supertietokone

Mielikuvissa siintää visio, jonka mukaan Suomeen voisi syntyä yksi maailman johtavista datanhallinnan ja laskennan ekosysteemeistä. Se
houkuttelisi tänne muun muassa tutkimusinfrastruktuureja ja datakeskusinvestointeja. Tämä puolestaan lisäisi kotimaisen tutkimuksen kilpailukykyä, työllisyyttä ja talouskasvua.

Kyseessä on eurooppalainen suurteholaskennan yhteishanke, EuroHPC Joint Undertaking. Se on Euroopan unionin hanke, jonka ensimmäisenä, kunnianhimoisena päämääränä on hankkia Eurooppaan vähintään kaksi lähelle eksatasoa kurottavaa supertietokonetta vuoteen 2020 mennessä.

Eksataso tarkoitta sitä, että tietokoneen prosessorien laskentateho on vähintään yksi eksaflop. Tämä vastaa 10¹⁸ laskutoimitusta sekunnissa, eli sitä, että kone tekee miljoona miljoona miljoonaa laskua yhdessä sekunnissa.

Suomen tällä hetkellä ärein tietokone, CSC:n ylläpitämä Sisu kykenee teoreettisesti 1,69:n petaflopin laskentatehoon, mikä vastaa noin 0,00169 eksaflopia. Kyseessä on viime marraskuun tilaston mukaan maailman 267. tehokkain tietokone, kun tehokkain nyt Euroopassa oleva kone (maailman viidenneksi tehokkain) on sveitsiläisten Piz Daint, jonka teoreettinen huippulaskentateho on 0,027 eksaflopia.

Osa komeilla revontulikuvilla koristellusta Sisu-supertietokoneesta on otsikkokuvassa.

Nyt suunnitteilla oleva kone on siis suuri hyppäys ylöspäin ja auttaisi suurta laskentakapasiteettia tarvitsevaa tutkimusta. Monet tieteet käyttävät nykyisin simulointeja ja suurten, toisiaan täydentävien tietomassojen käsittelyä, mihin tarvitaan myös supertietokoneita.

Tutkimuksen ohella hanke on merkittävä suomalaiselle tietojenkäsittelyosaamiselle, sillä EuroHPC-supertietokoneen avulla Suomesta voisi tulla arktisen dataliikenteen globaali solmukohta. Järjestelmä sijoitettaisiin CSC:n Kajaanin datakeskukseen.

Iso, kallis ja tärkeä hanke

EU on budjetoinut EuroHPC-hankintoihin yhteensä noin 1,4 miljardia euroa. EU-komissio rahoittaa puolet EuroHPC:n superkoneiden hankinnasta. Toinen puolikas rahoituksesta tulee osallistuvilta mailta.

Tarvittava rahoitus riippuu konsortioon kuuluvien maiden määrästä ja esi-eksa-tason supertietokoneiden lukumäärästä, joita EU-komissio on kaavaillut olevan vähintään kaksi. Moni Euroopan maa näkee Suomen ihanteellisena sijaintipaikkana EuroHPC:n supertietokoneelle.

Päätökset EuroHPC:n ensimmäisten supertietokoneiden sijaintipaikoista tehdään kevään 2019 aikana.

Hakuprosessia varten ollaan muodostamassa laajapohjainen eurooppalainen konsortio, joka tukee esieksatason supertietokoneen sijoittamista Suomeen. Mukana konsortiossa ovat tällä hetkellä muun muassa Pohjoismaat ja Sveitsi.

"Tämä konsortio pystyy tarjoamaan laadukkaan, kustannustehokkaan ja laajapohjaiseen eurooppalaiseen yhteistyöhön pohjautuvan ekosysteemin, joka on myös ympäristöystävällinen", sanoo CSC:n toimitusjohtaja Kimmo Koski.

