Superračunari kod nas

Srbija će uskoro ponovo imati najmoćniji superkompjuter u regionu, ali i mogućnost da stvori nešto mnogo, mnogo vrednije

Dr Aleksandar Bogojević pokazuje na kontrolni deo Paradoxa od 100 procesora koji je posvećen kontroli protoka podataka kroz ostatak superračunara

Pre nešto manje od osam godina (SK 10/2004), pisali smo o tome kako se na globalnom nivou menja osnovna filozofija pri dizajnu superračunara. Nova ideja bila je prekid tradicije pravljenja izolovanih, monolitnih superkompjutera i okretanje takozvanom grid računarstvu – pravljenju superračunara sa stotinama i hiljadama procesora, koji su zatim umreženi sa mnogo sličnih računara da bi svi zajedno udružili svoju procesorsku moć. Negde u tom periodu, grupa od tri entuzijasta sa beogradskog Inistituta za fiziku prepoznala je priliku i pravi trenutak da se i Srbija uključi u aktuelna dešavanja na polju superračunara. Ovaj tim sada broji deset puta više ljudi, koji naoružani godinama iskustva gledaju u budućnost i ka onome što bi naša zemlja mogla da postane kada se iskoriste tehnika i znanje kojima raspolažemo. Takođe, u toku sledećih nekoliko meseci superračunar Paradox, koji se nalazi u prostorijama Instituta za fiziku, doživeće svoje treće veliko unapređenje, što će ga učiniti najmoćnijim superkompjuterom u jugoistočnoj Evropi (titula koju je i ova aktuelna verzija držala neko vreme pre tri godine). Tim povodom posetili smo Institut i sa prof. dr Aleksandrom Bogojevićem popričali o prošlosti, sadašnjosti i budućnosti superračunara u Srbiji.

Grid

Te „davne” 2004. godine, prof. dr Bogojević, prof. dr Aleksandar Belić i prof. dr Antun Balaž bili su upoznati sa klimom na evropskoj naučnoj sceni. Oni su uvideli da će potreba za računarskom obradom sve veće količine podataka iz raznih naučnih ustanova nastaviti da raste i da je pravi trenutak za uključivanje u evropsku mrežu superračunara. Tada je, nakon mnogo meseci rešavanja pratećih problema, nabavljena prva verzija našeg superkompjutera, sa u ono vreme impresivnih 50 Intelovih procesora Xeon i snagom od oko 160 megaflopsa. Prilikom postavljanja ovog superračunarskog sistema, našim stručnjacima su od neizmerne pomoći bile njihove kolege iz Grčke. Izabrano ime Paradox je dvoznačno. S jedne strane, to je podsetnik na paralelno računarstvo koje je osnova grida, a s druge je naš dobri, stari inat onima koji su govorili da je paradoksno da Srbija ima superračunar. Vremenom su tokom manjih i većih unapređenja sistema dodavani novi procesori. Ta unapređenja otkrivaju jednu od odličnih strana ovakve arhitekture superračunara – nije bitan proizvođač procesora nego njihova koordinacija i komunikacija. Tako Paradox sadrži Intelove i AMD-ove procesore, zatim deo zasnovan na IBM BladeCenter komponentama, kao i skup nVidijinih procesora Tesla, zasnovanih na arhitekturi Fermi.

IBM-ov procesor BlueGene/Q ima 16 radnih jezgara. Sedamnaesto jezgro kontroliše komunikaciju između njih, a osamnaesto je rezerva za slučaj kvara

Kada se uzmu u obzir svi ovi delovi, Paradox sada broji 1100 procesora čija je zajednička snaga više od 7 teraflopsa i koji aktivno koriste 60 TB prostora za skladištenje. Ove vrednosti same po sebi deluju impresivno, ali postavlja se pitanje čemu služi tolika snaga? Namene su višestruke. Sem očigledne naučne upotrebe, tu su i praktične namene za državne službe – proračuni za kompleksna modeliranja i simulacije u meteorološke, saobraćajne, građevinarske i mašinske svrhe. Zatim, tu je i primena u medicini kod istraživanja ljudskog genoma, u hemiji kod određivanja prostornih konfiguracija novih supstanci i, naravno, u astronomiji i astrofizici. Najbolja stvar kod organizacije u grid jeste to što čak i nije bitno koliko je jak vaš, u ovom slučaj naš, superračunar, već je bitnije to da je on deo grida. To znači da ako potrebe nekog proračuna prevazilaze kratkoročne mogućnosti lokalnog superračunara, zadatak se deli na više delova i prosleđuje drugim članovima grida. Tako neki komplesan model, koji bi naših 1100 procesora računalo nekoliko dana, može da se podeli na desetine lokacija i stotine hiljada procesora širom Evrope i izračuna za manje od pola sata. Samim tim, svaki član grida želi da postoji što više novih članova. Kao što su pre osam godina stručnjaci iz Grčke pomogli pri stvaranju Paradoxa, tako sada naši eksperti iz Instituta za fiziku pomažu u otvaranju drugih superračunarskih centara širom Evrope, kao što su oni u Bosni i Hercegovini, Ukrajini, Moldaviji i Albaniji.

