Proč mít superpočítač
Plány Centra excelence IT4Innovations
Superpočítačové technologie představují klíčovou součást projektu Centra excelence IT4Innovations, ve kterém se mají tyto vysoce výkonné výpočetní prostředky (HPC – High Performance Computing) stát účinným nástrojem pro simulace, modelování a výpočty v nejrůznějších oblastech výzkumu, od molekulárního modelování po simulace klimatu a krizových situací.
Zatímco nejmodernější stolní počítače a notebooky na svých základních deskách ukrývají jako svá „srdce“ procesory, které byly vyvinuty již před několika lety v rámci vývoje procesorů pro superpočítače a pak upraveny pro běžné sériové využití, superpočítače jsou tím opravdovým hybatelem vývoje nových procesorů a informačních technologií jako celku. Proto dosahují náklady na pořízení superpočítačových technologií značné výše v porovnání s cenou jiných běžně dostupných výpočetních prostředků.
V rámci projektu Centra excelence IT4Innovations je plánováno pořízení superpočítačových (HPC) technologií v objemu přes 20 mil. EUR během 5 let trvání projektu. V první fázi bude v r. 2012 zprovozněn tzv. „malý cluster“, tedy výpočetní cluster o výkonu cca 70 TFlop/s sloužící k realizaci první fáze výzkumných programů v rámci CE IT4I a rovněž pro výpočty externích subjektů, ať už z akademické nebo průmyslové sféry. V roce 2014 pak bude zprovozněn hlavní výpočetní systém, tzv. „velký cluster“ o výkonu okolo 850 TFlop/s, který by se měl v době zprovoznění zařadit v žebříčku nejvýkonnějších superpočítačů TOP500.org do první světové stovky. Dalšími součástmi centra budou menší výpočetní prostředky (SMP/NUMA systém, GPU cluster), velkokapacitní úložiště dat, a další nezbytná podpůrná infrastruktura (servery, síťová zařízení, systémy napájení a chlazení všech prostředků, záložní systémy napájení). Superpočítačové centrum IT4Innovations bude rovněž disponovat vizualizačním centrem s výkonnými pracovními stanicemi a zobrazovacími prostředky pro vizualizaci výsledků výpočtů a simulací.
Kde je světová špička?
Ovšem být v první stovce neznamená měřit se s absolutní světovou špičkou. Centrum excelence IT4Innovations je zapojeno v rámci evropské spolupráce do asociace PRACE, jejímž cílem je vytvořit v Evropě ekosystém superpočítačových center, které budou moci využít výzkumníci i průmysloví partneři podle svých aktuálních potřeb. Zásadním cílem této asociace je vybudovat 5-6 center s výpočetními systémy na úrovni světové špičky (zhruba na úrovni první patnáctky v TOP500). Prvním takovýmto systémem v rámci PRACE je superpočítač JUGENE umístěný v německém Jülichu který je momentálně na světovém 9. místě. Náklady na pořízení a udržování takovéto technologie se pohybují v řádu cca 20 mil. EUR ročně, k čemuž se i partneři budující tyto systémy v rámci PRACE zavázali – konkrétní dohoda mluví o investici do zařízení na úrovni 100 mil. EUR za 5 let. Druhým takovýmto systémem je pak francouzský CURIE (další podrobnosti k systémům PRACE). V této souvislosti je rovněž velmi příhodné zmínit náklady na podobné superpočítačové systémy v zemi, která je v oboru na špici, tedy USA. Třetí nejvýkonnější světový počítač Jaguar, umístěný v laboratořích amerického ministerstva energetiky v Oak Ridge, Tennessee, prošel v roce 2010 upgradem procesorů, které zvýšily jeho výkon na 1,75 PFlop/s. Tato výměna procesorů a dalších souvisejících technologií přišla na cca 20 mil. USD, přičemž infrastruktura systému (chlazení, skříně, přívody) zůstala stejná jako u předchozí verze.
