Japoński superkomputer już jest najszybszy na świecie, chociaż pełnię swych możliwości osiągnie dopiero za rok
Japończycy zaczęli nad nim pracować już sześć lat temu. Teraz Fugaku, bo tak nazywa się ta maszyna, okrzyknięto najszybszym superkomputerem świata. Powód do dumy jest tym większy, że zdobycie pierwszych miejsc w trzech różnych rankingach (każdy bierze pod uwagę nieco inne rodzaje obliczeń) zdarzyło się po raz pierwszy. A będzie jeszcze lepiej, bo swe pełne możliwości obliczeniowe Fugaku osiągnie w kwietniu przyszłego roku.
Miliard miliardów operacji
To następca superkomputera K (K supercomputer). Pierwotnie nazwano go Kyo, ale w konkursie na nową nazwę w 2019 roku wybrano Fugaku – to druga, mało poza Japonią znana nazwa góry Fudżi.
K i Fugaku stoją w Kobe, w ośrodku badań obliczeniowych przy słynnym instytucie RIKEN. Fugaku zbudowano z ponad stu pięćdziesięciu tysięcy (158 976) specjalnie zaprojektowanych procesorów Fujitsu A64FX, dzięki czemu jednostka ta ma być stukrotnie szybsza od swojego poprzednika. Oznacza to, że ma osiągnąć szybkość jednego eksaflopsa, czyli tryliona (miliarda miliardów) operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę.
Na razie – pamiętajmy, że nie ma jeszcze pełnej mocy obliczeniowej – według listy TOP 500, która odnotowuje osiągnięcia supermaszyn, osiągnął nieco ponad połowę zakładanej mocy, bo 0,415 eksaflopsa (inaczej zapisując – 415 petaflopsów). Oznacza to, że o 2,8 razy przekroczył możliwości najsilniejszego do tej pory amerykańskiego superkomputera Summit.
Pierwszy test: koronawirus
Do czego może się przydać miliard miliardów operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę? Choćby do znacznego przyspieszenia obliczeń potrzebnych do symulacji w wielu dziedzinach: od poszukiwań nowych leków, materiałów i tworzyw, przez lepsze prognozowanie pogody, symulowanie trzęsień ziemi i fal tsunami – aż po czysto naukowe poszukiwania fundamentalnych praw fizyki lub wyjaśnianie tajemnic wszechświata.
Fugaku będzie kluczowy dla projektu, który w Japonii nazwano „Society 5.0” – społeczeństwem przyszłości
Już teraz Fugaku wykorzystywany jest w pięciu projektach badawczych do obliczeń związanych z koronawirusem. Najpotężniejszy superkomputer na świecie może pomóc lepiej wyjaśnić, jak się rozprzestrzenia wirus. Już prowadzi np. symulacje tego, jak roznoszone są mikroskopijne kropelki aerozoli w wagonie pociągu, w którym otwarto okna.
Poza tym ma symulować rozprzestrzenianie się wirusa w populacji, sprawdzać, jakie leki mogą blokować receptory na powierzchni wirusa, by zniszczyć (wstępnie wybrano już dwa tysiące takich leków), a także m.in. określać dynamikę struktury białek na tej powierzchni.
Wielki wyścig
Fugaku będzie również kluczowy dla projektu, który w Japonii nazwano „Society 5.0” – społeczeństwem przyszłości. Czemu 5.0? Bo społeczeństwo 1.0 to byli zbieracze-łowcy, 2.0 rolnicy, 3.0 społeczeństwo przemysłowe, a 4.0 – społeczeństwo oparte na przetwarzaniu informacji. Według tej specyfikacji społeczeństwo 5.0 będzie wspólnotą skoncentrowaną na człowieku, która „równoważy rozwój ekonomiczny z rozwiązywaniem problemów społecznych przez system łączący ze sobą cyberprzestrzeń i przestrzeń fizyczną”.
Być może posłuży też kiedyś do symulowania pracy ludzkiego mózgu. Ze względu na liczbę neuronów i połączeń między nimi, sięgającą setek bilionów, dokładne symulacje naszych „białkowych superkomputerów” wymagać będą bowiem mocy obliczeniowej rzędu eksaflopsów.
Amerykanie także planują budowę „eksaflopsowej” jednostki. Ich El Capitan ma kosztować 600 milionów dolarów (Fugaku docelowo będzie dwukrotnie droższy, jego koszt ma sięgnąć 1,2 miliarda dolarów) i mieć moc obliczeniową 2 trylionów operacji na sekundę.
