ذروة الحوسبة قبل ذروة النفط؟

سنجرب اليوم نوع كاساندرا المشهور في عالم التدوين - النبوءات السلبية. لذا ، "من المعروف" أن الشتاء قريب ، والبشرية قد وصلت إلى حدود النمو في كل شيء ، ونحن نعيش الأيام الأخيرة الهادئة قبل الانزلاق الحتمي إلى قرون مظلمة جديدة. كان آخر مصدر للتفاؤل التقني والرمز الأكثر بروزًا للتقدم الذي عارض السنوات العشرين الماضية للعديد من العمليات الراكدة على هذا الكوكب هو التطور السريع للإلكترونيات الدقيقة. لقد حان الوقت لتمزيق الأغطية من هذه المنطقة.

يبدو أن التقدم أصبح الآن أسرع من أي وقت مضى وسيخبرك أي مستخدم للهواتف الذكية عن المزيد من المعالجات السريعة التي تظهر في الموديلات الجديدة. ولكن في أقصى الشمال ، كانت تقشعر لها الأبدان الحائط الذي يحمينا من اللجوء. عندما يكون الحد الأقصى لأداء الإلكترونيات الدقيقة مطلوبًا حقًا - في مجال الحواسيب الفائقة عند الحدود الأكثر تقدمًا - توقف التقدم.

كما ترون من الرسم البياني ، لمدة ثلاث سنوات ، لم يكن أداء الكمبيوتر العملاق الأعلى (المعبر عنه في عمليات النقطة العائمة في الثانية - FLOPS) يتزايد. علاوة على ذلك ، إذا نظرت إلى الخطط المعلنة ، يمكنك القول بثقة أن الوضع لن يتغير على الأقل في العام المقبل. لذا فإن ركود أداء الكمبيوتر العملاق الأعلى سيمتد حتى عام 2016:




تشير الخطوط المنقطة إلى اتجاه التطور الأسي وتوقعات الكمبيوتر العملاق الفائق لعام 2016 (الركود). باختصار حول العتاد: في المقالة ، يتم استخدام البادئات Pet و Ax. PetaFlops - 10 ^ 15 عملية في الثانية ، والمستقبل الضروري والمناقش ألف مرة - ExaFlops ، 10 ^ 18.


لمواصلة الاتجاه الأسي ، يجب أن تصل أجهزة الكمبيوتر العملاقة إلى مقياس ExFlops في عام 2019 ، والآن تخطط فقط Aurora لـ 100 PetFlops لعام 2018. ولكن ما هي المشكلة بالضبط؟

في تجربتي ، لن يتمكن حتى العديد من مطوري البرامج والأجهزة المحترفين من إخبارك ما هي أهمية أجهزة الكمبيوتر العملاقة. في العالم الحديث ، في قرن الإنترنت المنتشر ، يبدو أن القاعات الضخمة المليئة برفوف الحديد والمخصصة لمعالجة مهمة حسابية معقدة هي مصير الماضي الرومانسي لبداية عصر الكمبيوتر في الستينيات والسبعينيات. في الواقع ، تكفي اليوم موارد حاسوب شخصي واحد لحل العديد من المشكلات المعقدة ، وتسمح لك الخوادم المتاحة تجاريًا بخدمة احتياجات الشركات الكبيرة. ولكن هناك أيضًا خدمات حوسبة سحابية شائعة تعدك بموارد حوسبة لا نهاية لها للحصول على مكافأة متواضعة.

لكن في الواقع ، الحواسيب الفائقة هي الشيء الوحيد الذي يمنح الإنسانية اليوم التي يبلغ حجمها سبعة مليارات نسمة الفرصة لمواصلة التطور والعيش بدون خوف من لعنة مالتوس.

لا يمكن حل جميع المهام المتقدمة إلا بمساعدة قوة حوسبة كبيرة جدًا وكمبيوتر فائق حيث يتم تحسين جميع مكونات تكنولوجيا الكمبيوتر قدر الإمكان ، وهذه هي الأداة الأكثر ملاءمة لحل هذه المشكلات. علاوة على ذلك ، يمكن تفسير المحاكاة الحاسوبية المباشرة على أنها الطريقة العلمية الثالثة للإدراك بالإضافة إلى البحث النظري والتجريبي. لكي لا يكون لدينا أساس من الصحة ، نقدم بعض الأمثلة.

