Smrt legendy: Vědci vypnuli první petaflopsový počítač

Na jaře roku 2008 překonal první superpočítač světa rychlost jedné biliardy matematických výpočtů za sekundu a obsadil tak s výkonem 1,03 petaflops první příčku v žebříčku TOP 500, který sestavují vědci dvakrát ročně na superpočítačové konferenci už od počátku 90. let minulého století. Před pár dny definitivně utichnul.

Roadrunner v celé své kráse (Foto: LANL)

Superpočítač se jmenoval Roadrunner a stal se legendou. Nebyl to žádný laciný drobeček. Americké ministerstvo energetiky za něj tehdy u IBM zaplatilo sto milionů dolarů a jeho domovem se měly stát národní laboratoře v Los Alamos, které se odjakživa věnovaly jadernému výzkumu. Roadrunner od té doby počítal především nejrůznější nukleární simulace včetně těch, které se věnovaly atomovému arzenálu americké armády.

Mašina nicméně posloužila i ryze civilnímu výzkumu. Zpracovávala třeba výpočty v rámci studia viru HIV a astrofyzici ji použili i pro sestavení obřího modelu Vesmíru.

Jmenuji se cluster a jsem takový malý internet

Roadrunner byl typický cluster, tedy nikoliv jeden monolitický počítač, ale spíše hangár zaplněný rackovými skříněmi podobně jako velké datové centrum. Abych byl úplně přesný, rozprostíral se na ploše 560 metrů čtverečních a skládal se z necelých tří stovek skříní propojených do jednoho systému rychlou datovou linkou. Každá racková skříň se skládala z hromady „blade serverů“, tedy tenkých kazet, které obsahovaly sadu procesorů PowerXCell 8i a AMD Opteron a také patřičné množství paměti RAM.

 
Rackové skříně Roadrunneru s „žiletkami“, tedy blade servery ve formě kazet

Roadrunner byl svého času nejen nejrychlejší, ale držel ještě jedno zajímavé prvenství. Byl hybridní. Jeho základní výpočetní jednotkou byly dvoujádrové procesory Opteron s taktem 1,8 GHz, IBM je nicméně doplnilo ještě „herními procesory“ PowerXCell 8i s taktem 3,2 GHz. Jednalo se o vylepšenou verzi procesorů Cell, které najdete i v herní konzoli Playstation 3.

Každé jádro 6 480 Opteronů bylo propojené s jedním akceleračním PowerXCellem, kterých tak bylo v celém Roadrunneru dvojnásobné množství a tyto procesory díky své optimalizaci na grafické výpočty plnily prakticky stejnou roli jako dnes stále populárnější hybridní superpočítače s GPGPU jednotkami Nvidia Tesla. Lépe si tedy poradily s rozsáhlými maticemi čísel a modelováním. Dělaly to samé co současné komplikované grafické karty, ale v mnohem větším měřítku. Superpočítač z Los Alamos tedy předběhl dobu i z hlediska své architektury.

Roadrunner měl dále k dispozici 100 TB operační paměti a více než 100 PB úložného prostoru pro hromadu paralelně běžících výpočtů. Počítače této velikosti jednoduše zpravidla nelze vytížit jednou jedinou úlohou, poněvadž ne každý výpočet lze rozdělit na sto tisíc jader. Inženýři musí pro tyto počítače psát úplně jiné programy, než na které jsme zvyklí z domácích mašin. Pokud máte na stole počítač se čtyřjádrovým procesorem, zdaleka jej nedokáže využít každý program a ty starší budou vytěžovat dokonce jen jedno. No a teď si představte, že jich máte tisíce.

Výkon dnes není problém, kotvou je spotřeba

Roadrunner sloužil dalších pět let, letos na jaře jej však inženýři začali definitivně rozebírat. Samozřejmě trošku zestárnul, nicméně i po pěti letech by byl se svým petaflopsem stále 22. nejrychlejším strojem světa. Jen pro srovnání, právě budované ostravské superpočítačové centrum IT4Innovations, které evropského daňového poplatníka přijde na necelé dvě miliardy korun, by mělo okolo roku 2015 disponovat výkonem okolo 0,85 petaflops.

Národní laboratoře v Los Alamos (Foto: LANL)

Proč tedy Roadrunner končí? S trochou nadsázky by se dalo konstatovat, že se jednoho dne odpovědný úředník na ministerstvu zhrozil, když mu předložili účet za elektřinu. Příkon Roadrunneru se sice pohyboval okolo 2,3 MW, což jej ve své době řadilo spíše k těm úspornějším mašinám, jenže dnešní špička je zase někde úplně jinde. Nejrychlejší Titan sice potřebuje k životu 8,2 MW, nicméně za odměnu spočítá 17,6 biliard matematických operací za sekundu. To je skoro 17× více než v případě Roadrunneru při pouze 3,6× vyšším příkonu.

Ještě před několika málo lety spotřeba příliš nikoho netrápila, nicméně jak se ty největší superpočítače světa nafukovaly a nafukovaly, jejich energetické nároky začínaly připomínat fabriku a vědci s pevně danými rozpočty a granty najednou museli přemýšlet, jaký výpočet se jim ještě vyplatí. Výkon přestal být překážkou, ale stále větší roli začala hrát ekonomie – zvláště po roce 2008, kdy se začaly státní rozpočty nebývale scvrkávat.

Pokud dnes tedy vědci sestavují žebříček nejrychlejších počítačů TOP500, jeho nedílnou součástí je i konkurenční sestava Green 500. První zelený žebříček vyšel v listopadu 2007 a dnes jej vědci publikují společně s tím výkonnostním dvakrát ročně.

Green 500 seřazuje pět stovek superpočítačů podle toho, kolik výpočtů mašina spočítá na jeden jediný watt příkonu. Nejrychlejší Titan si vůbec nestojí špatně, přes své obrovité rozměry a sílu totiž v tomto zeleném žebříčku obsadil skvělé třetí místo. Pokud rozpočítáte jeho příkon na výpočetní výkon, zjistíte, že jeden jediný watt spočítá dvě miliardy operací za sekundu, tedy 2 gigaflops.

Za deset let budou superpočítače 1 000× rychlejší

Podle Garyho Gridera z Los Alamos se v příštím desetiletí dočkáme dalšího prolomení řádu superpočítačového výkonu. Pokud jsme s Roadrunnerem překonali petascalovou hranici (1 petaflops = biliarda výpočtů za sekundu), mezi lety 2020 až 2030 překonáme hranici exascalovou (1 exaflops = trilion výpočtů za sekundu).

Pokud by společně s výkonem vzrostl i příkon, superpočítač zítřka by k chodu potřeboval jeden celý Temelín (Foto: Japo, Wikipedie)

Tyto superpočítače další generace dosáhnou výkonu tisíce Roadrunnerů, abychom je však dokázali sestrojit a efektivně provozovat, budeme muset docílit i toho, aby neměly zároveň tisícinásobnou spotřebu. Takové superpočítače by totiž k chodu potřebovaly jaderný reaktor a jejich běh, sic třeba extrémně rychlý, by byl naprosto neekonomický. Jen připomenu, že elektrárna Temelín disponuje elektrickým výkonem 2 GW.