Større og bedre superdatamaskiner er en essensiell komponent når fremtidens teknologi skal utvikles. De kan for eksempel bidra til å oppdage nye medisiner og nanomaterialer samt å gjøre biler og fly mer miljøvennlige. Samtidig bruker verdens største superdatamaskin omtrent like mye energi i året som en liten og kald norsk kommune. Dette er ikke bærekraftig, og derfor kan vi ikke bygge vesentlig større superdatamaskiner uten å forbedre energieffektiviteten betraktelig.
Hvorfor trenger vi stadig større superdatamaskiner?
Superdatamaskiner er den generiske infrastrukturen som bedrifter og forskere bruker til å løse beregningsintensive problemer, og brukes til å løse problemer i en rekke domener (les mer i ETP4HPC):
- Medisin: Mengden tilgjengelig biomedisinsk informasjon øker stadig. Større superdatamaskiner kan behandle denne informasjonen effektivt og dermed blant annet bidra til å finne nye og mer effektive medisiner
- Nanoteknologi: Større superdatamaskiner kan for eksempel identifisere nye nanomaterialer til bruk i for eksempel elektronikkindustrien.
- Flyindustrien: Bedre superdatamaskiner hjelper flyprodusenter å effektivt designe mer miljøvennlige fly med høyere ytelse og bedre energieffektivitet.
- Bilindustrien: Større superdatamaskiner hjelper bilindustrien å redusere utviklingskostnader og samtidig gjøre bilene tryggere og mer miljøvennlige.
- Energibransjen: Energibransjen kan bruke bedre superdatamaskiner til å øke sikkerheten og effektiviteten på produksjonsinstallasjonene samt å distribuere energien mer effektivt.
- Olje og gass: Større superdatamaskiner gjør det mulig å analysere seismikkdata mer effektivt. I tillegg kan de bidra til mer effektiv brønnboring, mer effektive installasjoner og mer effektiv operative virksomhet.
Denne listen er bare noen få eksempler på hva en superdatamaskin kan brukes til. Fellesnevneren er at en større og mer effektiv maskin vil gi bedre resultater. Dette vil igjen gjøre brukeren i stand til å øke effektiviteten og ta bedre valg. Følgelig er det stor interesse for å konstruere stadig større og bedre superdatamaskiner.
Foto: Kai T. Dragland/NTNU
Hvordan virker en superdatamaskin?
En superdatamaskin er en gigantisk kalkulator. Den er realisert med at tusenvis av datamaskiner plasseres i samme rom og kobles sammen med et høyhastighetsnettverk. Forskerne bruker superdatamaskinen til å gjøre gigantiske beregninger. Dette får de til gjennom å la hver datamaskin gjennomføre en liten del av regnestykket. Avhengig av problemet kan størrelsen på superdatamaskinen enten utnyttes til å enten få svaret på ett gigantisk regnestykke eller til å løse mange uavhengige regnestykker. For eksempel er værmelding og klimamodellering i bunn og grunn ett stort regnestykke. En større superdatamaskin vil dermed gjøre det mulig for forskerne å kjøre mer detaljerte eksperimenter som igjen vil bidra til bedre værvarsler og bedre forståelse av hvordan menneskelig aktivitet påvirker klimaet.
Enkelt sagt vil den som har tilgang til den største superdatamaskinen ha et konkurransefortrinn over de som har mindre superdatamaskiner. Av denne grunn har EU lagt mye penger på bordet for å sikre at fremtidens superdatamaskiner utvikles i Europa. En mye omtalt målsetning er å konstruere en superdatamaskin som er i stand til å gjennomføre 10^18 kommatallsregnestykker i sekundet (FLOPs). En slik maskin omtales som ”exascale” etter SI-prefikset exa som betyr 10^18. Den største superdatamaskinen i verden er i følge TOP500 kinesiske Tianhe-2. Denne maskinen har en teoretisk maksimalytelse på ca 0,05 exa-regnestykker i sekundet. Man kan derfor trygt si at man fortsatt er et godt stykke unna exascalemålsetningen.
Hovedutfordringen med å nå exascale er energiforbruket til superdatamaskinene. For eksempel har Tianhe-2 et effektforbruk på 17,8 megawatt som gir et årlig forbruk på omtrent 156 GWh. Dette er omtrent like mye energi som hele Hemsedal kommune brukte i 2009 (152,3 GWh i følge SSB)). Følgelig blir det svært dyrt å holde store superdatamaskiner i drift. Det er faktisk så dyrt at det vitenskapelige miljøet forventer at en superdatamaskin som bruker mer enn 20 megawatt ikke vil bli brukt i praksis. For å nå exascalemålsetningen må man dermed øke størrelsen på superdatamaskinen uten å øke energiforbruket. Med andre ord må man øke energieffektiviteten og få flest mulig regnestykker ut av hver watt.
READEX-prosjektet
NTNU jobber med denne utfordringen blant annet gjennom EU-prosjektet READEX. I READEX utnytter vi erfaringen vi har med å utvikle såkalte innvevde systemer. Et innvevd system er noe forenklet sagt en datamaskin som man ikke tror er en datamaskin. Eksempler er mobiltelefoner, biler og bærbare musikkspillere. Siden mange innvevde system bruker batterier, har energieffektivitet vært en hovedutfordring i mange år. I READEX-prosjektet har vi som mål å overføre og tilpasse kunnskapen om hvordan man lager energieffektive innvevde system til superdatamaskiner og dermed øke energieffektiviteten på disse. Grunnideen er å tilpasse energiforbruket til de ulike datamaskinene i superdatamaskinen etter oppførselen til programmet og dermed unngå å bruke mer energi enn nødvendig. Prosjektet har nettopp startet, så konkrete resultater må vi komme tilbake til.
Fakta om READEX
Run-time Exploitation of Application Dynamism for Energy efficient eXascale computing (READEX) er et 3-årig forskningsprosjekt finansiert av EUs forsknings- og innovasjonsprogram Horisont 2020 under kontraktnummer 671657. Prosjektet er koordinert av TU Dresden og i tillegg til NTNU bidrar de akademiske partnerne TU Munchen, IT4I, NUIG og bedriftene Intel og GNS. NTNU bidrar gjennom forskningsfyrtårnet Energy Efficient Computing Systems (EECS) og nøkkelpersonene er professor Per Gunnar Kjeldsberg, førsteamanuensis Magnus Jahre og post doc Mohammed Sourouri.
Dette innlegget ble skrevet av førsteamanuensis Magnus Jahre , Institutt for datateknikk og informasjonsvitenskap.
Foto: Kai T. Dragland/NTNU