ในปีหน้าผู้จัดการห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Argonne ของกระทรวงพลังงาน (DOE) ในเมือง Lemont รัฐอิลลินอยส์จะเปิดเครื่องคำนวณขนาดสนามเทนนิส 10 สนามและยกระดับประเทศเข้าสู่ยุคใหม่ของคอมพิวเตอร์ เมนเฟรมมูลค่า 500 ล้านดอลลาร์ที่เรียกว่าออโรร่าอาจกลายเป็นซูเปอร์คอมพิวเตอร์“ เอ็กสแคล” เครื่องแรกของโลกที่ทำงานได้ถึง 1018 หรือ 1 quintillion ต่อวินาที

 ขอขอบคุณบทความคุณภาพจาก ดูหนังออนไลน์

คาดว่าออโรราจะมีประสิทธิภาพสูงสุดมากกว่าสองเท่าของเจ้าของสถิติซูเปอร์คอมพิวเตอร์ในปัจจุบันซึ่งเป็นเครื่องชื่อ Fugaku ที่ RIKEN Center for Computational Science ในเมืองโกเบประเทศญี่ปุ่น Fugaku และญาติการคำนวณทำหน้าที่สำคัญในความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์สมัยใหม่การจำลองสถานการณ์มีความสำคัญต่อการค้นพบในหลากหลายสาขา แต่การเปลี่ยนไปใช้ exascale จะไม่ใช่เรื่องง่าย “ เมื่อเครื่องจักรเหล่านี้เติบโตขึ้นพวกมันก็ยากขึ้นเรื่อย ๆ ในการใช้ประโยชน์อย่างมีประสิทธิภาพ” Danny Perez นักฟิสิกส์จาก Los Alamos National Laboratory ใน NM กล่าว “ เราต้องเปลี่ยนกระบวนทัศน์เกี่ยวกับคอมพิวเตอร์วิธีที่เราเขียนโปรแกรมของเราและวิธีที่เราจัดเตรียมการคำนวณและการจัดการข้อมูล” นั่นเป็นเพราะซูเปอร์คอมพิวเตอร์เป็นสัตว์ร้ายที่ซับซ้อนประกอบด้วยตู้ที่มีโปรเซสเซอร์นับแสนตัว เพื่อให้โปรเซสเซอร์เหล่านี้ทำงานเป็นเอนทิตีเดียวซูเปอร์คอมพิวเตอร์จำเป็นต้องส่งข้อมูลไปมาระหว่างส่วนต่างๆของมันโดยเรียกใช้การคำนวณจำนวนมากในเวลาเดียวกันทั้งหมดในขณะที่ลดการใช้พลังงานให้น้อยที่สุด การเขียนโปรแกรมสำหรับการคำนวณแบบคู่ขนานนั้นไม่ใช่เรื่องง่ายและนักทฤษฎีจะต้องใช้ประโยชน์จากเครื่องมือใหม่ ๆ เช่นการเรียนรู้ของเครื่องและปัญญาประดิษฐ์เพื่อสร้างความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ จากความท้าทายเหล่านี้นักวิจัยได้วางแผนสำหรับการประมวลผลแบบ Exascale มานานกว่าทศวรรษ หลายประเทศกำลังแข่งขันกันเพื่อให้ได้มาเป็นอันดับหนึ่ง จีนได้กล่าวว่าจะมีเครื่องจักร Exascale ภายในสิ้นปี 2020 แม้ว่าผู้เชี่ยวชาญนอกประเทศจะแสดงความสงสัยเกี่ยวกับกรอบเวลานี้ก่อนที่ความล่าช้าจะเกิดจากการแพร่ระบาดของโรคระบบทางเดินหายใจเฉียบพลันรุนแรงระดับโลก coronavirus 2 (SARS-CoV-2) สหรัฐอเมริกาตั้งเป้าที่จะให้ Aurora เปิดดำเนินการในปี 2564 เพิ่มการคำนวณการเพิ่มขึ้นของพลังของคอมพิวเตอร์เป็นไปตามกฎของมัวร์ซึ่งตั้งชื่อตามกอร์ดอนมัวร์ผู้ร่วมก่อตั้ง Intel ซึ่งตั้งข้อสังเกตในปี 1965 ว่าพลังการประมวลผลของชิปคอมพิวเตอร์เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุกๆสองปี ซูเปอร์คอมพิวเตอร์เปลี่ยนจากความสามารถในการทำงานหลายพันครั้งต่อวินาทีเป็นล้านครั้งจากนั้นเป็นพันล้านจากนั้นเป็นล้านล้านต่อวินาทีโดยที่ความสามารถเพิ่มขึ้นประมาณหนึ่งพันเท่าต่อทศวรรษ การประมวลผลที่ทรงพลังเช่นนี้ต้องใช้ไฟฟ้าจำนวนมหาศาล น่าเสียดายที่พลังนี้ส่วนใหญ่กำลังสูญเสียไปเนื่องจากความร้อนที่สูญเปล่าซึ่งเป็นความกังวลอย่างมากในช่วงกลางทศวรรษที่ 2000 เนื่องจากนักวิจัยได้ต่อสู้กับการคำนวณแบบ Petascale