От атомов до галактик: Frontier моделирует космос и предсказывает погоду на 50 лет вперед

Суперкомпьютер Frontier , расположенный в Национальной лаборатории Ок-Ридж в штате Теннесси, США, продолжает удивлять ученых своими возможностями. Этот гигант вычислительной мощи, дебютировавший в 2022 году, первым в мире преодолел экзафлопсный барьер скорости — квинтиллион операций с плавающей запятой в секунду.

Frontier не просто быстр — он потребляет огромное количество энергии. В солнечный апрельский понедельник его энергопотребление достигло пика в 27 мегаватт, что сравнимо с ресурсами, необходимыми для питания 10 000 домов. Бронсон Мессер, директор Ок-Ридж, с гордостью отметил: суперкомпьютер работает «как ошпаренная собака» (местное выражение).

Мощность Frontier сравнима с одновременной работой 100 000 ноутбуков. Однако его предназначение — не просто демонстрация скорости, а расширение горизонтов человеческих знаний. Технология особенно эффективна в создании симуляций, охватывающих масштабные явления с мельчайшими деталями. Например, с ее помощью можно проследить, как крошечные капли в облаках влияют на темпы глобального потепления.

Ученые со всего мира используют Frontier для создания передовых моделей — от субатомных частиц до галактик. Некоторые проекты занимаются моделированием белков для разработки новых лекарств, другие изучают турбулентность для усовершенствования конструкций авиационных двигателей. Кроме того, на суперкомпьютере разрабатывают открытые языковые модели , которые могут составить конкуренцию продуктам Google и OpenAI.

В 2023 году услугами Frontier воспользовались 1744 исследователя из 18 стран. Ожидается, что в 2024 году будет опубликовано не менее 500 научных работ, основанных на вычислениях этой машины.

Сердце Frontier располагается в помещении размером с ангар, где установлены 74 идентичные глянцево-черные стойки, содержащие в общей сложности 9408 узлов. Каждый узел состоит из четырех графических процессоров (GPU) и одного центрального (CPU). Команда инженеров круглосуточно следит за работой машины, выявляя малейшие признаки неисправностей.

Скорость обусловлена широким использованием GPU. Эти чипы, изначально созданные для обеспечения реалистичной графики в компьютерных играх, теперь стали ключевым элементом в развитии искусственного интеллекта, особенно в сфере машинного обучения. По словам Мессера, их сила заключается в способности многократно и эффективно выполнять одни и те же операции.

Получить доступ к Frontier непросто. Мессер и его коллеги тщательно рассматривают исследовательские заявки, одобряя в среднем лишь одну из четырех. В прошлом году зеленый свет дали 131 проекту.

Обычно исследователям выделяется около 500 000 узлочасов, что эквивалентно трем суткам непрерывной работы всего суперкомпьютера. Для наиболее масштабных исследований это время может быть увеличено в четыре раза. Получив доступ к Frontier, ученые могут работать с вычислительными мощностями, в десять раз превышающими те, что доступны им на других платформах.

Ученые также применяют Frontier для моделирования биологических процессов на атомарном уровне. Например, взаимодействия белков или нуклеиновых кислот в растворе с другими компонентами клеток. В мае команда из Ок-Ридж, смоделировала кубическую каплю жидкой воды, содержащую более 155 миллиардов молекул. Это одна из крупнейших атомарных симуляций в истории.

Пользу из возможностей Frontier извлекают и климатологи. В 2023 году ученый из Ок-Ридж, Мэтт Норман, и его коллеги использовали суперкомпьютер для запуска глобальной модели с разрешением 3,25 километра, учитывающей эффекты сложного движения облаков. Модель способна симулировать более года климатических процессов всего за сутки работы. Возможно, благодаря таким технологиям мы сможем создавать беспрецедентно точные долгосрочные прогнозы на период до 50 лет уже в ближайшее время.

Frontier также повышает разрешение космологических моделей. Астрофизик Эван Шнайдер из Питтсбургского университета использует суперкомпьютер для изучения эволюции галактик размером с Млечный Путь. Его модели охватывают четыре порядка величины, вплоть до крупномасштабных структур размером около 100 000 световых лет.

Однако, несмотря на все плюсы, Frontier, вероятно, уступит пальму первенства конкурентам в ближайшем будущем. Ожидается, что суперкомпьютер Aurora в Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе превзойдет производительность Frontier после оптимизации. El Capitan в Ливерморской национальной лаборатории, запуск которого запланирован на этот год, также может обогнать Frontier. Кроме того, в Германии в этом году должен начать работу экзафлопсный суперкомпьютер Jupiter.