"Laitteistojen lisäksi tarvitaan korkeatasoista osaamista laskennasta datanhallintaan. Konsortion jäsenillä on vuosikymmenten kokemus tämän tyyppisten palveluiden tehokkaasta tuottamisesta. Suomelle EuroHPC-hanke on valtava mahdollisuus, joka tukee myös kansallista datanhallinnan ja laskennan kehittämishanketta ja vahvistaa kilpailukykyämme."

EuroHPC:n seuraavassa vaiheessa kehitetään eurooppalaista suurteholaskennan osaamista ja teknologiaa siten, että vuosien 2022–2023 aikana Eurooppaan on tarkoitus hankkia maailman nopeimpiin kuuluva eksatason tietokone, joka perustuu eurooppalaiseen teknologiaan.

Juttu on lähes suoraan CSC:n tiedote, jota on editoitu ja täydennetty.

Tagit

supertietokone

csc

kajaani

Yhdysvaltain keskiosien laajoilla tasangoilla on usein huimia pyörremyrskyjä, tornadoja, jotka saavat aikaan paljon tuhoa ja joita myrskybongarit tulevat katsomaan kautta maailman.

Keskimäärin maahan asti ylettyviä tornadoja havaitaan vuodessa noin 1200 ja viime aikoina ilmastonmuutoksen myötä ne ovat tulleet yleisemmiksi sekä voimakkaammiksi.

Vuonna 2011 oli Oklahomassa oli muutamia erityisen voimakkaita pyörremyrskyjä, jotka ovat nyt heränneet uudelleen henkiin tietokoneiden simulaatioissa.

Wisconsin–Madisonin yliopiston Sääsatelliittitutkimuskeskuksen (Meteorological Satellite Studies, CIMSS) tutkija Leigh Orf on onnistunut jäljittelemään hyvin luonnollisesti supertietokoneilla todella tapahtuneen tornadon syntyä ja kehitystä, ja tulos on paitsi kiinnostava, niin myös visuaalisesti upea.

Tutkimuksella on myös löyhä yhteys Suomeen: Wisconsin–Madisonin sääosaston suuri nimi oli vuosikymmenien ajan 1950-luvun lopulta alkaen Verner Suomi, toisen polven amerikansuomalainen, joka keksi käyttää ensimmäisenä satelliiteja sääilmiöiden havaitsemiseen. Hänen mukaansa on nimetty Nasan NPP Suomi -satelliitti.

Tarkemmin Verner Suomesta voi lukea Suomi 100 -satelliitin sivuilta.

Kuvassa näkyvää koneen vesijäähdytteistä keskusyksikköä ei olisi edes ymmärtänyt tietokoneeksi, vaan omituiseksi istuimeksi, mutta se edusti aikansa huippua.

Päivän kuva Kuvassa on 1970- ja 1980-lukujen klassinen supertietokone Cray, joka oli erikoisesti muotoiltu – kuten Cray-tietokoneet ovat aina olleet ja ovat edelleen.

Ensimmäinen tämänkaltainen kone oli Cray 1, joka esiteltiin vuonna 1976. Koneen suunnittelija oli jo aiemminkin suurten ja tehokkaiden tietokoneiden kanssa työskennellyt Seymour Cray, jonka ideana oli tehdä tietokoneesta hevosenkenkämäinen, missä osat olivat säteittäisesti toistensa ympärillä, koska silloin yhteys koneen osasta toiseen oli lyhyempi ja nopeampi kuin laatikkomaisissa, perinteisissä tietokoneissa.

Alla oleva kuva näyttäää Lausannen teknillisessä yliopistossa olleen koneen sisuskalut.

Cray-1 oli vallankumouksellinen tietokone, sillä se oli vuonna 1976 maailman nopein tietokone, maailman kallein tietokone sekä myös hinta/teho-suhteella laskettuna edullisin tietokone. Tutkijoiden lisäksi monet yritykset ostivat koneita käyttöönsä ja siitä tuli nopeasti suosittu.

Koneen kellotaajuus oli aluksi 80 MHz, mutta se saatiin myöhempinä vuosina nostettua 120 MHz:iin. Teoreettisesti se pystyi hetkellisesti 160 - 240 MIPSin laskentavauhtiin.