حول زيت الأم ، والذي كان من المستحيل العثور عليه لفترة طويلة بدون أجهزة كمبيوتر قوية ، كتبنا بالفعلوكان الاستنتاج قاطعًا: في الصباح حاسوب خارق في زيت المساء ، وفي المساء حاسوب خارق في زيت الصباح. دعونا نرى مواضيع أخرى.

الطيران

في تصميم الطائرات الجديدة ، خفضت المحاكاة الحاسوبية عدد الاختبارات الفيزيائية في نفق الرياح من 77 وحدة في عام 1979 إلى 11 في عام 1995 ومنذ ذلك الحين ظلت القيمة عند نفس المستوى. شيء بسبب هذا، ظلت طائراتنا عن نفسه حيث كانوا. يتطلب الانتقال إلى محاكاة فيزيائية أكثر دقة بشكل أساسي تستند إلى التطبيق المباشر لمعادلات Navier-Stokes إمكانات حسابية من أجل 50 exaflops ، أي 1000 مرة أكثر من الزعيم الحالي - Tianhe-2 الصيني بـ 33 PetaFlops. في الوقت نفسه ، لا يزال حساب الديناميكا الهوائية الخارجية بسيطًا نسبيًا - ولكن ، على سبيل المثال ، يتكون المحرك النموذجي من آلاف الأجزاء المتحركة ونمذجة التدفقات الداخلية تتطلب قوة حوسبة أعلى.


الديناميكا المائية الحسابية كما يتم تطبيقها على شفرات التوربين (يسار) وطائرة X-43 برقم ماخ = 7

طاقة

نووية حرارية في مجال الفيزياء النووية الحرارية ، والتي كتبها بشكل مثير للاهتمام من قبل زميل في الطاقة الشمسية، تصميم الجيل القادم من توكاماك مستحيل بدون التقدم في نمذجة البلازما عالية الحرارة في فخ مغناطيسي. بالفعل ، تشارك عدة مليارات من الجسيمات في الفضاء بدقة 131 مليون نقطة في النماذج. بالنسبة لمثل هذه المقاييس ، يتم استخدام أقوى أنظمة ترتيب PetFlops ويتم الحصول على نتائج جيدة ، ولكن من الواضح أن الدقة الكافية للمحاكاة الكاملة للمبادئ الأساسية ستحتاج إلى زيادة متواضعة إلى 13 مليون مرة.


نمذجة سلوك البلازما في

المناخ والطقس

تسمح لنا النمذجة المناخية والتنبؤ الدقيق بالطقس بالتخطيط لأعمالنا على النحو الأمثل - تزداد دقة التوقعات مع نمو أداء الحواسيب الفائقة. في المستقبل ، سيكون من الممكن التنبؤ بهطول الأمطار ، وبالتالي الفيضانات والتدفقات الطينية. الجفاف وفشل المحاصيل.


اليوم ، توقعات الطقس لمدة 4 أيام دقيقة مثل توقعات الطقس ليوم واحد في عام 1980

تتطلب التنبؤات المتزايدة الدقة نموذجًا أكثر تفصيلاً على مستوى الكواكب ، ومن الضروري حدوث انخفاض مستمر في خلية المحاكاة. في الوقت الحالي ، تبلغ أبعاد الخلايا النموذجية للتنبؤات الإقليمية قصيرة المدى 10x10 كم ، وتستخدم النماذج المناخية طويلة المدى شبكة تحتوي على خلايا يبلغ طولها مئات الكيلومترات ، في حين أن مقياس 1x1 كم على السطح (10000 مرة أكبر من الآن) و 100 متر رأسيًا مطلوب. نعم مع فترة زمنية مدتها ثانية واحدة ، والتي تعني لمدة شهرين 5 ملايين ثانية.

مثال على نموذج حديث بخلية 300x300 كم.



الطب والبيولوجيا.

