Пять тенденций суперкомпьютеров будущего

ольшинство из нас знает, что такое закон Мура, который по своей сути гласит, что мощность компьютерных чипов удваивается каждые полтора-два года

По мере того как наши устройства становятся все больше завязаны на интернете, а мы постепенно отходим от парадигмы персональных компьютеров, суперкомпьютеры все меньше и меньше кажутся нам громоздкими и безумными устройствами с тысячами охлаждающих боксов и упорядоченным нагромождением процессоров. Но гигантские параллельные системы, которые похожи на эти самые старые суперкомпьютеры, все еще разрабатываются.

Большинство из нас знает, что такое закон Мура, который по своей сути гласит, что мощность компьютерных чипов удваивается каждые полтора-два года. Это относится не только к нашим компьютерам и смартфонам. Все наши электронные устройства идут по пути усовершенствования: скорость обработки растет, чувствительность датчиков, память и даже пиксели экрана или камеры становятся лучше и лучше. Чипы могут улучшаться и уменьшаться до невообразимых пределов, пока квантовые эффекты не начнут вносить диссонанс. Некоторые эксперты считают, что в течение 50 ближайших лет закон Мура все же ограничит и замедлит развитие компьютерных чипов. Неудивительно, что крупнейшие производители чипов уже сейчас начинают искать альтернативу.

Наши телефоны и планшеты еще долго могут удивлять нас удваивающейся каждые два года мощностью, но за кулисами есть вещи, которые требуют больше — «облака», суперкомпьютеры, мельчайшие вычислительные системы. Давайте попробуем предположить, по какому пути пойдут суперкомпьютеры будущего и как это отразится на общей вычислительной мощи нашей планеты.

Экзафлопс и дальше

Миниатюризация компонентов чипа — это только полдела. По другую сторону медали, суперкомпьютерам нужна специальная сборка для пущей мощности. В 2008 году IBM Roadrunner преодолел предел в один петафлопс: один квадриллион операций в секунду. (Флопс означает «количество операций с плавающей запятой в секунду», и это стандарт, который мы используем, говоря о суперкомпьютерах, которые используются для научных расчетов).

В научном представлении петафлопс измеряется в 10¹⁵ операций в секунду. Экзафлопсный компьютер — который появится в 2019 году, по разным прогнозам — будет иметь производительность в 10¹⁸, в тысячу раз больше, чем петафлопсные компьютеры, которые мы наблюдаем сегодня. Для сравнения: самый мощный из 500 самых быстрых суперкомпьютеров в мире по состоянию на 2014 год «Тяньхэ-1А» обладает производительностью меньше 60 петафлопс. К 2030 году суперкомпьютеры должны набрать производительность в зеттафлопс, или 10²¹ операций в секунду, а потом и йоттафлопс, или 10²⁴.

Что эти цифры на самом деле означают? Предполагается, что полная имитация компьютерного мозга станет возможной к 2025 году, а зеттафлопсовые компьютеры смогут точно предсказывать всю погоду на планете за две недели.

Зеленые суперкомпьютеры

У любой мощности есть своя цена. Если кулер вашего компьютера когда-нибудь ломался или вы сидели с ноутбуком на коленях, вы знаете, чего стоит мощность: компьютеры нагреваются в процессе работы. На самом деле, одна из основных проблем разработчиков суперкомпьютеров связана с поиском разумного пути установки и использования могучих машин без сбоев или ущерба для планеты. В конце концов, одно из главных назначений моделирования погодных условий будет направлено на управление выбросами оксида углерода, так что было бы не очень разумно прибавлять климатологам проблем в процессе решения этих задач.

Компьютер работает крайне плохо, если перегревается. Любая компьютерная система полезна настолько, насколько она работает в свои худшие дни, поэтому охлаждение горячих микросхем представляет крупный интерес для инженеров. Более половины энергии, используемой суперкомпьютерами, уходит на охлаждение. И экологические проблемы уже вызывают серьезную обеспокоенность в свете повышения производительности компьютеров. Зеленые решения и энергоэффективность давно стали основой каждого проекта суперкомпьютера.

От охлаждения «бесплатным воздухом» — то есть инженеры пытаются подвести внешний воздух к системе — до аппаратных конструкций,  увеличивающих площадь поверхности системы, ученые пытаются быть максимально инновационными с целью повышения эффективности охлаждения суперкомпьютеров. Одной из наиболее интересных идей, которые пытаются внедрить, является охлаждение системы жидкостью, которая будет собирать тепло по мере течения по трубам в самом компьютере. Проекты, которые входят в топ-500 самых мощных суперкомпьютеров, воспринимают это очень серьезно.

