Ultrarychlé počítací stroje se dnes používají v pestrém spektru zajímavých vědeckých projektů. Například k simulacím fluidní dynamiky, meteorologickým předpovědím nebo při řešení záhad duševních poruch.
Jedna ze slavných povídek polského spisovatele Stanislava Lema pojednává o misi kosmické lodi Goliáš k planetě Saturn. Dojde však k nehodě a hlavní pilot Calder musí Goliáše řídit za složitých podmínek. Dochází k matematickým dostihům mezi hlavním pilotem a podmínkami, které se mění s rostoucí rychlostí. Druhý pilot tento zápas komentuje slovy: „Řešení, která Calder získával ve zlomcích sekund, musela být pouhými přibližnými výpočty. Nebyla ideálně přesná, nemohla být, ani kdyby se změnil v nejrychlejší počítač světa.“
Lemova povídka byla napsaná někdy v 60. letech minulého století a od té doby se opravdu mnohé změnilo. Podle žebříčku 500 nejvýkonnějších superpočítačů světa je nejrychlejším počítačem IBM BlueGene s výkonem 280,6 teraflopů (bilionů operací za vteřinu). Kdyby měl pilot Calder k dispozici tento nejrychlejší počítač světa, nejspíš by z celé šlamastyky se sondou vyvázl bez problémů.
Přesná definice neexistuje!
Superpočítače se dnes nepoužívají k řízení kosmických lodí, ale především k simulacím a analýze dat z vědeckých výzkumů. 21. STOLETÍ navštívilo některá pracoviště v České republice (vysoké školy nebo firmy, které tyto stroje uvádějí na trh) a podívalo se na zoubek problematice s názvem „supercomputing“, nebo, modernějším souslovím, „high performance computing“.
Co si tedy představit pod pojmem superpočítač? Mnozí z nás by si mohli vybavit velké šedivé boxy, monotónně hučící v klimatizovaných místnostech, někdo by si mohl vzpomenout na firmy IBM či Silicon Graphics, nebo na pojmy jako teraflop (1 bilion operací) či cluster (seskupení spolupracujících počítačů). „Podle mého názoru, definice toho, co je superpočítač, která by se dala najít v encyklopedii, neexistuje,“ říká Petr Havlík, vedoucí hardwarové divize firmy IBM, „obecně se za superpočítač dá považovat vše, co je z pohledu běžného uživatele vysoce výkonné, a co je používáno pro specifický typ výpočtů.“
Havárie ve virtuálním prostoru
Jaké jsou však konkrétní úlohy, k nimž se tyto ultrarychlé stroje v praxi využívají? Zajímavým oborem je například simulace nárazů aut – tedy známé crash-testy. Mladoboleslavská Škoda Auto byla v roce 2004 vybavena systémem SGI Altix 3000, složeným z 96 procesorů. Využívá se zejména pro simulaci a analýzu crash-testů, a také pro simulace obtékání vzduchu kolem karoserie – takzvané fluidní dynamiky – pomocí aplikace Fluent. Výpočetní kapacita systému Altix se blíží 500 miliardám operací za vteřinu.
Další oblastí nasazení těchto „počítacích supermanů“ může být například hledání nových léků a simulace jejich vlivu na lidský organismus. Vědecky i společensky cenné jsou rovněž meteorologické simulace různých atmosférických jevů, třeba hurikánů či tornád. Tady mohou informační technologie s předstihem upozornit na blížící se nebezpečí přírodní katastrofy, nebo předpovídat, jakým způsobem se bude vyvíjet meteorologická situace v konkrétním regionu.
Jak funguje lidský mozek?
Jedním z konkrétních projektů, při nichž mají být superpočítače využity, je simulace funkcí dosud nejsložitější struktury v nám známém vesmíru, v lidském mozku. Vědci ze švýcarského Brain Mind Institute při École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) nyní přišli s projektem Blue Brain, který by měl výzkum, pomocí superpočítače Blue Gene, posunout na vyšší úroveň.
O tom, jak lidský mozek funguje, toho zatím víme poměrně málo. Pomocí digitálního modelu tak budou nyní vědci provádět počítačové simulace mozku na molekulární úrovni, což by mělo osvětlit vnitřní procesy, jako je myšlení, vnímání nebo paměť.
Autoři výzkumu také doufají, že se jim přitom současně podaří lépe pochopit, proč dochází k dysfunkcím některých mikrookruhů v mozku. To je totiž odborníky považováno za příčiny psychiatrických poruch, jako je autismus (mozková porucha vyhodnocování informací), schizofrenie nebo deprese.
Jeden procesor = jeden neuron
Systém, který bude nainstalován v EPFL, bude přitom zabírat jen tolik místa jako zhruba čtyři ledničky, přičemž bude schopen zpracovávat data rychlostí minimálně 22,8 biliónu operací za sekundu (22,8 teraflopů).
V první fázi projektu bude vytvořena softwarová obdoba mozkové kůry, části mozku zvané neokortex, vývojově nejmladší části mozku, která je odpovědna za rozum a logiku – zvířatům většinou chybí a tak odlišuje lidi od zbytku přírody.
Elektrická aktivita jednotlivých neuronů bude dešifrována, přičemž snahou vědců bude odhalit principy „jazyka“, kterým se buňky a jejich skupiny domlouvají.
