Komputasi puncak sebelum puncak minyak?

Hari ini kita akan mencoba genre Cassandra yang populer di blogosphere - ramalan negatif. Jadi, "terkenal" bahwa musim dingin sudah dekat, umat manusia telah mencapai batas pertumbuhan dalam segala hal, dan kita menjalani hari-hari tenang terakhir sebelum bergulir menuju abad kegelapan baru yang tak terelakkan. Sumber terakhir optimisme techno dan simbol kemajuan yang paling mencolok yang telah menentang 20 tahun terakhir untuk banyak proses stagnan di planet ini adalah perkembangan pesat mikroelektronika. Waktunya telah tiba untuk merobek selimut dari daerah ini.

Tampaknya kemajuan sekarang lebih cepat dari sebelumnya dan setiap pengguna smartphone akan memberi tahu Anda tentang semakin banyak prosesor cepat yang muncul dalam model-model baru. Tetapi di ujung utara, itu sudah membekukan tembok yang melindungi kami dari jalan lain. Di mana kinerja maksimum mikroelektronika sangat dibutuhkan - di bidang superkomputer di perbatasan paling maju - kemajuan telah berhenti.

Seperti yang dapat Anda lihat dari grafik, selama tiga tahun kinerja superkomputer teratas (dinyatakan dalam operasi floating point per detik - FLOPS) belum tumbuh. Selain itu, jika Anda melihat rencana yang diumumkan, Anda dapat dengan yakin mengatakan bahwa situasinya tidak akan berubah setidaknya di tahun mendatang. Jadi stagnasi kinerja superkomputer teratas akan meluas hingga 2016:




Garis putus-putus menunjukkan tren dan perkiraan pengembangan eksponensial untuk superkomputer top-end untuk 2016 (stagnasi). Secara singkat tentang materi: dalam artikel, awalan Pet dan Axe digunakan. PetaFlops - 10 ^ 15 operasi per detik, dan masa depan yang perlu dan dibahas ribuan kali lipat - ExaFlops, 10 ^ 18.


Untuk melanjutkan tren eksponensial, superkomputer harus mencapai skala ExFlops pada 2019, dan sekarang hanya sekitar 100 PetFlops untuk 2018 - Aurora yang direncanakan. Tapi apa sebenarnya masalahnya?

Dalam pengalaman saya, bahkan banyak pengembang perangkat lunak dan perangkat keras profesional tidak akan dapat memberi tahu Anda apa pentingnya superkomputer. Di dunia modern, di abad Internet yang luas, ruang-ruang besar yang penuh dengan rak besi dan didedikasikan untuk memproses satu tugas komputasi yang kompleks tampaknya menjadi takdir masa lalu yang romantis dari awal era komputer tahun 1960-an-70-an. Memang, hari ini sumber daya bahkan satu komputer pribadi sudah cukup untuk menyelesaikan banyak masalah kompleks, dan server yang tersedia secara komersial memungkinkan Anda untuk melayani kebutuhan perusahaan besar. Tetapi ada juga layanan komputasi awan populer yang menjanjikan Anda sumber daya komputasi tanpa akhir untuk hadiah sederhana.

Tetapi pada kenyataannya, superkomputer adalah satu-satunya hal yang memberi manusia ketujuh miliar saat ini kesempatan untuk terus berkembang dan hidup tanpa takut akan kutukan Malthus.

Semua tugas canggih hanya dapat diselesaikan dengan bantuan daya komputasi yang sangat besar dan superkomputer di mana semua komponen teknologi komputer dioptimalkan sebanyak mungkin, ini adalah alat yang paling cocok untuk menyelesaikan masalah ini. Selain itu, simulasi komputer langsung dapat diartikan sebagai metode ilmiah ketiga kognisi selain penelitian teoritis dan eksperimental. Agar tidak berdasar kami memberikan beberapa contoh.

Tentang minyak induk, yang untuk waktu yang lama hampir tidak mungkin ditemukan tanpa komputer yang kuat, kami sudah menulisdan kesimpulannya adalah kategoris: di pagi hari superkomputer dalam minyak malam, di malam hari superkomputer dalam minyak pagi. Mari kita lihat topik lainnya.

Penerbangan

Dalam desain pesawat baru, simulasi komputer telah mengurangi jumlah tes fisik di terowongan angin dari 77 unit pada 1979 menjadi 11 pada 1995 dan sejak itu nilainya tetap pada level yang sama. Sesuatu karena ini, pesawat kami tetap sama di mana mereka berada. Transisi ke simulasi fisik yang secara fundamental lebih akurat berdasarkan aplikasi langsung dari persamaan Navier-Stokes membutuhkan kemampuan komputasi dari urutan 50 exaflops, yaitu 1000 kali lebih banyak dari pemimpin saat ini - Tianhe-2 Tiongkok dengan 33 PetaFlops. Pada saat yang sama, perhitungan aerodinamika eksternal masih relatif sederhana - tetapi, misalnya, mesin tipikal terdiri dari ribuan bagian yang bergerak dan pemodelan aliran internal akan membutuhkan daya komputasi yang lebih tinggi.