الطب ليس استثناء. اليوم ، تستطيع الحواسيب الفائقة المتطورة محاكاة الأجزاء الفردية الصغيرة للغاية من الخلايا:



في الشكل ، نتيجة نمذجة تشغيل القنوات الأيونية في غشاء الخلية على أجهزة الكمبيوتر الفائقة المتطورة - وتشارك حوالي 100 ألف جزيء فقط. علاوة على ذلك ، فإن العدد الإجمالي للجزيئات في الخلية البشرية هو المليارات ، والخلايا نفسها تقريبًا كوادريليون (10 ^ 14). تستغرق عملية الحصول على أدوية جديدة وطرحها في السوق من 5 إلى 15 عامًا ، والآن هناك حديث عن مفاهيم جديدة في تصميم السحب. فقط تخيل كم يمكنك تسريع العملية وزيادة فعالية الأدوية إذا قمت بوضع نموذج للوضع بشكل شامل - بدءًا من الحمض النووي للممرض ، الذي يحتوي في الواقع على جميع المعلومات المتعلقة به وينتهي بنموذج جسم الإنسان ، مع مراعاة الخصائص الجينية الفردية.

القائمة الحقيقية أكبر بكثير: البحث عن مواد جديدة بشكل أساسي مع الخصائص المرغوبة والفيزياء الفلكية والطاقة النووية وأكثر من ذلك بكثير. مسك الدفاتر

للعارضين

يطرح السؤال: إذا كانت الفوائد كبيرة جدًا ، فلماذا لا نستثمر أموالًا كبيرة حقًا في أجهزة الكمبيوتر العملاقة القوية؟ والحقيقة هي أنه حتى الآن كان هناك داعٍ إلى جانبنا ، ألا وهو موور الأس - تتضاعف كثافة الترانزستورات كل 18-24 شهرًا ، وحتى وقت قريب جدًا ، كان هذا يعني أن الإنتاجية تتضاعف أيضًا.

لذلك ، تعذب طلاب الألعاب بسبب السؤال المستمر: "هل أحتاج إلى شراء جهاز كمبيوتر اليوم مقابل 2000 دولار أم أخذ شيء أبسط مقابل 1000 دولار؟" في الواقع ، بالنسبة للألف دولار المتبقية في 3-4 سنوات ، سيكون من الممكن شراء جهاز كمبيوتر أقوى مرتين. هذا ليس مفاجئًا ، لأن الدالة الخطية تفقد دائمًا أضعافًا مضاعفة وتنتج مضاعفة التكلفة في أحسن الأحوال الضرب الخطي للأداء بدلاً من الاعتماد على قانون السلطة في حالة الأس. كقاعدة ، لم تكن ميزانية الطلاب من المطاط وكان الخيار يقع على الخيار الثاني ، ولكن في بعض الأحيان كانوا يريدون المشاركة ، وأخذوا خيار الانتشار وبعد بضع سنوات نظروا إلى هذه الخردة القديمة.

حدثت عملية مماثلة ، ولكن في بيئة أكثر خطورة بكثير ، خلال مناقشات الحواسيب العملاقة الجديدة. في معظم الحالات ، تم اختيار مسار أكثر اعتدالًا ولكنه منتج. من المهم أنه على مدى العشرين عامًا الماضية ، كلفت ثلاثة أجهزة كمبيوتر فقط أكثر من 300 مليون دولار وتم تصنيع جميع الأجهزة الثلاثة خارج الولايات المتحدة: جهازان في اليابان ورائد اليوم في الصين ، في البلدان التي تدعي القيادة العالمية. في الواقع ، بالإضافة إلى الفوائد الحقيقية ، أصبح امتلاك الكمبيوتر العملاق الخاص بك في السطر الأول من التصنيف مسألة فخر وطني في إثبات وجود العلم الوطني المتقدم.

نهاية العارض

من سنة إلى أخرى ، سمعت علامات التعجب بأن قانون مور قريب من النهاية ويبدو أنه حتى الآن كل قصص الرعب. ولكن إذا كنت ترغب ، يمكنك بالفعل تمييز الفرسان الفرديين في نهاية العالم:



فيما يلي خمسة اتجاهات لمختلف مواصفات المعالجات الدقيقة. يبدو أن قانون مور مستمر: يشير اللون البرتقالي إلى عدد الترانزستورات لكل وحدة مساحة مع مضاعفة كل 18-24 شهرًا. منذ عام 2005 ، نمت المعلمة 100 مرة ، ولكن ليس هناك الكثير من الفرح منها - أداء أحد النواة يتميز باللون الأزرق والنمو خلال نفس الفترة أقل بالفعل من 10 مرات. ذهبت بقية الترانزستورات لزيادة عدد النوى التي تسمح بمهام المعالجة بشكل متوازٍ (أسود).

