Gregor Grosman
1.12.2019

Hitreje od Maistra bo računal Vega. Preverili smo, katerim nalogam bo superačunalnik namenjen

Hitreje od Maistra bo računal Vega. Preverili smo, katerim nalogam bo superačunalnik namenjen
Gregor Grosman Prototipni superračunalnik Maister - primarni Vega bo približno 40-krat zmogljivejši. 
Slovenija

Superračunalniki so lahko čisto namenski za eno vrsto operacij, lahko pa so hibridni, s katerimi lahko naslavljamo večje število opravil

Maribor je zadnjih nekaj dni bogatejši za najzmogljivejši javni superračunalnik v Sloveniji, več kot 2,54 milijona evrov vredni sistem, imenovan Maister, ki je nastal v okviru projekta HPC RIVR in stoji v posebnem superračunalniškem kontejnerju za Fakulteto za strojništvo Univerze v Mariboru. Vendar pa je Maister zgolj prototip približno 40-krat zmogljivejšega superračunalnika, imenovanega Vega. Maistrove zmogljivosti, ki znašajo 244 teraflopov, bodo namreč zanemarljivo majhne v primerjavi z veliko zmogljivejšim superračunalnikom, ki nastaja v prostorih Inštituta informacijskih znanosti (IZUM) v Mariboru in bo začel delovati predvidoma konec leta 2020. Z rednim profesorjem Zoranom Renom, ki je tudi vodja projekta HPC RIVR, smo se pogovarjali o možnostih, ki jih bo Vega prinesel Mariboru, Sloveniji in Evropi.

Za nas je pomembno, da smo del evropske zgodbe, del gradnje eksascale sistema

"Superračunalništvo danes pokriva različna področja. Superračunalniki so lahko čisto namenski za eno vrsto operacij, lahko pa so hibridni, s katerimi lahko naslavljamo večje število opravil v superračunalniških sistemih. Hibridnost je v kombinaciji računskih vozlišč. Prva so namenska računska vozlišča, ki morajo imeti dovolj pomnilnika in lokalnega hitrega diskovja za začasno shranjevanje podatkov in so namenjena predvsem zahtevnemu znanstvenemu računanju. Z njimi rešujemo številne enačbe, zahtevne matrike, ki zahtevajo veliko prostora in se razdelijo v reševanje na številna vozlišča oziroma jedra na procesorjih. Druga, nasprotna vrsta opravil pa so logične operacije. Pri teh primerjaš, ali je nekaj večje, manjše, daljše, krajše, tukaj pa potrebuješ enote, ki so sposobne tako število logičnih operacij hitro narediti - to so grafične kartice. Imamo računska vozlišča, ki so opremljena z visoko intenziteto grafičnih kartic, denimo štiri grafične kartice na vozlišče, pri čemer je ena grafična kartica sposobna delati istočasno približno 5200 opravil, saj ima toliko jeder. Tako zmore ena rezina izvajati približno 20.000 možnih opravil (jeder). Računsko vozlišče so pa procesorji, ki imajo danes 32 oziroma najnovejši že 64 jeder," je razložil Ren in dodal, da so takšne zmogljive grafične kartice primerne za "big data analasys" (analizo velikih količin podatkov). Kombinacija računskih vozlišč je hibridni superračunalnik, kakršen bo tudi Vega.

image
Primarni superračunalnik Vega, ki bo stal v prostoriz IZUMa, bi se, če bi ga uporabljali že danes, na lestvico 500 najzmogljivejših superračunalnikov uvrstil okoli 20. mesta.

V svetu se običajno uporabljajo namenski superračunalniki. "Department of Energy v ZDA dela recimo samo ene vrste simulacije in je za to optimiran," pojasnjuje Ren. "Naš je namenjen znanosti, ne samo eni vrsti opravil. ARSO bo z njim računal vreme, Inštitut Jožefa Stefana bo v povezavi s Cernom simuliral trke delcev, ki so spet posebne vrste opravil, čemur bo naš superračunalnik tudi prilagojen. Fakulteta za strojništvo bo delala razne rušitvene analize, analize dobe trajanja, Kemijski inštitut bo izvajal simulacije molekularnih reakcij. Širok razpon potreb imamo, ki jih bo ta sistem zadovoljeval." Po vsem slišanem smo hitro ugotovili, da bo za potrebe znanosti sistem že kmalu premajhen. "Prihodnje leto, ko bomo postavili 'veliko zverino' - desetpetabajtni sistem -, bo po napovedih že to premalo. Zgolj za znanost, kaj šele za naše gospodarstvo."