Pomenuta podela ogromne količine podataka na manje delove osnovni je način za obradu obilja sirovih informacija koje se dobijaju u toku eksperimenata u CERN-u na Velikom hadronskom sudaraču (LHC, Large Hadron Colider). U trenutku kada se paketi protona sudare, dva gigantska senzora detektuju energetske vrednosti rasejanih subatomskih čestica. Ta bujica podataka, koja se meri egzabajtima, prolazi kroz neuronske mreže, koje izdvajaju podatke „interesantne” za naučnike i šalju ih na dalju obradu. Jedan eksperiment proizvodi više od petabajta sirovih podataka, što zahteva dane neprestanog rada svih superračunara u gridu. Postaje jasno da kod ovakvih kompleksnih podeljenih proračuna ograničenje nije procesorska snaga već konekcija. Paradox trenutno koristi vezu od 8 Gbita/s (4 up, 4 down). U okviru najavljenog unapređenja biće uvedeni InfiniBand svičevi koji omogućuju protok 40 Gbit/s u svakom smeru.

PRACE

Od 18. juna najmoćniji računar na svetu je Sequoia u Nacionalnoj laboratoriji Lorens Livermor u SAD, zasnovan na IBM-ovim procesorima BlueGene/Q, koji će verovatno biti osnova i za Plavi Dunav

Udruživanje evropskih superračunara počelo je 2002. godine sa projektom DEISA (Distributed European Infrastructure for Supercomputing), kada se 11 najvećih superračunarskih centara iz sedam evropskih zemalja povezalo u mrežu od 10 Gbit/s. Osam godina kasnije, ustanovljen je PRACE (Partnership for Advanced Computing in Europe), čiji je bitan član i Srbija sa Paradoxom. Jedna od značajnih karakteristika svakog superračunara je njegova pouzdanost, koja se određuje na osnovu kvaliteta obrade podataka. Pošto su superkompjuteri kompleksni sistemi, neretko dolazi do neizbežnih problema koji za posledicu imaju loše obrađene podatke. Bez obzira na to da li se računa vremenska prognoza u, recimo, Irskoj ili mehanička svojstva komponenata za sledeću misiju Evropske svemirske agencije, niko ne želi iskvarene podatke. Zato sistem automatski prepoznaje ove ispade, odbacuje informacije sa greškom i ponovo obavlja kalkulacije. U zavisnosti od toga koliko često dolazi do potrebe za ponovnom obradom istih podataka, određuje se pouzdanost nekog superračunara. Na evropskom nivou većina superračunara ima pouzdanost između 65 i 70 odsto. Za kućni računar bi toliki stepen greške bio neprihvatljiv, ali u svetu umreženih superkompjutera to naprosto znači 30–35 odsto duže vreme proračunavanja. Naučnici vide budućnost superračunarske mreže u stapanju sa Internetom, kada bi svi korisnici preko brzih konekcija slobodno koristili procesorsku snagu i vreme.

Zasad su evropski superračunari podeljeni na osnovu svoje snage u tri nivoa (tiera). Takozvani nulti nivo čini pomenutih sedam najvećih nacionalnih centara, koji su se obavezali na to da na svakih šest meseci unapređuju svoje kapacitete i čiji se godišnji fondovi mere stotinama miliona evra. Iako po svojoj sirovoj snazi Paradox balansira između prvog i drugog nivoa, upravo ga njegova pouzdanost čini ekstremno bitnim delom prvog nivoa. Zahvaljujući predanom radu ljudi sa Instituta za fiziku, koji danas broje deset profesora i 22 doktoranata, Paradox može da se pohvali neverovatnom pouzdanošću od čak 98,9 odsto. Zbog tolike pouzdanosti on obavlja „osetljivije” zadatke kao što su kontrola protoka i usmeravanje podataka unutar grida.