Pokud tedy srovnáme investici plánovanou v rámci projektu Centra excelence IT4Innovations, bude se jednat o systém klasifikovaný v rámci PRACE jako tzv. „národní superpočítačové centrum“, náklady na jehož pořízení a provoz budou v období 5 let trvání projektu zhruba pětinové oproti obdobným centrům na evropské, potažmo světové úrovni.
Co nám přinášejí superpočítače?
Superpočítače je v dnešních podmínkách nutné vnímat jako univerzální nástroje, používané prakticky ve všech oborech výzkumu. Silné postavení ve využívání superpočítačových technologií si drží například výzkum v oblasti letecké a vesmírné techniky. Americká NASA a na ní navázané průmyslové podniky využívají superpočítače pro simulaci letů do vesmíru, výpočty drah vesmírných těles i satelitů, ale i pro návrh optimálních tvarů a vlastností vesmírných lodí (raket, raketoplánů a jejich dalších nástupců). V Evropě zase konsorcium Airbus využívá výpočtů a simulací na superpočítačích při vývoji nových dopravních letadel, kde simulace nahrazují v leteckém průmyslu dosud hojně využívané testování v aerodynamických tunelech. Značnou část výpočetních kapacit světových špičkových superpočítačů také využívají výzkumníci z klimatologie a příbuzných oborů. Speciální superpočítače dnes zajišťují spolehlivý provoz služeb předpovědi počasí, ale také například dovedou simulovat různé scénáře šíření katastrofických jevů. Příkladem jsou výpočty amerických vědců, které simulovaly šíření ropné skvrny kolem pobřeží USA po letošní havárii ropné plošiny Deepwater Horizon v Mexickém zálivu, podrobnosti ZDE.
Pohled na sumu kolem 500 milionů Kč, která zhruba představuje rozpočet pořízení souboru superpočítačových technologií pro projekt Centra excelence IT4Innovations během následujících pěti let, vyvolává otázku, zda je taková investice pro zemi velikosti České republiky přiměřená a ekonomicky únosná. Pokud se podíváme na frekvenci výskytu extrémních povodňových situací na území ČR v posledních 20 letech, dojdeme ke zjištění, že zhruba každých 5 let dojde k povodním s výjimečnými následky, které se počítají v desítkách miliard korun (1997 – cca 63 mld. Kč, 2002 – cca 73 mld. Kč, 2010 – odhady kolem 6 mld. Kč). Již dnes je výzkum v oblasti prevence a řízení krizových situací prostřednictvím matematických simulací jednou z „vlajkových lodí“ výzkumu, který bude probíhat v rámci CE IT4Innovations. Také další výstupy výzkumu prováděného na superpočítači budou směřovat ke zlepšování kvality života ať už v ČR nebo globálně. Superpočítač například umožní v intervalu blížícím se reálnému času „inteligentně“ vyhodnocovat situaci na silnicích: na základě analýzy historických dat silničního provozu a aktuální dopravní situace dokáže vytvořit simulační modely predikující pravděpodobný vývoj dopravy, následně tuto informaci doručí do dopravního systému a jednotlivých automobilů, čímž sníží riziko vzniku kolon, ve kterých motoristé zbytečně promarní svůj čas a zároveň znečišťují ovzduší ve městech. Tento systém bude rovněž umět simulovat právě znečištění ovzduší, ať už jako následek situací způsobených člověkem (doprava, exploze, apod.), ale také jako následek přírodních jevů (inverzní situace, výbuch sopky). Dalšími významnými oblastmi výzkumu plánovanými v rámci Centra excelence IT4Innovations jsou například vývoj nových léčiv na bázi nanotechnologií, vývoj nových materiálů pro paměťová média, rozpoznávání hlasu, řeči a informací v obrazových datech, nebo vývoj nových algoritmů využitelných při návrzích průmyslových výrobků a jejich testování (výpočty pevnosti materiálů, tepelného namáhání, tvarová optimalizace).