Kitajci najštevilčnejši, Američani najzmogljivejši
Štiriinpetdeseta izdaja lestvice TOP 500 superračunalnikov kaže, da se je Kitajski uspelo po številu superračunalnikov med 500 najzmogljivejšimi povzpeti na prvo mesto, a le po številu sistemov na lestvici. Najzmogljivejša, na prvem in drugem mestu prestižne lestvice ostajata ameriška superračunalnika Summit in Sierra, ki temeljita na IBM-ovi tehnologiji. Skupna računska moč najzmogljivejših 500 superračunalnikov na planetu se je povzpela na 1,65 exaflopa, spodnja meja za uvrstitev na zadnje mesto lestvice pa je od junija 2019, torej izpred šestih mesecev, prav tako višja. Namesto 1,02 petaflopa zmogljivega superračunalnika potrebujete zdaj vsaj takšnega z zmogljivostjo 1,14 petaflopa. Prototipni superračunalnik Maister, ki so ga prejšnji teden predali uporabi v Mariboru, se z zmogljivostjo 244 teraflopov na lestvico 500 najzmogljivejših ne bi mogel uvrstiti, primarni superračunalnik Vega, ki šele nastaja in ga bodo pognali predvidoma marca 2021, pa bi se, če bi ga uporabljali že danes, uvrstil okoli 20. mesta.

Potrebe iz tujine

Na vprašanje, ali se pri naših podjetjih sploh pojavljajo potrebe po tovrstnih storitvah, ki jih omogočajo zmogljivi superračunalniki, sogovornik pojasnjuje, da te prihajajo večinoma iz tujine. "V Mariboru sicer imamo podjetje AVL-AST, ki se ukvarja izključno z računalniškimi simulacijami na različnih lastnih sistemih. Tudi njih bomo povabili k sodelovanju, saj imajo znanje in izkušnje in bodo superračunalnik znali učinkovito uporabiti. Večina slovenskih podjetij pa še ni na tem nivoju," tako Ren. Univerza večinoma opravlja različne storitve za njih pogodbeno. Podjetja jih najemajo, da jim pomagajo pri optimizaciji kakšnega izdelka, procesa, si pa na Univerzi v Mariboru želijo to znanje, ki ga imajo v svojih vrstah, prenesti na njihove inženirje. Da bodo inženirji v podjetjih neposredno uporabljali te sisteme, ne posredno preko njih.

image
Gregor Grosman Vodja projekta HPC RIVR Zoran Ren in Miran Ulbin pred prototipnim superračunalnikom Maister 

Ko so konec leta 2018 podpisali pogodbo za projekt HPC RIVR, si niso mislili, da bodo že kmalu uspešni tudi na prijavi EuroHPC (The European High-Performance Computing Joint Undertaking) za enega od osmih vzorčnih v Evropi in hkrati enega od petih vzorčnih petascale sistemov v Evropi. "Preden smo mi sploh postavili naš prototipni superračunalnik, smo uspeli z arhitekturo in našimi idejami," se je pohvalil Ren, saj bo s pridobljenimi dodatnimi sredstvi v končni fazi mogoče postaviti še zmogljivejši primarni superračunalnik. Vega v IZUM-u bo tako postal eden od osmih evropskih testnih sistemov, s katerimi bo Evropa, ki sicer namerava v razvoj superračunalništva na stari celini investirati vsaj 760 milijonov evrov, preizkušala različne konfiguracije, pozneje pa zgradila lastni eksascale sistem. EuroHPC je tako projektu namenil okoli šest milijonov evrov, na vrh 20 milijonov, ki so za investicijo v izjemno računsko moč že bili rezervirani (16 milijonov preko kohezijskih skladov in štiri milijone, ki jih je prispevala Republika Slovenija). "Z dodatnimi šestimi milijoni bomo dodatno izboljšali karakteristike. Naš namen je bil zgraditi sistem z zmogljivostjo 2 petaflopa, zdaj bomo pa gradili 10 petaflopov," je povedal Ren. Na roko jim gre tudi tehnološki napredek, saj so lani načrtovali superračunalnik s procesorji, ki imajo 32 jeder, danes pa so na tržišču že takšni s 64 jedri. Končni datum za dokončanje projekta je bil zaradi vložka Evrope podaljšan do 31. marca 2021, nabava opreme pa naj bi bila izvedena predvidoma poleti 2020.

Varčni procesorji za manjšo porabo

Izredni profesor Miran Ulbin je pojasnil, da so prototipni superračunalnik Maister zgradili na osnovi procesorjev AMD EPYC. Ta AMD-jeva serija je energetsko izboljšana v primerjavi z Intelovo in tudi število jeder je večje, kot jih Intel ponuja. "Intelovi procesorji so mikroskopsko večji, serija EPYC pa je izdelana s sedemnanometrsko tehnologijo, kar pomeni, da porabijo tudi manj energije. Energija pa je zelo pomembna pri superračunalniku. Če prototipni porabi 100 kW energije, bo veliki sistem milijon kW oziroma 1 MW."