W tym superwyścigu liczą się też Chiny, które zamierzają zbudować własną rekordowo potężną maszynę.
Swój eksaskalowy superkomputer Unia Europejska chce mieć w 2023 roku. Na razie stawia na nieco słabsze maszyny, ale ma być ich więcej (jeden z superkomputerów, który ma stanąć w Finlandii, pomogą zbudować polscy inżynierowie). Kilka maszyn rozmieszczonych do połowy tego roku w paru krajach pozwoli naukowcom wykonywać obliczenia „u siebie”, bez konieczności zabiegania o cenne moce obliczeniowe za granicą.
Magia kubitów
Supekomputery z pewnością przydadzą się jeszcze przez pewien czas, ale najprawdopodobniej w końcu zastąpią je maszyny kwantowe. Jedną z ich głównych zalet jest bowiem to, że zamiast setek tysięcy mikroprocesorów w setkach serwerów wykorzystują zaledwie kilkadziesiąt kwantowych jednostek obliczeniowych – kubitów.
Zwykłe procesory operują zerami i jedynkami, co pozwala im wykonać tylko jedną operację naraz. A to sprawia, że nawet superkomputery nie różnią się, jeśli chodzi o zasadę działania, od tradycyjnego liczydła. Mogą tylko dodawać i mnożyć, nawet jeśli są to biliony operacji na sekundę.
W porównaniu z nimi kwantowe komputery to magia. Kubity mogą bowiem znajdować się w obu stanach – tj. będących odpowiednikami zera i jedynki – jednocześnie. Dzięki temu dwa kubity znajdują się w kombinacji czterech różnych stanów, trzy – ośmiu, cztery – szesnastu i tak dalej. Moc obliczeniowa komputera kwantowego (w miarę tego, jak rośnie liczba elementów obliczeniowych) rośnie więc wykładniczo. W przypadku klasycznych komputerów jest to tylko wzrost liniowy.
Supekomputery z pewnością przydadzą się jeszcze przez pewien czas, ale najprawdopodobniej w końcu zastąpią je maszyny kwantowe
Komputery kwantowe pozwalałyby wykonać w jednej jednostce czasu miliardy operacji – co tradycyjnemu komputerowi zajęłoby miliardy jednostek czasu albo wymagałoby miliardów procesorów. Google twierdzi, że jego komputer kwantowy w kilkaset sekund wykonał już zadanie obliczeniowe, które tradycyjnemu komputerowi zajęłoby dziesięć tysięcy lat.
Unia Europejska też chce mieć komputer kwantowy. Na razie odpaliła projekt kwantowych obliczeń w chmurze, gdzie użytkownicy mogą eksperymentować z kwantowymi algorytmami. „Eksperymentować”, bo na świecie nie ma jeszcze programistów komputerów kwantowych. Uruchamiając publiczny projekt, Unia liczy na to, że to Europa wysunie się na czołowe miejsce kwantowego wyścigu.
Kwantowa skaza
Jeśli kwantowa technologia się rozwinie, superkomputery, nawet tak potężne jak Fugaku, staną się zabytkami. Zamiast prowadzić trwające miesiącami symulacje na superkomputerze, będzie można w okamgnieniu prognozować pogodę na miesiąc naprzód, wynajdować leki pasujące precyzyjnie w danej chorobie jak klucz do zamka czy nowe materiały, np. pochłaniające dwutlenek węgla z powietrza. Nowy wirus? Kwantowy komputer w kilka minut znajdzie związek chemiczny blokujący kluczowe dla jego namnażania białko.
Jest jednak jedno „ale”. Sceptycy twierdzą, że przy obliczeniach kwantowych nie da się usunąć szumu tła zaburzającego obliczenia. Z tego powodu maszyny te trzeba izolować od zewnętrznego ciepła (to, co widać na zdjęciach kwantowych komputerów, to głównie cewki chłodzące). Matematyk Gil Kalai dowodzi nawet, że im więcej kubitów, tym szum będzie większy. Jeśli ma rację, kwantowe komputery zawsze będą ograniczone do kilkudziesięciu, może kilku setek kubitów.
Byłoby to wielkie rozczarowanie ludzkości. Istnieje bowiem cała klasa problemów obliczeniowych, których po prostu nie da się rozwiązać dzięki klasycznej maszynie, niezależenie od czasu obliczeń. Mogą to zrobić tylko maszyny kwantowe. Jeśli okażą się zawodne, pozostanie nam konstruowanie coraz lepszych klasycznych superkomputerów. Takich jak Fugaku.