في عام 2005 كان من الممكن شراء معالج بسرعة 3.8 جيجا هرتز ولكن الآن معالج إنتل بتردد ساعة فوق 4 جيجا هرتز لا يشتري. هذا يشير مباشرة إلى الرسم البياني: تردد المعالج ، الذي كان مسؤولًا في السابق عن نصف نمو الإنتاجية ، لم يتغير كثيرًا منذ عام 2004 (أخضر) ، وكذلك استهلاك الطاقة (أحمر) ، الذي استند إلى إمكانية تبديد الحرارة.

هذه الاتجاهات متناظرة تمامًا في هندسة الحواسيب الفائقة. إذا أخذنا بطل الصين اليوم ، فإننا نرى أحد أعلى مؤشرات استهلاك الطاقة (18 ميجاوات) ، وعدد كبير من نوى الحوسبة وحتى تراجع بسعر PetaFlops. كل هذا سمح ببناء حاسوب عملاق مرتين فقط بنفس الإنتاجية مثل المنافس السابق.

ارفضوا الأس البرجوازي من أجل الخط الشيوعي!


تقوم قوات علم التحكم الآلي الصينية بإزالة الإشارات المرجعية من معالجات Intel Xeon.

إذا كانت أجهزة الكمبيوتر مهمة للغاية ، فلماذا لا تستمر فقط في المسار الصيني وتجعل الكمبيوتر العملاق أكبر ، ثم أكبر؟ عليك أن تفهم أن أي زيادة في الإنتاجية بسبب الزيادة الخطية في الحجم ليس فقط زيادة في سعر الدولار ، ولكن أيضًا نفس الزيادة الخطية في استهلاك الطاقة. إذا أخذت وحشًا صينيًا يحتوي على ثلاثة ملايين نوى وحاولت توسيعه من المستوى 33 PetaFlops إلى المستوى 30 ExaFlops ، فستحتاج إلى تخصيص عشرين مفاعلًا نوويًا جديدًا للاستخدام الحصري ، وهذا يتوافق مع جميع المفاعلات التي يتم بناؤها الآن في الصين. إذا كان لا يزال من الممكن تشديد الحزام بطريقة ما لسحبه ، فسيتم إغلاق مستوى 30 ZettaFlops مع مفاعلاتها 20000 إلى الأبد.

هل هناك طريقة للخروج

هل من الممكن استمرار العارض؟ في السنوات القادمة - نعم ، لا يزال ممكناً. في غضون 2-3 سنوات ، ستظهر أجهزة الكمبيوتر العملاقة أقوى بثلاث مرات تقريبًا من الصينيين ذوي المستوى الأعلى ومع أفضل المعلمات لاستهلاك الطاقة وتكلفة PetAflops. وماذا سيحدث بعد ذلك؟

أنا شخصياً لا أعرف بالتأكيد ، لكن الخبراء ليسوا متفائلين للغاية. على سبيل المثال ، زار مدير Microsoft منتدى رسميًا في أواخر أكتوبر حول تطوير نظام ExFlops في الولايات المتحدة. وحضر المنتدى جميع الشركات الرائدة في صناعة الحديد ، فضلاً عن ممثلين عن مختلف وكالات الدولة التي تقوم بتطوير واستخدام أجهزة الكمبيوتر العملاقة.

على حد تعبير : من

الواضح لجميع المشاركين في المنتدى:

الإلكترونيات الدقيقة الحديثة القائمة على تقنية CMOS تقترب من نهاية قدراتها.

لا توجد تقنية بديلة ستكون متاحة في السنوات العشر القادمة.

ببساطة ، في السنوات العشر المقبلة ، سينتهي النموذج الحالي ، وليس لدينا نموذج آخر لك .

Source: https://habr.com/ru/post/ar387109/