Japonia do 2030 r. chce zbudować komputer o wydajności ponad 1 ZetaFLOPS

Najszybszym superkomputerem na świecie według rankingu TOP 500 jest od kilku lat amerykański Frontier, który jako jeden z tylko dwóch dziś komputerów dysponuje mocą obliczeniową przekraczającą 1 ExaFLOPS (dokładnie ). Dekadę temu, na szczycie listy był chiński Tianhe-2A o około 36 razy niższej wydajności (33,86 PetaFLOPS, a inaczej 0,03386 ExaFLOPS). Potem był modernizowany, a jego wydajność rosła, w 2017 trzykrotnie względem oryginalnej konstrukcji, ale też zmieniało się podium wspomnianego zestawienia (dziś Tianhe-2A jest na 16 pozycji).

W pewnym momencie (czerwiec 2020 r.) na jego najwyższym stopniu znalazł się japoński superkomputer Fugaku zbudowany przez Fujitsu. Jego moc obliczeniowa sięgała wtedy 415 PetaFLOPS. Obecnie (ranking z czerwca 2024 r.) jest minimalnie wyższa, a komputer umieszczony w centrum nauk komputerowych RIKEN zajmuje 4 pozycję wśród najszybszych maszyn. Poniżej film pokazujący w przyśpieszonym tempie budowę Fugaku.

Obejrzyj w

Dlaczego wspominamy o tym superkomputerze? Bo Japonia ma ambicję, by zbudować jego następcę, obecnie określanego jako Fugaku Next. Będzie to maszyna o wydajności tysiąc razy wyższej niż Frontier i trzy tysiące razy wyższej niż sam Fugaku. Zbudowanie tak wydajnego komputera to jednak nie tylko kwestia przeskalowania konstrukcji. Kluczowa jest tu efektywność energetyczna, którą osiągną procesory dopiero w przyszłości. Inżynierowie Fujitsu są dobrej myśli i uważają, że cel uda się zrealizować do 2030 r. A po co? Odpowiedź jest krótka - by jeszcze lepiej doskonalić AI.

Dlaczego nie wystarczy po prostu dodać więcej procesorów?

Teoretycznie można tak myśleć, ale komputery nie działają na powietrze, do wykonywania obliczeń wymagają energii. Zresztą nie tylko do obliczeń, ale także funkcjonowania pamięci i innych podsystemów. Dlatego tak ważne jest, by postęp w wydajności układów elektronicznych, łączył się także z postępem w ich efektywności energetycznej, jak i całej infrastruktury. I ten postęp musi przyśpieszyć. Dotychczas efektywność energetyczna procesorów rosła mniej więcej dwa razy wolniej niż sama wydajność obliczeniowa.

W 2023 r. podczas targów ISSCC, szefowa AMD podkreśliła tę dysproporcję na wymownej grafice. Zakładając zachowanie postępu wydajnościowego, czyli dwukrotnego wzrostu mocy obliczeniowej co 1,2 roku, przy jednocześnie dwukrotnym wzroście efektywności energetycznej co około 2,2 roku, komputer o wydajności 1 ZetaFLOPS będzie wymagał mocy 500 MW.

Dziś najszybszy Frontier, który wykorzystuje układy AMD Epyc 3 generacji, zużywa prawie 23 MW. Drugi w zestawieniu TOP500, również exaskalowy superkomputer, z procesorami Intel Xeon, jest znacznie mniej efektywny energetycznie. 

1 ZetaFLOPS to inaczej tysiąc ExaFLOPS, albo milion PetaFLOPS. Najszybszy polski superkomputer Helios ma szczytową wydajność 33 PetaFLOPS i zajmuje 55 pozycję w rankingu TOP 500.

Oznacza to, że do zasilenia takiego hipotetycznego zetaskalowego komputera byłaby potrzebna elektrownia jądrowa. To oczywiście uproszczenie, bo pojedynczy blok elektrowni jądrowej ma moc nawet dwa, trzy razy wyższą, ale to właśnie taka skala zapotrzebowania na energię. Jak widać, postęp w efektywności energetycznej układów obliczeniowych powinien przyśpieszyć jeśli chcemy przybliżyć sobie epokę zetaskalowych komputerów.

Gdyby zbudować superkomputer klasy zetaskalowej z użyciem obecnych na rynku komponentów, według ekspertów konieczne byłoby zbudowanie do jego zasilenia elektrowni o mocy około 21 gigawatów. To prawie jedna trzecia całkowitej mocy dostępnej w polskim systemie energetycznym w połowie 2024 r.

Fugaku Next - prawdpodobnie najszybszy superkomputer za 6 lat

Budowa superkomputera, szczególnie maszyny o rekordowych osiągach, nie jest szybka. Wymaga planowania i uwzględnienia postępu w technologiach. Dlatego brak jeszcze informacji o tym jakie komponenty staną się podstawą Fugaku Next. Za to padły już szacunki kwoty jaka będzie potrzebna na jego zbudowanie. To około 750 milionów dolarów co wcale nie jest tak wysoką kwotą, biorąc pod uwagę to jak szybki będzie to superkomputer.

Dla przypomnienia. Trzydzieści lat temu w czerwcu 1994 r., w trzecim zestawieniu TOP500 (lista aktualizowana jest dwa razy w roku) najszybszy był amerykański SP/S140, superkomputer bazujący na procesorach Intel 80860 (wiedzieliście, że takie były?). Jego moc obliczeniowa wynosiła 143 GigaFLOPS. By mógł zrównać się wydajnością, a i tak tylko teoretycznie, bo ważna jest też wydajność pamięci, magistrali danych, z dzisiejszym Frontierem, trzeba byłoby około 7,4 miliona takich komputerów.

Dwadzieścia lat temu w czerwcu 2004 r. na czele listy TOP500 znajdował się japoński Earth-Simulator o mocy obliczeniowej prawie 36 TeraFLOPS, około 250 razy wyższej niż lider zestawienia z 1994 r. W 2014 r. brylował wspomniany Tianhe-2A o wydajności około 1000 razy większej niż lider zestawienia z 2004 r. Kolejna dekada pozwoliła zwiększyć tę wydajność jedynie w około 30 razy mniejszym stopniu.

To najlepszy dowód na to jak wielkim wyzwaniem jest zadanie, które przed sobą stawia Fujitsu. Do 2030 r. pozostało już tylko 6 lat. Budowa superkomputera ma ruszyć w 2025 r.

Źródło: TOP500, Fujitsu, livescience, inf. własna