Superračunala: od japanskog Fugaku do hrvatskog Supeka – tko se njima služi?

Sugovornici su nam bili najrelevantniji hrvatski stručnjaci u ovom području: Emir Imamagić, predstojnik Sektora za napredno računanje u Sveučilišnom računskom centru (SRCE), te dvojac iz Centra za informatiku i računarstvo Instituta Ruđer Bošković (IRB) − voditelj Centra dr. Davor Davidović i dr. Draško Tomić. Neposredni povod bilo nam je puštanje u rad dosad najjačeg hrvatskog računala Supek.

Računarstvo visokih performansi

Za početak pustili smo stručnjaka da nam ukratko objasni čemu superračunala služe. Imamagić pojašnjava:

Superračunalo pruža vrhunsku računalnu okolinu za računarstvo visokih performansi (engl. High Performance Computing − HPC).

HPC omogućava obradu podataka, simuliranje i izvođenje kompleksnih algoritama koji zahtjevaju visoke performanse i velike kapacitete računalnih resursa – procesorskih jezgri, ubrzivača poput grafičkih procesora, radne memorije, spremišta te mrežne povezanosti.

Snaga superračunala uobičajeno se mjeri softverom HPL te izražava u FLOPS-ima, koji prikazuju koliko operacija s brojevima s pomičnim zarezom zapisanih dvostrukom preciznošću superračunalo može izvršiti u sekundi.

Dodaje da su superračunala danas prisutna u svim sferama znanosti i tehnologije, ali u nekima ipak malo više:

Koriste se u klasičnim računski zahtjevnim znanostima poput računalne kemije, molekularne biologije, klimatologije, fizike čestica i mnogim drugima, zatim u području inženjerstva – dinamika fluida, simulacije vozila ili analize naftnih i plinskih istraživanja, a popularna su i u području strojnog učenja i umjetne inteligencije.

U EU trenutno postoji 8 superračunala

Znajući da tehnološki razvoj pridonosi konkurentnosti gospodarstva, Europska unija odlučila je stvoriti europski ekosustav superračunarstva objedinjavanjem stručnih kompetencija i vrhunskih računalnih resursa. S tim je ciljem osnovano Zajedničko poduzeće EuroHPC, koje europskim znanstvenicima te korisnicima iz javnog sektora i industrije omogućuje pristup nekim od najmoćnijih superračunalima na svijetu.

Trenutačno je diljem Europske unije dostupno 8 superračunala agregirane snage preko 850 PFLOPS (petaflop; 1 PFLOPS = 10¹⁵ FLOPS-a).

Riječ je o računalima LUMI u Finskoj, LEONARDO u Italiji, MareNostrum5 u Španjolskoj, Vega u Sloveniji, MeluXina u Luksemburgu, Discoverer u Bugarskoj, Karolina u Češkoj i Deucalion u Portugalu.

U tijeku je i uspostava superračunala JUPITER koje će imati snagu 1 EFLOPS (Eksaflop, 1 EFLOPS = 10¹⁸ FLOPS-a) i biti zasnovano na procesoru Rhea razvijenom u okviru projekta European Processor Initiative (EPI) u kojem sudjeluje i Hrvatska, točnije FER.

Osim mreže superračunala, EuroHPC inicijativa potaknula je i stvaranje mreže nacionalnih centara kompetencija za HPC. U radu hrvatskog centra sudjeluje konzorcij koji čine Sveučilišni računski centar (Srce) kao voditelj, Fakultet elektrotehnike, računarstva i informacijskih tehnologija Osijek Sveučilišta J. J. Strossmayera u Osijeku (FERIT), Tehnički fakultet Sveučilišta u Rijeci (RITEH), Institut Ruđer Bošković (IRB) i Fakultet elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje Sveučilišta u Splitu (FESB).

Kakvi projekti se rade na najjačim superračunalima?

Zahvaljujući ovoj paneuropskoj suradnji, Draško Tomić, biofizičar s Instituta Ruđer Bošković, imao je prilike raditi na trenutno najjačem europskom računalu, a to je finski LUMI, koji može izvršiti preko 300 kvadrilijuna izračuna u sekundi. Naime, sudjelovao je u EuroHPC projektu koji proučava metilaciju DNK, ključan proces u regulaciji gena.

Projekt je dobio 876 tisuća jezgra-sati rada na ovom računalu, a Draško objašnjava zašto im je trebala tolika računalna snaga:

Potreba za tako iznimno jakim računalom proizlazi iz kompleksnosti DNA struktura, koje se sastoje od velikog broja atoma i u kojima vladaju jaka i složena električna polja. Nadalje, za razliku od standardnih proteinskih struktura, procesi u DNA strukturama su dugotrajni i traju od 10 ms naviše. Sve to čini simulacije takvih struktura iznimno složenima i zahtjevnima na računalne resurse.

Cilj ovog projekta je procijeniti koliko je računalnih resursa (jezgra-sati) potrebno za provođenje simulacija DNA struktura u periodu od 10 ms i više, dobiti odgovor na pitanje koliko će one trajati te pripremiti parametre za takve simulacije.

