-moduler, strömförsörjning, flĂ€ktar”, sa Goldstone. Lyckligtvis Ă€r Sierra sĂ„ enorm att den har mycket kapacitet. Superdatorn skapar ocksĂ„ rutinmĂ€ssigt sĂ€kerhetskopior om ett fel stör ett projekt.

“Till viss del Ă€r detta inte precis som en dator du har hemma, utan en smak av det”, tillade Goldstone. “Ta spelarna som Ă€r besatta av att fĂ„ det snabbaste minnet och den snabbaste GPU, och det Ă€r samma sak som vi Ă€r besatta av. Utmaningen för oss Ă€r att vi har sĂ„ mĂ„nga som kör samtidigt.”

Vattenlednings superdator

SjÀlva Sierra sitter i ett rum pÄ 47 000 kvadratmeter, som Àr fyllt med buller frÄn fans som hÄller hÄrdvaran sval. En nivÄ under maskinen Àr byggnadens vattenpumpsystem. Varje minut kan den skicka tusentals liter till rör, som sedan matas in i superdatorns rack och cirkulerar vatten ut igen.

PĂ„ kraftfronten har laboratoriet utrustats för att leverera 45 megawatt – eller tillrĂ€ckligt med el för en liten stad. Cirka 11 av dessa megawatt har delegerats till Sierra. En superdatorns energiförbrukning kan emellertid ibland utlösa klagomĂ„l frĂ„n lokala energibolag. NĂ€r en applikation kraschar kan maskinens energibehov plötsligt sjunka flera megawatt.

Energileverantören “gillar inte det alls. Eftersom de mĂ„ste tappa belastning. De betalar för kraft”, sa Goldstone. “De har ringt oss i telefon och sagt ‘Kan du inte göra det lĂ€ngre?'”

The Exascale Future

Sequoia superdator

Lawrence Livermore National Lab Àr ocksÄ hem för en annan superdator som heter Sequoia, som kort regerade som vÀrldens bÀsta system redan 2012. Men laboratoriet planerar att gÄ i pension senare i Är för att ge plats för en större och bÀttre superdator, kallad El Capitan, vilket Àr bland de excale superdatorer som den amerikanska regeringen har planerat.

FörvÀnta dig att det gÄr online 2023. Men det kommer inte att vara ensamt. El Capitan kommer att gÄ med i tvÄ andra exascale-system, som USA spenderar över 1 miljard dollar för att bygga. BÄda kommer att slutföras 2021 vid separata laboratorier i Illinois och Tennessee.

“Vid nĂ„got tillfĂ€lle tĂ€nker jag,” Är det inte tillrĂ€ckligt snabbt? Hur mycket snabbare behöver vi verkligen att dessa datorer ska vara? “, Sa Goldstone. “Men det handlar mer om att kunna lösa problem snabbare eller studera problem med högre upplösning, sĂ„ att vi verkligen kan se nĂ„got pĂ„ molekylĂ€ra nivĂ„er.”

Men superdatorindustrin kommer sĂ„ smĂ„ningom att behöva innovera. Det Ă€r helt enkelt ohĂ„llbart att fortsĂ€tta bygga större maskiner som Ă€ter mer kraft och tar mer fysiskt utrymme. “Vi driver grĂ€nserna för vad dagens teknik kan göra”, sa hon. “Det kommer att behöva ske framsteg inom andra omrĂ„den Ă€n traditionella kiselbaserade datorchips för att ta oss till nĂ€sta nivĂ„.”

Under tiden har laboratoriet arbetat med leverantörer som IBM och Nvidia för att lösa omedelbara flaskhalsar, inklusive att förbĂ€ttra en superdatorns nĂ€tverksarkitektur sĂ„ att den snabbt kan kommunicera över de olika klusterna, samt komponentens tillförlitlighet. “Processors hastighet spelar ingen roll lĂ€ngre”, tillade hon. “SĂ„ snabbt som processorerna Ă€r begrĂ€nsade av minnesbandbredd.”

Labbet kommer att meddela mer information om El Capitan i framtiden. NÀr det gÀller den dator som den ersÀtter, Sequoia, Àr systemet pÄ vÀg mot glömska.

Av sĂ€kerhetsskĂ€l planerar laboratoriet att slipa upp varje del av maskinen och Ă„tervinna dess rester. Superdatorer kan sluta köra sekretessbelagda statliga data, sĂ„ det Ă€r viktigt att alla spĂ„r av den informationen rensas helt – Ă€ven om det innebĂ€r att göra maskinen till skrot. Det kan lĂ„ta extremt, men fel kan göras nĂ€r du försöker radera data virtuellt, sĂ„ labbet mĂ„ste vara helt sĂ€ker pĂ„ att data Ă€r borta permanent.