Konzorcij v Evropi je zainteresiran za uporabo pet let, nato jih projekt ne zanima več, saj bo tehnologija že zastarela

Pri IZUM-u so bili zelo pogumni, da so se z nami podali v ta projekt, je dodal Ren, saj nimajo nobenih izkušenj s superračunalniki. "K sreči se je zgodilo, da so leta 2015 zaključili investicijo v prizidek in kletne prostore, kjer so originalno sicer načrtovali prostore za računalniško opremo za naslednjih 30 let. Seveda je bila predimenzionirana za njihove sedanje potrebe, ampak ravno prav velika, da smo lahko zdaj to našo opremo umestili v njihove obstoječe prostore. Žal namreč v tem operativnem programu, ki se zdaj izvaja, ne smemo investirati v infrastrukturo. To je omejitev." Vodja projekta je dejal, da bi, če bi imeli denar tudi za infrastrukturo, postavili ločeno stavbo, tako pa so vseeno našli idealno priložnost v Mariboru.

V IZUM-u je bilo treba določene stvari nadgraditi, nabaviti tehnološko opremo v vrednosti 1,7 milijona evrov. Zamenjati so morali agregate, UPS-e (sisteme za brezprekinitveno napajanje), električno povezavo, ki je bila omejena na 600 do 700 kW, zdaj pa je nadgrajena na 1,4 MW. Na streho so namestili agregate za hlajenje, vendar pa morajo zaradi povečanih računskih kapacitet kot pozitivni učinek EuroHPC razmišljati celo o vodnem hlajenju. "Večje kapacitete prinašajo nove izzive. Naenkrat načrtovana hladilna moč ni več dovolj in jo bo treba zelo verjetno kombinirati z vodnim hlajenjem. Prvi izračuni so bili, da bomo potrebovali 1 MW električne energije, od tega 600-700 kW za delovanje superračunalnika pri polni moči in 300 kW za hlajenje. To se bo zdaj nekoliko povečalo, vendar ne sorazmerno povečanju zmogljivosti, saj je na drugi strani tehnološki napredek. Nova sedemnanometrska tehnologija je energetsko precej varčnejša," je pojasnil Ren. Vseeno pa so s sistemom na meji prostorskih zmogljivosti IZUM-a. Pričakujejo, da bo v naslednji perspektivi politika dovoljevala ponovno vlaganja v infrastrukturo, takrat bi predlagali izgradnjo namenske zgradbe za superračunalnik, pri čemer so prepričani, da bo vložek v stavbo bistveno manjši kot v računalniško tehnologijo. Pričakovani vložek v stavbo je manj kot deset odstotkov celotne vrednosti projekta.

"Na Univerzi v Mariboru imamo že od leta 2013 mini superračunalniški sistem, in tudi to je bil razlog, da smo razvili kompetence in znanja, da so nam na nacionalnem nivoju zaupali ta projekt, da smo ga uvrstili v vzhodno regijo, v Maribor." Prepričan je, da je to šele začetek uspešne zgodbe, ki se bo v Mariboru nadaljevala, in izpostavlja multiplikativne učinke za gospodarstvo, podjetja, univerzo, spin-offe. Projekt pa že zdaj prinaša zaposlitve, kakšnih 30 je načrtovanih, za razvojne inženirje, ki bodo razvijali aplikacije ali skrbeli za sistem.

Financiranje prinaša omejitve

Pri projektu HPC RIVR je lahko zaradi 100-odstotnega financiranja države samo 20 odstotkov superračunalniškega časa namenjenega za komercialno, pogodbeno uporabo. Večina mora biti za znanstveno. Znanstvenikom, ki bodo dostopali do tega sistema, dokler ga bo plačevala država, ne bo treba plačevati za njegovo uporabo, podjetja pa si bodo dostop zagotovila po tržnem načelu. "Delamo za dobro človeštva in družbe, pa tudi za dobro naših podjetij. V prihodnje želimo več delati za podjetja in s podjetji," tako Ren, ki je prepričan, da bomo končno imeli delovni stroj, s katerim si bomo lahko privoščili iti v projekte pametnih mest po Sloveniji. "Ne samo upravljanja dveh ali treh svetilk, ampak reševanja celotnih kompleksnih problemov, od upravljanja prometa, odvoza odpadkov do upravljanja s pitno vodo ali kanalizacijo. Univerza lahko analizira stanje, ugotovi, kaj je smiselno meriti, kako meriti, nato pa sledi tehniška implementacija. Vsi podatki, ki se bodo zbirali, se bodo morali procesirati. Če želiš imeti realnočasovno uravnavanje, potrebuješ superračunalnik." Sogovornik izpostavi primer, če bi se denimo na Titovem mostu v Mariboru zgodila nesreča, bi lahko takšen sistem avtomatično spremenil prometne tokove, podaljšal intervale semaforjev in podobno.