Njegov kolega Davor Davidović radit će na japanskom Fugaku, jednom od najjačih računala na svijetu, na projektu IRB-a i Superračunalnog centra Jülich u Njemačkoj. Cilj projekta je pokušati riješiti jedan od glavnih problema brojnih softvera koji se koriste u fizici materijala i molekulskoj dinamici, a to je značajno skratiti dugo trajanje procesa pronalaženja svojstvenih vrijednosti ili svojstvenih vektora koji opisuju npr. energije i valne funkcije sustava. Time skreće pozornost na važno pitanje softvera za superračunalne sustave:

Nažalost, danas nije moguće samo razviti novo i jače računalo i očekivati da ćete odjednom s postojećim softverom moći rješavati brže i više, već je potrebno i usporedo razvijati nove računalne metode, algoritme i softverska rješenja.

Konkretno, u sklopu projekta proširit će i optimizirati ChASE programsku knjižnicu koju već dugi niz godina razvijaju u suradnji s centrom Jülich i kojom će moći riješiti svojstveni problem za ekstremno velike (dimenzije veće od 100 milijuna) i rijetke matrice.

Na odgovor zašto su se odlučili baš za Fugaku navodi dva razloga:

Prvi je taj da smo imali priliku dobiti pristup drugom najjačem superračunalu u svijetu (u vrijeme pisanja projektnog prijedloga), što nam ipak malo imponira, a drugi je taj što je Fugaku temeljen na ARM procesorima (Fujitsu A64FX) te predstavlja relativno novu arhitekturu u svijetu naprednog (super) računarstva. Mi želimo razvijati i testirati na ARM arhitekturi koja pokazuje sve veći potencijal te sve više superračunala prelazi na ARM umjesto dosadašnjih x86 arhitektura.

Izuzetno važnom smatra i ekspertizu koju će na tom projektu steći, od čega će koristi imati i drugi hrvatski znanstvenici.

Hrvatska superačunalna infrastruktura

Međutim, ova moćna računala imaju jednu manu: previše su glomazna za manje projekte, objašnjava Imamagić.

Pristup superračunalima EuroHPC-a nije omogućen znanstvenim projektima koji su računski manje zahtjevni ili za, primjerice, izradu doktorata, provođenje radionica ili praktične nastave. Upravo zbog toga je nacionalno superračunalo poput „Supeka“, koje je jedan od rezultata strateškog projekta Hrvatski znanstveni i obrazovni oblak (HR-ZOO) ključno u omogućavanju pristupa HPC infrastrukturi svim znanstvenicima i drugim korisnicima, bez obzira na zahtjevnost računske potrebe.

Naime, prošle je godine na lokaciji Srca na Borongaju instalirano superračunalo Supek, nazvano po našem akademiku Ivanu Supeku, teorijskom fizičaru, književniku i filozofu. „Supek“ je zasnovan na tehnologiji HPE Cray EX2500 s ukupno 8384 procesorskih jezgri i 81 grafičkim procesorom, 32 TB radne memorije, koji daju snagu 1,25 PFLOPS-a, što ga čini prvim petaskalarnim superračunalom u Hrvatskoj. Spremište je ostvareno sustavom HPE ClusterStor 1000 iskoristivog kapaciteta 580 TB izmjerene propusnosti 238 GB/s pisanja i 450 GB/s čitanja.

Na Srcu postoji još jedno važno računalo, „Vrančić“, resurs za računanje u oblaku, koje upotpunjava superračunalnu infrastrukturu u Hrvatskoj, kaže Imamagić.

Dok su kod superračunala „Supek“ korisnici ograničeni na zadani operacijski sustav, a poslove pokreću putem sustava za upravljanje poslovima, „Vrančić“ omogućava uspostavu vlastitih virtualnih poslužitelja i punu kontrolu nad njima.

„Vrančić“ je temeljen na sustavu OpenStack te pruža 11 520 procesorskih jezgri, 16 grafičkih procesora i 57 TB radne memorije. Na Vrančiću je uspostavljen virtualni računalni klaster „Padobran“ koji ima 6500 procesorskih jezgri, a namijenjen je manjim poslovima koji mogu koristiti do 128 procesorskih jezgri.

Spektar korisnika se širi

I najvažnije, kojim su korisnicima namijenjeni ovi nacionalni resursi i pod kojim uvjetima? Besplatno ih mogu koristiti svi koji imaju potrebu za naprednim računalnim resursima u provedbi istraživačkih projekata financiranih iz javnih izvora, u izradi završnih, diplomskih, specijalističkih i doktorskih radova na javnim visokim učilištima i javnim znanstvenim institutima te provođenju praktične nastave.

Iz Srca kažu da je od uspostave ovih resursa odobreno oko 150 prijava te je omogućen pristup za oko 300 individualnih korisnika s gotovo 40 ustanova iz sustava znanosti i visokog obrazovanja, a da su najzastupljenija znanstvena područja računalna kemija, biologija, fizika te umjetna inteligencija.

Kao što Zajedničko poduzeće EuroHPC u svojoj inicijativi u budućnosti želi uključiti male i srednje poduzetnike, tako su i ovi hrvatski nacionalni resursi otvoreni i za korisnike tog profila. Kao početak takve suradnje iz Srca ističu svoje sudjelovanje (i pružanjem računalne infrastrukture) u nedavno uspostavljenom digitalnom inovacijskom centru EDIH CROBOHUB++, specijaliziranom za područja umjetne inteligencije, kibernetičke sigurnosti i računarstva visokih performansi.