Hidrodinamika komputasi seperti yang diterapkan pada bilah turbin (kiri) dan pesawat X-43 dengan bilangan Mach = 7

Energi termonuklir

Di bidang fisika termonuklir, yang secara menarik ditulis oleh kolega tnenergi, desain generasi tokamaks berikutnya tidak mungkin tanpa kemajuan dalam pemodelan plasma suhu tinggi dalam perangkap magnetik. Sudah, beberapa miliar partikel di ruang angkasa dengan resolusi 131 juta poin berpartisipasi dalam model. Untuk skala seperti itu, sistem pesanan PetFlops paling kuat digunakan dan hasil yang baik diperoleh, tetapi jelas bahwa akurasi simulasi penuh pada prinsip-prinsip dasar perlu ditingkatkan hingga 13 juta kali.


Memodelkan perilaku plasma dalam iklim tokamak

dan cuaca

Pemodelan iklim dan prakiraan cuaca yang akurat memungkinkan kita untuk merencanakan tindakan kita secara optimal - keakuratan prakiraan tumbuh seiring dengan pertumbuhan kinerja superkomputer. Di masa depan, akan dimungkinkan untuk memprediksi curah hujan dan, karenanya, banjir dan aliran lumpur. Kekeringan dan gagal panen.


Hari ini, ramalan cuaca 4 hari sama akuratnya dengan ramalan cuaca satu hari pada 1980

Prediksi yang semakin akurat membutuhkan model skala planet yang lebih rinci, dan penurunan konstan dalam sel simulasi diperlukan. Saat ini, sel model untuk prakiraan regional jangka pendek memiliki dimensi 10x10 km, dan model iklim jangka panjang menggunakan kisi dengan sel ratusan km, sedangkan skala 1x1 km di permukaan (10.000 kali lebih besar dari sekarang) dan 100 meter secara vertikal diperlukan. Ya dengan periodisasi 1 detik, yang selama dua bulan berarti 5 juta detik.

Contoh model modern dengan sel 300x300 km.



Kedokteran dan biologi.

Kedokteran tidak terkecuali. Saat ini, superkomputer top-end hanya dapat mensimulasikan bagian sel individu yang sangat kecil:



Pada gambar, hasil pemodelan operasi saluran ion di membran sel pada superkomputer top-end - dan hanya sekitar 100 ribu molekul yang terlibat. Selain itu, jumlah total molekul dalam sel manusia adalah miliaran, dan sel-sel itu sendiri hampir kuadriliun (10 ^ 14). Proses mendapatkan obat baru dan membawanya ke pasar membutuhkan waktu 5-15 tahun dan sekarang ada pembicaraan tentang konsep baru dalam desain drag. Bayangkan saja seberapa banyak Anda dapat mempercepat proses dan meningkatkan efektivitas obat-obatan jika Anda membuat model situasinya secara komprehensif - mulai dari DNA patogen, yang, pada kenyataannya, berisi semua informasi tentangnya dan diakhiri dengan model tubuh manusia, dengan mempertimbangkan karakteristik genetik individu.

Daftar sebenarnya jauh, jauh lebih besar: pencarian material baru secara fundamental dengan sifat yang diinginkan, astrofisika, energi nuklir dan banyak lagi. Pembukuan

Peserta

Pertanyaan muncul: jika manfaatnya sangat besar, lalu mengapa kita tidak menginvestasikan uang sangat besar pada superkomputer yang kuat? Faktanya adalah bahwa sejauh ini telah ada eksponen di pihak kami, yaitu eksponen Moore - setiap 18-24 bulan kepadatan transistor berlipat ganda, dan hingga baru-baru ini, ini berarti produktivitas juga berlipat ganda.

Oleh karena itu, para siswa gamer tersiksa oleh pertanyaan konstan: "Apakah saya perlu membeli komputer hari ini seharga $ 2000 atau mengambil sesuatu yang lebih sederhana seharga $ 1000?" Memang, untuk $ 1000 yang tersisa dalam 3-4 tahun akan mungkin untuk membeli komputer beberapa kali lebih kuat. Ini tidak mengherankan, karena fungsi linier selalu kehilangan secara eksponensial dan penggandaan biaya menghasilkan paling baik penggandaan kinerja yang sama dan bukan ketergantungan pada hukum kekuasaan dalam kasus eksponen. Sebagai aturan, anggaran siswa bukan karet dan pilihan jatuh pada pilihan kedua, tetapi kadang-kadang mereka ingin terlibat, mereka mengambil opsi penyebaran dan setelah beberapa tahun mereka tampak jahat pada sampah tua ini.