Huippunopeat kytkentäratkaisut vaativat huomattavan paljon sähköenergiaa, ja Cray-1:n tehontarve olikin noin 115 kilowattia. Tästä syntyi koneen toimiessa paljon hukkalämpöä, mistä johtuen koneessa oli fronia käyttänyt jäähdytysjärjestelmä ja jäähdytysnäkökohdat oli huomioitu erityisesti myös muotoilussa.

Massaa koneella oli noin 5,5 tonnia.

Tehon ja suorityskyvyn vertaaminen suoraan nykykoneisiin on hieman hankalaa, mutta karkeasti arvioiden vuonna 2013 esitelty iPhone 5S on on noin 10 000 kertaa tehokkaampi tietojenkäsittelylaite kuin oli Cray 1.

Suomessa luotettiin myös 1970- ja 80-luvuilla Cray-tietokoneisiin ja kuvassa olevan kaltainen kone Cray X-MP on esillä Jyväksylän yliopiston Agora-rakennuksessa Mattilanniemessä. Kiinnostavan tarinan koneesta ja sen käytöstä voi lukea Tieteen tietotekniikan keskuksen CSC:n nettisivuilta.

Myös nykyisin Suomen tehokkaimmat tietokoneet ovat Cray-koneita, tosin alkuperäinen yhtiö on tehnyt välillä konkurssin (koneet olivat kenties "liian" taiteellisia).

Vuonna 2013 avatussa CSC:n Kajaanin datakeskuksessa on Cray XC30 "Cascade" -malliin perustuva Sisu, joka jo kättelyssä oli noin kolme kertaa tehokkaampikuin edellisen sukupolven Suomessa ollut Cray-superkone (Louhi).

Seuraavana vuonna Sisu sai vielä lisää puhtia uusien prosessorien myötä ja nyt sen teoreettinen huipputeho on 1,7 petaflopsia eli 1,7 · 10¹⁵ liukulukulaskutoimitusta sekunnissa. Se oli vuonna 2014 Pohjoismaiden nopein supertietokone ja on edelleen eräs äreimmistä.

Konetta käyttävät mm. ilmaston, astrofysiikan ja nanotekniikoiden tutkijat, samoin materiaali- ja biotieteilijät sekä fuusioenergian ja uusiutuvien energiamuotojen tutkijat.

Otsikkokuva: Chilton Computing Lab

Tagit

Supertietokoneen voisi kutistaa kirjan kokoiseksi – jos se olisi elävä. McGill-yliopistossa on mallinnettu tietokonetta, joka toimii samalla periaatteella kuin nykyiset ison huoneen täyttävät supertietokoneet, mutta vie paljon vähemmän tilaa ja energiaa. Ja käyttää hyväkseen proteiineja.

"Olemme onnistuneet kehittämään hyvin mutkikkaan verkoston, joka vie hyvin vähän tilaa", toteaa Dan Nicolau vanhempi. Hän alkoi kehitellä ideaa poikansa, Dan Nicolau nuoremman kanssa yli kymmenen vuotta sitten. Pari vuotta myöhemmin mukaan tuli tutkijoita Saksasta, Ruotsista ja Hollannista.

"Alkuun se oli kuin tupakkiaskin kanteen piirretty hahmotelma, joka oli muistaakseni tulosta ylenmääräisestä rommista. Piirrokset näyttivät siltä kuin pienet madot olisivat seikkailleet labyrintissa."

Tutkijaryhmän kehittelemä biotietokone perustuu geometrisen mallinnuksen ja nanomittakaavan rakennetekniikan yhdistämiseen. Ensimmäisessä vaiheessa oli osoitettava, että tällainen biologinen supertietokone voi ylipäätään toimia.

Tutkijoiden kehittelemä piiri muistuttaa kiireisen kaupungin katu- ja tieverkostoa lentokoneesta katsottuna. Erikokoiset autot liikkuvat kulkuväylillä erikokoisten moottoreiden vauhdittamina.

