Máy tính Summit, danh hiệu siêu máy tính nhanh nhất thế giới

51

Tháng 6/2016 siêu máy tính Sunway TaihuLight do Trung Quốc chế tạo trở thành siêu máy tính nhanh nhất thế giới với tốc độ 93 triệu tỷ phép tính một giây. Hai năm sau, vào tháng 12/2018 kỷ lục này đã bị phá vỡ với việc Mỹ cho ra đời siêu máy tính Summit với tốc độ 200 triệu tỷ phép tính một giây. Nhân dịp này chúng tôi xin giới thiệu đôi nét về siêu máy tính.

Hình 1. Số bộ vi xử lý tích hợp trong một siêu máy tính

Đôi nét về siêu máy tính
Cách mạng công nghiệp 4.0 mà nền tảng là trí tuệ nhân tạo AI đòi hỏi phải có công cụ tính toán cực mạnh để xử lý các nhiệm vụ với thuật toán phức tạp và dữ liệu lớn. Với việc ra đời và hoàn thiện các bộ vi xử lý, tốc độ của các máy tính ngày một tăng. Siêu máy tính (Supercomputer) là các máy tính có cấu trúc đặc biệt, gồm nhiều bộ vi xử lý hoạt động song song có tốc độ vượt quá một tỷ phép toán trong một giây. Tốc độ máy tính được đánh giá bằng số phép toán dấu phẩy động trong một giây FLOPS (FLoating Point Operations Per Second). Một siêu máy tính phải có tốc độ cỡ tỷ phép tính trong một giây Gflops. Người ta thường sử dụng các tiếp đầu ngữ bội số trong hệ SI đứng trước FLOPS để chỉ tốc độ của các siêu máy tính như Giga(109), Tera(1012), Peta(1015), Exa(1018), Zetta(1021).
Việc sử dụng thuật toán xử lý song song đã cho phép ra đời chiếc siêu máy tính đầu tiên CDC 6600 do Seymour Cray thiết kế chế tạo vào năm 1964. Năm 1985 Cray 2 có 8 bộ vi xử lý song song với tốc độ 1,9 Gflops là máy tính nhanh nhất cho đến năm 1990. Sau 1990 các siêu máy tính có hàng ngàn bộ vi xử lý hoạt động song song bắt đầy xuất hiện ở Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản và các nước khác. Ở Việt Nam tại trường ĐHBK Hà Nội từ năm 2003 cũng được trang bị một máy tính có 10 bộ vi xử lý hoạt động song song do Ấn Độ cung cấp. Sang thế kỷ 21 các siêu máy tính có tới trên 100.000 bộ vi xử lý hoạt động song song, tốc độ các siêu máy tính hiện đại đạt đến cỡ triệu tỷ phép toán trong một giây (Pflops).

Hình 2 Mạng máy tính phân tán

Tốp 500 siêu máy tính
Ra đời từ năm 1993 danh sách TOP500 do Hans Meuer Trường đại học Mannheim (CHLB Đức) Jack Dongarra Trường đại học Knoxville và Erich Strohmaier, Horst Simon, Phòng thí nghiêm quốc gia Lawrence Berkeley (Mỹ) khởi xướng, cứ 6 tháng ghi nhận các siêu máy tính trên toàn thế giới. Theo công bố của Top500 siêu máy tính ngày 17 tháng 6 trong phiên họp lần thứ 42 tại Leipzig thì trong số 500 siêu máy tính trên toàn thế giới Mỹ có 252, Trung Quốc 66, Nhật Bản 30, Anh 29, Pháp 23, Đức 19, Ấn độ 11, Canada 9, Nga 8 chiếc. Mức độ tích hợp các bộ vi xử lý hoạt động song song trong một máy đã tăng vọt. Đồ thị hình 1 cho thấy sự tăng trưởng của số bộ vi xử lý tích hợp trong một siêu máy tính theo thời gian.