Proses serupa, tetapi dalam lingkungan yang jauh lebih serius, terjadi selama diskusi superkomputer baru. Dalam kebanyakan kasus, jalan yang lebih moderat tetapi produktif dipilih. Adalah penting bahwa selama 20 tahun terakhir, hanya tiga komputer yang berharga lebih dari $ 300 juta dan ketiganya dibangun di luar Amerika Serikat: dua di Jepang dan satu pemimpin saat ini di Cina, di negara-negara dengan klaim kepemimpinan dunia. Memang, selain manfaat nyata, memiliki superkomputer Anda sendiri di baris pertama peringkat telah menjadi masalah kebanggaan nasional dalam membuktikan keberadaan sains maju nasional.

Akhir peserta pameran

Dari tahun ke tahun, seruan terdengar bahwa hukum Moore mendekati akhir dan sejauh ini tampaknya semua cerita horor. Tetapi jika Anda mau, Anda sudah bisa membedakan masing-masing penunggang kuda kiamat:



Di atas adalah lima tren untuk berbagai spesifikasi mikroprosesor. Hukum Moore tampaknya terus berlanjut: oranye menunjukkan jumlah transistor per satuan luas dengan dua kali lipat setiap 18-24 bulan. Sejak 2005, parameter telah tumbuh 100 kali, tetapi tidak ada banyak kegembiraan darinya - kinerja satu inti ditandai dengan warna biru dan pertumbuhan pada periode yang sama sudah kurang dari 10 kali. Sisa dari transistor pergi untuk meningkatkan jumlah core yang memungkinkan tugas pemrosesan secara paralel (hitam).

Pada tahun 2005, adalah mungkin untuk membeli prosesor dengan kecepatan clock 3,8 GHz, tetapi sekarang prosesor Intel dengan frekuensi clock di atas 4 GHz tidak membeli. Ini merujuk langsung ke grafik: frekuensi prosesor, yang sebelumnya bertanggung jawab atas setengah pertumbuhan produktivitas, tidak banyak berubah sejak 2004 (hijau), serta konsumsi energi (merah), yang bersandar pada kemungkinan disipasi panas.

Tren ini sangat simetris dalam arsitektur superkomputer. Jika kita mengambil juara Tiongkok hari ini, maka kita melihat salah satu indikator konsumsi energi tertinggi (18 MW), sejumlah besar inti komputasi dan bahkan regresi pada harga PetaFlops. Semua ini memungkinkan untuk membangun superkomputer hanya dua kali lebih produktif dari pesaing sebelumnya.

Tolak eksponen borjuis demi garis komunis!


Pasukan cybernetic Cina menghapus bookmark dari prosesor Intel Xeon.

Jika komputer sangat penting, mengapa tidak melanjutkan jalur China dan membuat superkomputer lebih besar, dan bahkan lebih besar? Anda perlu memahami bahwa setiap peningkatan produktivitas karena peningkatan skala linier tidak hanya kenaikan harga dolar, tetapi juga peningkatan linier yang sama dalam konsumsi energi. Jika Anda mengambil monster China dengan tiga juta core dan mencoba untuk skala dari level 33 PetaFlops ke level 30 ExaFlops, Anda harus menyisihkan untuk penggunaan eksklusif dua lusin reaktor nuklir baru, dan ini sesuai dengan semua reaktor yang sekarang sedang dibangun di Cina. Jika masih memungkinkan untuk mengencangkan sabuk untuk menarik, maka level 30 ZettaFlops dengan 20'000 reaktornya tertutup bagi kita selamanya.

Apakah ada jalan keluar

Apakah mungkin untuk melanjutkan peserta pameran? Untuk tahun-tahun mendatang - ya, masih mungkin. Dalam 2-3 tahun, superkomputer akan keluar sekitar tiga kali lebih kuat daripada Cina kelas atas dan dengan parameter konsumsi energi dan biaya PetAflops terbaik. Dan apa yang akan terjadi selanjutnya?

Secara pribadi, saya tidak tahu pasti, tetapi para ahli tidak terlalu optimis. Sebagai contoh, seorang direktur Microsoft mengunjungi sebuah forum resmi pada akhir Oktober tentang pengembangan sistem ExFlops di Amerika Serikat. Forum ini dihadiri oleh semua produsen besi terkemuka, serta perwakilan dari berbagai lembaga negara yang mengembangkan dan menggunakan superkomputer.

Mengutip :

Jelas bagi semua peserta forum:

Mikroelektronika modern berdasarkan teknologi CMOS mendekati akhir kemampuannya.

Tidak ada teknologi alternatif yang akan tersedia dalam sepuluh tahun ke depan.

Sederhananya, dalam 10 tahun ke depan paradigma yang ada akan berakhir, dan kami tidak memiliki paradigma lain untuk Anda .

Source: https://habr.com/ru/post/id387109/