Biotietokoneessa "kaupunkina" on 1,5 senttimetriä kanttiinsa oleva siru, johon on syövytetty "kadut ja tiet". Autojen – ja tavallisten tietokoneiden mikropiirien elektronien – sijasta piirissä kulkee lyhyitä proteiiniketjuja, joiden "polttoaineena" ovat adenosiinitrifosfaatti- eli ATP-molekyylit.

Tällainen tietokone ei kuumenisi juuri lainkaan, joten se kuluttaisi paljon vähemmän energiaa ja olisi ympäristön kannalta paljon kestävämpi ratkaisu kuin perinteinen, jäähdytystä vaativa supertietokone. Nyt kehitellystä mallista on kuitenkin vielä matkaa toimivaan biotietokoneeseen.

"On vaikea sanoa, kuinka pian saadaan aikaiseksi täysimittainen biologinen supertietokone. Yhtenä vaihtoehtona on käyttää laajojen ja mutkikkaiden ongelmien ratkaisuun kehittelemämme laitteen ja perinteisen tietokoneen yhdistelmää, eräänlaista hybridiä. Parhaillaan etsimme keinoja viedä tutkimusta entistä pidemmälle", sanoo Nicolau.

Tutkimuksesta kerrottiin McGill-yliopiston uutissivuilla ja se on julkaistu Proceedings of the National Academy of Sciences -tiedelehdessä.

Kuva: Till Korten

Tagit

biotietokone

supertietokone

adenosiinitrifosfaatti

proteiinit

Simulaatio nesteen virtauksesta kalkkikivikuutiossa

Kuvassa on tietokonemallinnus virtauskentistä pienessä näytepalasessa suomalaisvetoisen tutkijaryhmän työn tuloksena.

Siinä suuntavektoreiden punainen väri edustaa nopeaa ja sininen hidasta virtausta, kun taas keltainen sekä vihreä väri edustavat nopeuksia ääripäiden välistä.

Mutta mistä siinä on kyse?

Kuvan palanen on olevinaan hiekkakiveä, mutta supertietokoneen simuloimana. Huokoisen kivenpalasen fysikaaliset ominaisuudet ja rakenne on laitettu simulaatioon, ja sitten tietokone laskee miten neste – tässä tapauksessa vesi – kulkee sen läpi.

Hiekkakiven ja muiden huokoisten materiaalien tutkimus on kiinnostavaa paitsi perustutkimuksen vuoksi, niin myös siksi, että esimerkiksi öljyteollisuus on hyvin kiinnostunut siitä, miten nesteet virtaavat huokoisessa kivessä. Tiedolla on myös käyttöä eroosion ennustamisessa, yhteiskuntainfrastruktuurin suunnittelussa, saasteiden vaikutusten tutkimisessa ja monessa muussa yllättävässäkin asiassa: myös osteoporoosin haurastama luu on huokoista kalkkipitoista ainetta, ja sen ominaisuuksien simulointi on tärkeää.

Näiden materiaalien tutkimus laboratoriossa on hankalaa, koska niiden rakenteen sekä nesteenläpäisy- ja johtamisominaisuuksien tutkiminen samanaikaisesti laajassa mittakaavassa ja yksityiskohtaisesti on lähes mahdotonta.

Siksi näytteiden käyttäytymisen mahdollisimman luonnollinen jäljittely tietokoneella on hyvin hyödyllistä. Mitä suurempi 'näyte' voidaan simuloida ja mitä tarkemmin siinä onnistutaan, sitä parempi.

Ja koska suomalaisjohtoinen tutkimusryhmä onnistui tekemään tämän suuremmalla näytteellä noin tuhat kertaa tarkemmin kuin aikaisemmin, on syytä olla tyytyväinen.

Tutkimus julkaistiin Journal of Computational Science -lehden tuoreessa numerossa.