Обращение к проблемам экологии и эффективности не только полезно для нашей планеты, но и необходимо для работы машин. Возможно, это не самый интересный пункт в нашем списке, поэтому давайте пойдем дальше.

Искусственный мозг

Давайте поговорим о том, что должно произойти в период между 2025 и 2030 годами, когда суперкомпьютеры смогут картографировать человеческий мозг. В 1996 году ученый из Сиракузского университета оценил, что наши мозги обладают памятью от 1 до 10 терабайт, в среднем около 3. Конечно, чрезвычайно уместным будет отметить, что наши мозги работают не так, как компьютеры. Но в течение следующих 20 лет компьютеры должны заработать как наши мозги.

Точно так же, как суперкомпьютеры чрезвычайно полезны в картографировании генома человека, решении медицинских проблем и в другом, точные модели человеческого мозга существенно облегчат диагностику, лечение и понимание сложностей человеческой мысли и эмоций. В сочетании с технологией визуализации, врачи смогут выявлять проблемные зоны, моделировать различные формы лечения и даже добраться до корней многих вопросов, которые мучают нас с начала времен. Имплантируемые и прививаемые чипы и другие технологии помогут наблюдать и даже изменять уровень серотонина и других нейромедиаторов для улучшения настроения и общего эмоционального состояния, а неправильная работа отдельных участков мозга в процессе травм, например, и вовсе может быть искоренена.

Помимо успехов в медицине, которые обещают нам суперкомпьютеры, есть также вопрос искусственного интеллекта. Уже сейчас компьютеры средней производительности могут научиться некоторым возможностям искусственного интеллекта, среди которых умная система подборки рекомендаций книг и телевизионных программ — самое меньшее. Представьте себе интернет-врача, который сможет заменить собой настоящего врача и даже целый консилиум лучших врачей мира.

Погодные системы и сложные модели

К 2030 году, как предполагается, зеттафлопные суперкомпьютеры смогут точно смоделировать целую погодную систему Земли за две недели. Мы имеем в виду 100-процентно точную модель всей нашей планеты и экосферы, с местными и глобальными прогнозами, доступными по нажатию кнопки. Если не говорить об очевидно полезных вещах — предсказаний стихийных бедствий, например — представьте, что ваш отпуск или свадьба не будут испорчены погодой, поскольку вы будете знать ее за несколько недель вперед.

Климат Земли — настолько сложная система, что ее часто обсуждают в связи с теорией хаоса, сложность которой некоторые из нас даже и представить не могут. Вопрос о том, может ли взмах крыла бабочки в Бразилии вызвать торнадо в Техасе, перестанет существовать. Короче говоря, сложно даже представить более сложную систему большого масштаба, нежели погода нашей планеты.

Производство продуктов и сельское хозяйство, влияние погоды на другие масштабные научные проекты (полярные экспедиции или запуск космических аппаратов), предсказание стихийных бедствий — это только несколько спасительных вариантов, которые предложит нам вычислительная мощность.

И конечно, погодная система — это только верхушка айсберга. Если вы сможете идеально представить погодные условия, вы так же просто сможете воссоздать любую сложную и большую систему.

Имитация мира

Большинство из нас знакомы с онлайн-играми и может вспомнить, когда симуляторы жизни типа Second Life или The Sims были в моде. Виртуальная реальность всегда была любимым сюжетом научной фантастики. Но если вы умножите ее на возможности суперкомпьютеров, игры и виртуальная среда могут стать больше, чем просто развлечением.

Хотя разработка этакой «Матрицы», безусловно, будет впечатлять, перенос наших повседневных культурных и социальных изменений с целью наблюдения за ними и прогнозирования, могут быть крайне полезны для нашего нестабильного общества. Представьте, как упростятся вопросы городского планирования, застройки новых районов, неравномерного распределения продуктов питания и ресурсов.

Суперкомпьютеры не будут гадать на кофейной гуще: они будут получать информацию из всех возможных источников — от последних твитов в топе до использования энергетической сети на данный момент — и создавать модели, которые помогут регулировать не только текущие факторы, но и будущие планы. Дефицит газа, электричества, воды, планомерное использование этих ресурсов и обеспечение энергией масштабных событий вроде Олимпиады перестанут волновать людей.

С беспроводным интернетом, который захватил страны и весь мир, качественная модель нашего мира в один прекрасный момент не будет отличаться от мира, в котором мы живем. Только сейчас мы начинаем воплощать в жизнь все эти возможности, которые не были бы доступны без суперкомпьютеров.