V jednom ze starších článků jsme se podívali na výpočetní výkon, který má v jistém smyslu nejen náš mozek a další neuronové soustavy, ale také všechna elektronická zařízení v čele s nejvýkonnějšími superpočítači na světě.
Jejich výkon je v současnosti již na hranici 10 PFLOPS a do deseti let by se měl dostat na tisíckrát vyšší hodnotu EFLOPS. Jak jsou ale tyto počítače využívány, respektive jaké úlohy počítají a kde je potřeba takto vysoký výkon?
Začalo to počasím
Jeden z prvních známých superpočítačů Cray-1 měl v době své slávy výkon v oblasti MFLOPS či jednotek GFLOPS. Tedy podobný jako současné čipy v mobilních zařízeních. Zabýval se především počítáním aerodynamiky a také základní předpovědí vývoje počasí do budoucnosti.
Kvůli omezenému výkonu se ale nejednalo o nijak přesné výpočty, to se však postupně mění. Podle některých informací je k přesnému modelování počasí na Zemi potřeba výkon v oblasti ZFLOPS, což by mělo stačit na přesnou předpověď na dva týdny dopředu. Pokud vše půjde současným tempem, takový počítač bychom měli mít přibližně v roce 2030.
U klimatických modelů je planeta reprezentována prostorovou sítí. Klimatické modely pro každý její díl počítají s větrem, přenosem tepla, radiace, relativní vlhkostí, pohybem vody na povrchu a dalšími parametry.
V osmdesátých letech se počet superpočítačů začal rychle zvyšovat, výpočty zahrnovaly pravděpodobnostní analýzu nebo modelování stínění při radioaktivním záření. O deset let později se stalo trendem lámání šifer pomocí hrubé síly a také trojrozměrné simulace nukleárních testů, čímž začal pomalý odklon od potřeby provádět výbuchy fyzicky a v reálném prostředí.
A co dnes?
Simulace, simulace a zase simulace
Přibližně polovina nejvýkonnějších superpočítačů ve známém žebříčku TOP500 patří soukromým organizacím. Z toho vychází i využití jejich výkonu. Nejdříve se podíváme na pomalejší superpočítače jako například iForge (pouze 22 TFLOPS). Ten se v současné době stará o různé úlohy ve společnosti Rolls Royce. Jedná se o simulace proudění pro lepší a efektivnější motory, v simulaci je tak možné zkoušet nové prototypy bez toho, aniž by je bylo nutné reálně vyrobit s velmi vysokými náklady.
Superpočítač Franklin, který se dle výkonu nachází na 27. místě v žebříčku, má teoretický výkon až 352 TFLOPS. Celkem 38 128 výpočetních jader a 59 PB úložného prostoru se využívá pro trojrozměrné mapování povrchu Země z detailních snímků. Výsledky se hodí pro přesnější seismická data, hledání ropy a plynu pod zemí, včetně dalších geologických informací. Franklin také modeluje data klimatu, především z pohledu cirkulace mořských proudů a jejich vlivu na teplotu.
Australský CSIRO je moderní a velmi úsporný superpočítač:
Na 17. místě se nachází superpočítač Ranger, který má výkon teoreticky až 579,4 TFLOPS – 62 976 procesorových jader AMD Opteron, 123 TB operační paměti a 1,7 PB úložného prostoru. Po testu simulující model zemské atmosféry počítá turbulentní proudění zmagnetizovaných plynů v mezihvězdném prostředí, což je jedna z důležitých částí k pochopení fungování tvorby jednotlivých hvězd a celých galaxií.
Dochází také k simulacím ozáření při léčení rakoviny, což by mělo tento postup neustále zlepšovat a zpřesňovat tak, aby byly co nejméně zasaženy zdravé buňky. Krátkou úlohou je například i simulace proteinu, který by měl být spojen s Alzheimerovou nemocí. Výsledky mohou být pomocí pro lepší léčebné metody.
IBM RoadRunner, nyní už desátý nejvýkonnější superpočítač na světě, má teoretický výkon kolem 1 PFLOPS a zabývá se simulacemi nukleárních zbraní. Každý den je ale jeho výkon použit pro přibližně 126 různých úloh, včetně simulace různých speciálních materiálů v extrémních podmínkách.
Superpočítač Hopper (Cray XE6) s výkonem 1,3 PFLOPS si drží osmou pozici. Jeho 153 216 výpočetních jader s 59 PB datového prostoru se podílí na simulaci interakce velkých částic plazmatu při fúzní reakci vytvořené laserem. Právě tyto výzkumy neustále přibližují fúzní reaktor k realizaci. Tento typ reaktoru by pracoval na stejném principu jako jádro Slunce, získali bychom výborný, bezpečný a čistý zdroj energie.
S tím souvisí také simulace supernov, především pak jejich výbuchu, který má ještě mnoho tajemství. K tomuto výzkumu se vážou i informace k rychlosti rozpínání vesmíru a vlivu temné hmoty. Hopper se také zabývá zkoumáním těch nejmenších částí světa – atomů, jader (protony, neutrony), jak se chová kvark-gluonové plazma (co drží kvarky a gluony pro tvorbu protonu), kvantové chromodynamiky a podobně.
Jaguar Cray XT5-He je třetím nejvýkonnějším superpočítačem na světě a poskytuje výkon 2,3 PFLOPS. Kromě klasických procesorů obsahuje i grafické karty. Věnuje se simulacím vody a grafenu, což by mělo pomoci zlepšit budoucí baterie a více prozkoumat chování povrchů. V oblasti výzkumu baterií se toho v případě Jaguara zkoumá více, stejně tak zlepšení Li-Ion a Li-Air baterií.
Mezi jednotlivé úlohy patří i různé výpočty ke konstrukci fúzního reaktoru ITER, simulace diamantových nanokrystalů a jejich využití ve vědě a inženýrství, nechybí zkoumání atomů, jader a podobně.
Jak se stavěl Jaguar?
Spolupráce především
Většina superpočítačů však nepočítá pouze soukromé a tajné výpočty, jednotlivá střediska a výzkumné laboratoře spolu spolupracují pod různými organizacemi. Části úloh a jejich výpočet se tak rozmísťuje dle potřeby a důležitosti, v neposlední řadě také dle financí.
Jak je vidět, vše se točí kolem simulací, chování mikrosvěta, ale i velkých objektů jako jsou celé hvězdy a galaxie. Své místo mezi činnostmi superpočítačů však mají i běžné věci jako baterie, materiály, počasí a geologie.