"Mittasuhteiden hahmottamiseksi kuvittele tavallinen noppa, joka ensin viipaloidaan yli 16 000 poikkileikkeeseen, ja sitten kukin leike kuvataan tarkkuudella, jonka esittämiseen edes nykyaikaisimmat elokuvateatterit eivät vielä kykene", tutkijatohtori Keijo Mattila Jyväskylän yliopistosta kertoo.

Nykyaikaisimmat teatterit näyttävät elokuvia 4K-kuvana, eli 4096 × 2160 pikselin tarkkuudella.

Kooltaan 1,5 cm³ olevan kivinäytteen rakenne koostuu noin miljoonasta mikroskooppisen pienestä, osittain toisiinsa kytkeytyneestä hiekanjyväsestä. Näiden jyvästen väliin jäävä tila muodostaa huokosverkoston, jota pitkin vesi ja muut virtaavat ainekset pääsevät kulkeutumaan. Tutkijaryhmän toteuttama tietokonesimulaatio mallintaa virtausta tällaisessa huokosverkostossa, ja siten virtausta kokonaisen kivinäytteen läpi.

Temppu on kiinnostava myös simulaatioteknisesti: tässä käytettiin kolmiulotteista kuvaa, joka koostuu 16384³ vokselista (joka on pikselin kolmiulotteinen vastine). Tämä tarkoittaa hieman alle mikrometrin resoluutiota, johon ei aiemmin ole kyetty samankokoisilla materiaalinäytteillä.

Vaativa laskutoimitus suoritettiin Iso-Britanniassa, Edinburghissa olevalla Archer-supertietokoneella, jonka koko kapasiteetista simulaatiota varten varattiin 96 % yhtäjaksoisesti 10 tunnin ajan.

Simulaatio edellytti 137 teratavua tietokoneen keskusmuistia, joka vastaa noin 17 000 tavallisen kannettavan tietokoneen yhteenlaskettua muistia. Tehtävän suorittamisen sähkönkulutus oli kokonaisuudessaan noin 7500 kWh.

Lisäksi tutkijaryhmä teki suorituskykymittauksia maailman toiseksi tehokkaimmalla supertietokoneella, Yhdysvalloissa Oak Ridgen kansallisessa laboratoriossa olevalla Titan-supertietokoneella. Kun sen laskentayksiköistä oli käytössä 88 %, eli 16384 laskentaan soveltuvaa grafiikkaprosessoria, mitattiin ryhmän kehittämälle simulaatio-ohjelmistolle laskentatehokkuudeksi 1,77 petaflopsia.

Tämä tarkoittaa 1 770 000 miljoonaa miljoonaa laskutoimitusta sekunnissa.

Simulaatioennätys on kiinnostava läpimurto paitsi huokoisten materiaalien tutkimuksessa, niin myös simulaatio tekniikassa. Se myös osoittaa konkreettisesti kuinka tietokonesimulointi voi olla tulevaisuudessa yhä enemmän avuksi laajemmin materiaalitutkimuksessa.

Ja myös käytännön ongelmissa, mistä osoituksena on se, että Mattilan koordinoimaan tutkijaryhmään kuuluu jäseniä myös Brasilian kansallisen öljy-yhtiön Petrobrasin tutkimuskeskuksesta. Muut jäsenet ovat Tampereen teknillisestä yliopistosta, Luonnonvarakeskuksesta ja Åbo Akademista. Simulaatio-ohjelmiston kehittämisessä hyödynnettiin Tieteen tietotekniikan keskuksen CSC:n tarjoamia laskentapalveluita.

Artikkeli perustuu Jyväskylän yliopiston tiedotteeseen.

Huom:
Jutun otsikkoa on muutettu 22.12. aamulla: numero 163843 on muutettu 4398 miljardiksi. Julkaisujärjestelmä ei suostu näyttämään otsikossa potenssimerkkiä, joten 16384³ oli muuttunut muotoon 163843. Tarkalleen 16384³ on 4398046511104.

Tagit

Tilaa aihepiirin supertietokone RSS-syöte