Giải quyết các bài toán lớn
Để giải quyết các bài toán lớn phức tạp như bài toán dự báo thời tiết, bài toán điều khiển thời gian thực hệ thống điện, mô phỏng hoạt động hệ thần kinh con người… có thể tiến hành theo hai hướng:
1. Điện toán đám mây:
Mạng gồm nhiều máy tính cá nhân PC hoạt động phân tán ở các địa điểm khác nhau, được nối mạng Internet và cùng giải quyết một nhiệm vụ chung (hình 2). Mỗi PC (Client) nhận và thực hiện một nhiệm vụ cụ thể và báo cáo kết quả về Server trung tâm. Server này có nhiệm vụ tích hợp các kết quả của các Client thành lời giải chung. Ngày nay công nghệ điện toán đám mây (Cloudcomputing), còn gọi là điện toán máy chủ ảo, mọi khả năng của công nghệ thông tin được cung cấp dưới dạng dịch vụ mạng mà không cần phải quan tâm đến cơ sở hạ tầng, do đó việc thực hiện mạng máy tính phân tán trở nên đơn giản rất nhiều. Tuy nhiên việc liên kết các PC qua mạng có thể giải quyết các bài toán với dữ liệu rất lớn (Big Data) nhưng nếu yêu cầu tính toán hệ thống lớn, thời gian thực như hệ thống điện thì mạng máy tính phân tán không thể thực hiện được.
2 Siêu máy tính: Với việc ra đời công nghệ tính toán song song cho phép tích hợp nhiều bộ vi xử lý trong một máy tính. Việc truyền thông giữa các khối do sợi quang đảm nhiệm, nhưng việc tăng nhanh chóng số lượng bộ xử lý trong một siêu máy tính yêu cầu tản nhiệt rất lớn, vì thế công suất tiêu thụ của các siệu máy tính lên tới hàng chục MW. Từ năm 2013 danh hiệu siêu máy tính nhanh nhất thuộc về Thiên Hà II của Trung Quốc. Năm 2016 siêu máy tính nhanh nhất thuộc về Sunway TaihuLight cũng của Trung Quốc. Trong Top 10 siêu máy tính thì Mỹ có 5 chiếc, Trung Quốc 2 chiếc, Nhật Bản, Đức và Thụy Sỹ mỗi nước có một chiêc Kỷ lục siêu máy tính nhanh nhất của Mỹ Tháng 12/2018 với vốn đầu tư 325 triệu USD của Bộ Năng lượng Mỹ cho IBM đã chế tạo siêu máy tính Summit dành cho nhiệm vụ nghiên cứu khoa học đặt tại Phòng thí nghiệm quốc gia OakRidge bang Tennissee. Đây là siêu máy tính thông minh nhanh nhất thế giới với tốc độ 200 Pflops.
Kiến trúc của siêu máy tính Summit (hình 3 và 4) gồm: 9.216 bộ vi xử lý trung tâm CPU POWER9 2×2 lõi; 27.648 bộ vi xử lý ảnh GPU NVIDIA Tesla U100; Bộ nhớ 250 PB, có thể lưu trữ dữ liệu Vidéo HD trong 74 năm; Tốc độ 200 Pflops, nhanh hơn máy tính PC thông thường 100 triệu lần. Một phút sử dụng Summit tương đương sử dụng PC thông thường trong 30 năm; Công suất tiêu thụ 13 MW, làm mát bằng nước với tốc độ 4000 galon/phút; Chiều dài cáp quang 185 dặm; Phần mềm mã nguồn mở Linux 7.4; Gồm 4.608 nút tính, mỗi nút có 2×2 lõi POWER9 CPU, chip gia tốc 6x NVIDIA Tesla V100; Diện tích tương đương 2 sân ten nít; Trọng lượng 340 tấn.
Ngoài Summit cũng năm 2018 tại phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livemore bang California cũng lắp đặt siêu máy tính Sierra với 1,6 triệu bộ vi xử lý dùng cho mục đích chủ yếu mô phỏng phản ứng nhiệt hạch và các mục đích quân sự. Nhóm nghiên cứu Summit được giải thưởng Gordon Bell của Hội Khoa học máy tính Mỹ.

Hình 3 và 4. Siêu máy tính Summit

Các ứng dụng của siêu máy tính
Các siêu máy tính với tốc độ cực nhanh và dung lượng bộ nhớ lớn thúc đẩy nghiên cứu ứng dụng trí tuệ nhân tạo cho các mục tiêu cụ thể là:
Mô phỏng hệ thống lớn tương tác giữa mặt đất, đại dương và bầu khí quyển, làm cơ sở nghiên cứu biến đổi khí hậu, chủ động dự báo thời tiết và các hiện tượng cực đoan như bão, lụt, động đất, sóng thần… Về lý thuyết, siêu máy tính tốc độ Zettaflops có thể dự báo thời tiết trước 2 tuần sẽ xuất hiện vào năm 2030.
Điều khiển và khống chế một cách tin cậy phản ứng nhiệt hạch nhằm tạo nên các mặt trời nhân tạo, nguồn năng lượng sạch trên mặt đất, giải quyết được nguồn năng lượng cho nhân loại trong tương lai.
Mô phỏng tìm hiểu nguồn gốc vũ trụ và ảnh hưởng của nó đến trái đất, kết hợp với các thuật toán AI nghiên cứu các hiện tượng thiên văn.
Mô phỏng cấu trúc vật chất nhằm tạo nên các vật liệu tiền tiến với các tính năng đặc biệt vật liệu như siêu nhẹ, siêu bền.
Với Internet kết nối vạn vật IoT giải quyết các bài toán dữ liệu lớn, giải quyết bài toán điều khiển hệ thống thông minh trong thời gian thực.
Trong lĩnh vực bảo vệ sức khỏe, công nghệ y sinh với ứng dụng trí tuệ nhân tạo vào các siêu máy tính có thể hiểu biết cơ chế hình thành và phát triển của bệnh ung thư, các bệnh nan y như Alzheimer, phát hiện các quan hệ ẩn giữa các gen, các dấu hiệu sinh học bất thường và ảnh hưởng của môi trường đến sự sống…

Lê Văn Doanh – Phạm Văn Bình
(Trường cao đẳng nghề Bách khoa Hà Nội)