Výsledky poté budou testovány na Blue Gene. Každý jednotlivý procesor počítače bude v tomto modelu reprezentovat jeden virtuální neuron. Celkem 8 000 procesorů tedy bude navzájem komunikovat a pracovat paralelně, přesně tak, jako je tomu ve skutečném mozku. Přesto ani tak vyspělá technika však ani zdaleka nedosahuje komplexnosti mozku – je známo, že tento neuvěřitelně složitý orgán obsahuje na miliardy nervových buněk.
Když dojdou peníze…
V zahraničí najdeme celou řadu takovýchto zajímavých projektů, které se na superpočítačích řeší. Jak je to ale s oblasti „high performance computing“ v České republice? Jistě není žádným tajemstvím, že u nás jsou podmínky pro rozvoj vědy a techniky poměrně skromné. Superpočítače SGI Altix se používají například v Centru intenzivních výpočtů na ČVUT v Praze či na pražské Univerzitě Karlově. Dá se však říci, že výkony těchto systémů nedosahují ani průměrných hodnot, které jsou obvyklé u superpočítačů v západní Evropě.
I na tomto poli však u nás najdeme některé projekty, jež se ale vinou nedostatku financí staly jen nesplněnými sny a zkrachovaly. Jedním z nich je například projekt Národního superpočítačového centra. „Mělo na něj být vynaloženo více než 250 milionů korun, za což by se dal koupit superpočítač skutečně excelentní,“ uvádí pro 21. STOLETÍ Petr Pospíšil z ČVUT, „dalo by se říci, že Česká republika by se tak v oblasti supercomputingu dostala na úroveň slušné vysoké školy v západní Evropě.“ Bohužel, pečlivě připravený projekt nakonec ztroskotal právě na finančních problémech.
Gigant v Los Alamos
Vývoj superpočítačů se však nikdy nezastaví na mrtvém bodě. Vždycky, když si nějaká instituce pořídí nový superpočítač, netrvá dlouho, a objeví se další náročná aplikace či výpočet, na který už ani nový stroj prostě nestačí. Vývoj se tak stále posouvá neuvěřitelně rychle dopředu.
Například v projektu hybridního superpočítače Roadrunner, s jehož instalací v americkém Národním úřadu pro jadernou bezpečnost v Los Alamos společnost IBM právě začíná (dokončení v roce 2008), bude 16 000 procesorů AMD Opteron spolupracovat s více než 16 000 procesory Cell B. E. To vše bude umístěno na ploše o velikosti zhruba tří basketbalových hřišť! Cílem projektu je postavit počítač, který bude schopen výkonu až 1600 biliónů výpočtů za sekundu, tedy 1,6 petaflopů. Výkony superpočítačů tak přecházejí od dosud postačujících teraflopů k hodnotám vyššího řádu s předponou „peta“.
Více se dozvíte:
www.sprinx.cz
www.top500.org
www.supercomputingonline.com
Pomocí gridu proti AIDS
S problematikou superpočítačů souvisí i další oblast, která ve veřejnosti v poslední době získává na popularitě. distribuované výpočty pomocí rozprostřených sítí – gridů. Jedná se o několik desítek či stovek tisíc malých osobních počítačů, propojených přes internet, které svým malým dílkem přispívají k náročným výpočtům mimořádně složitých problémů.
Pokud se chceme zapojit do projektu World Community Grid (který probíhá pod patronací firmy IBM), stačí se zaregistrovat a stáhnout si bezplatný software. Výpočty pak probíhají pouze v době, kdy je náš počítač zcela nevyužívaný. Celá aplikace pak funguje jako spořič obrazovky. Jedná se tedy o určitou formu novodobého dárcovství s tím rozdílem, že nedarujeme třeba krev nebo peníze, ale nevyužitý výkon svého osobního počítače.
Pomocí sítě World Community Grid věnuje v současnosti více než 200 000 jednotlivců výkon zhruba 360 000 počítačů pro rozvoj výzkumu rakoviny. V poslední době se úsilí zaměřilo i na výzkum AIDS (projekt FightAIDS@Home.) „Výpočetní výzvou tohoto problému je závratný počet možných mutací viru HIV, k nimž může dojít, a obrovské množství možných chemických sloučenin, jež proti nim mohou být testovány,“ řekl Arthur J.Olson, profesor Katedry molekulární biologie, Scripps Research Institute (USA). „Nový projekt sítě World Community Grid vyzkouší miliony možných interakcí mezi sloučeninami a mutujícími bílkovinami viru.“
Ceny za supercomputing padají
Rok 1991 1998 2005
Systém Cray Y-MPC C916
Sun HPC10000 PC
Výkon (gigaflopy) 10 10 10
Cena 40 000 000 USD 1 000 000 USD 4 000 USD
Postavení v žebříčku TOP 500 1. 500. –
Zákazníci Vládní laboratoře Velké podniky Každý technik či vědec
Zatímco výkony špičkových systémů byly v průběhu let na přibližně stejné úrovni (10 Gflop), ceny spadly ze 40 milionů dolarů za superpočítač Cray v roce 1991 na 4 000 dolarů za výkonné PC v roce 2005. Trendem v odvětví je dostat supercomputing ze šera laboratoří ke každému vědci či technikovi.
Zdroj: Microsoft