Kao što rekosmo na početku, Paradox čeka na novi, veliki upgrade. Ta nezvanično četvrta inkarnacija ovog računara biće najmoćniji računar u regionu. Mnogima je interesantno to što se još ne zna kolika će tačno biti snaga četvrtog Paradoxa. Poznato je da će nakon unapređenja broj procesora biti veći od 8000 i da će imati deset puta povećanu sposobnost protoka i dvaput veći prostor za skladištenje podataka, ali dok se ne završi sama ugradnja, neće biti moguće da se pokrenu testovi i da se vidi koliko tačno teraflopsa „čuči ispod haube”. Razlog za to je neprestano menjanje performansi računara, tako da od trenutka kada su obezbeđena sredstva do ugradnje može da prođe i više od godinu dana. Zato se u specifikacijama navodi relativna snaga superračunara u okviru grida u trenutku puštanja u pogon. Ipak, aktuelne procene su da će četvrti Paradox biti sposoban za 50 do 60 teraflopsa.

AEGIS i egzabudućnost

Krajem juna objavljena je redovna lista 500 najmoćnijih računara na svetu, na čijem su čelu superkompjuteri koji su već probili petaflopsnu barijeru i počinju da gledaju ka egzaflopsima. Ipak, postoji nešto mnogo bitnije od hardvera i brzine računara, a to su ljudi, što se i vidi iz visoke pouzdanosti našeg superkompjutera. Danas zbog te pouzdanosti, kao i činjenice da čak osam laboratorija u Institutu za fiziku nose titulu vrhunske naučne ustanove (European Union Centre of Excelence), Institut je stalno mesto razmene znanja sa ekspertima iz celog sveta. Profesor Bogojević i njegove kolege zato su već okrenuti budućnosti, a to je Plavi Dunav.

Tokom razvoja i unapređivanja Paradoxa, na Institutu za fiziku su školovane desetine stručnjaka svetskog kalibra, koji sada svoja znanja šire dalje, i to kako kod nas tako i u svetu. Ideja je slivanje ovih intelektualnih resursa u novu ustanovu – Nacionalni superračunarski centar. Pomalo komično, dok su prostorije Instituta za fiziku u Zemunu na obali Dunava, izgradnja Nacionalnog računarskog centra, doma Plavog Dunava, planira se malo dalje od same reke – na Novom Beogradu. Razlozi za to su prostorne i infrastrukturalne prirode. Svaki vlasnik računara zna koliko je bitno njegovo hlađenje. Ono što kod desktop računara važi za kućište, kod superračunara počinje da važi za prostoriju, pa i za celu zgradu. Kako godine odmiču, a snaga i broj procesora u Paradoxu rastu, povećavaju se i zahtevi za hlađenjem takve supermašine, koji polako dostižu svoje limite u sadašnjim prostorijama Instituta za fiziku.

Nova zgrada Nacionalnog superračunarskog centra projektuje se namenski oko specijalnih prostorija u kojima će biti smešten planirani superkompjuter Plavi Dunav. Prema dosadašnjim projekcijama, Plavi Dunav će biti bar za red veličine moćniji od unapređenog Paradoxa i, u saradnji sa IBM-om, trebalo bi da se izgradi u toku sledeće dve do tri godine. Postojanje ovog superračunarskog centra doneće višestruku korist našoj zemlji jer, sem toga što bi Srbija time učvrstila svoj položaj na čelu regionalne superračunarske zajednice, ona bi postala i centar znanja i inovacija, koje su preko potrebne našem društvu. Rad na širenju znanja već je odavno u toku. Organizacija AEGIS (Academic and Education Grid Initiative of Serbia) postoji još od 2005. godine i danas obuhvata 13 institucija, koje zajedničkim snagama rade na širenju znanja i integraciji domaćih naučnih ustanova u evropske strukture. Prateći dosadašnje uspehe domaće superkompjuterske zajednice, nema sumnje u to da je kod nas budućnost najbržih računara i vrednih ljudi koji rade s njima veoma svetla.

Dragan KOSOVAC