ที่สามารถคำนวณได้ 1,015 ครั้งต่อวินาที ภายในปี 2549 ไอบีเอ็มแก้ปัญหานี้ได้ส่วนหนึ่งโดยการออกแบบชิปที่เรียกว่าหน่วยประมวลผลกราฟิก (GPU) ซึ่งมีไว้สำหรับ Sony PlayStation 3 GPU ที่เพิ่งเปิดตัวใหม่เป็นพิเศษสำหรับการแสดงภาพความละเอียดสูงอย่างรวดเร็ว พวกเขาแบ่งการคำนวณที่ซับซ้อนออกเป็นงานขนาดเล็กที่ทำงานพร้อมกันซึ่งเรียกว่าการทำแบบขนานทำให้รวดเร็วและประหยัดพลังงานมากกว่าหน่วยประมวลผลกลางทั่วไป (CPU) GPU เป็นประโยชน์สำหรับซูเปอร์คอมพิวเตอร์ ในปี 2008 เมื่อ Los Alamos Laboratory เปิดตัว Roadrunner ซึ่งเป็นซูเปอร์คอมพิวเตอร์ระดับ Petascale ตัวแรกของโลกมีชิปที่ได้รับแรงบันดาลใจจาก GPU 12,960 ตัวพร้อมกับ CPU 6,480 ตัวและทำงานได้สองเท่าเช่นเดียวกับระบบที่ดีที่สุดถัดไปในเวลานั้น นอกจาก GPU แล้ว Roadrunner ยังรวมนวัตกรรมอื่น ๆ เพื่อประหยัดไฟฟ้าเช่นการเปิดส่วนประกอบเมื่อจำเป็นเท่านั้น ประสิทธิภาพการใช้พลังงานดังกล่าวมีความสำคัญเนื่องจากการคาดการณ์ในการบรรลุ exascale ในสมัยนั้นชี้ให้เห็นว่าวิศวกรจะต้องมี“ โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ครึ่งหนึ่งในการขับเคลื่อนคอมพิวเตอร์” Perez กล่าวสำหรับซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่มีการเชื่อมต่อกันสูงประสิทธิภาพอาจถูกบีบคอเนื่องจากปัญหาคอขวดเช่นความสามารถในการเข้าถึงหน่วยความจำหรือจัดเก็บและดึงข้อมูลได้อย่างรวดเร็ว ในความเป็นจริงเครื่องรุ่นใหม่พยายามหลีกเลี่ยงการสับข้อมูลรอบ ๆ ให้มากที่สุดบางครั้งก็คำนวณปริมาณซ้ำแทนที่จะ***้คืนจากหน่วยความจำที่ช้า ปัญหาเกี่ยวกับหน่วยความจำและการดึงข้อมูลคาดว่าจะแย่ลงใน exascale เท่านั้น หากการเชื่อมโยงใด ๆ ในห่วงโซ่ของการคำนวณมีปัญหาคอขวดอาจทำให้เกิดปัญหาใหญ่ขึ้นได้ ซึ่งหมายความว่าประสิทธิภาพสูงสุดของเครื่องซึ่งเป็นพลังการประมวลผลสูงสุดตามทฤษฎีที่สามารถเข้าถึงได้จะแตกต่างจากประสิทธิภาพที่ยั่งยืนในโลกแห่งความเป็นจริง “ ในกรณีที่ดีที่สุดเราสามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้ประมาณ 60 หรือ 70 เปอร์เซ็นต์” Depei Qian นักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์กิตติคุณของมหาวิทยาลัย Beihang ในปักกิ่งประเทศจีนกล่าวซึ่งช่วยเป็นผู้นำในการผลักดันความพยายามของจีน ฮาร์ดแวร์ไม่ใช่ความท้าทายเพียงอย่างเดียว - ซอฟต์แวร์มาพร้อมกับชุดปัญหาของตัวเอง ก่อนที่จะเปลี่ยนไปใช้ petascale กฎหมายของ Moore ได้ปรับปรุงประสิทธิภาพโดยไม่ต้องคิดใหม่ทั้งหมดว่าเขียนโปรแกรมอย่างไร “ คุณสามารถใช้โปรแกรมเก่า ๆ ได้” เปเรซกล่าว “ ยุคนั้นสิ้นสุดลงแล้ว ผลไม้แขวนต่ำ - เราถอนมันออกไปแล้ว” ส่วนหนึ่งเป็นเพราะ GPU เหล่านั้น แต่ก่อนที่พวกเขาจะเข้ามาโปรแกรมก็ถูกขนานกันเพื่อความเร็ว: พวกมันถูกแบ่งออกเป็นส่วนที่ทำงานในเวลาเดียวกันบนซีพียูที่แตกต่างกันและผลลัพธ์จะรวมกันใหม่เป็นผลลัพธ์ที่สอดคล้องกัน กระบวนการนี้ยากยิ่งขึ้นเมื่อบางส่วนของโปรแกรมต้องทำงานบน CPU และบางส่วนบน GPU เครื่อง Exascale จะมี GPU 135,000 ตัวและซีพียู 50,000 ตัวและชิปแต่ละตัวจะมีหน่วยประมวลผลหลายตัวที่ต้องใช้วิศวกรในการเขียนโปรแกรมที่รันคำสั่งเกือบพันล้านคำสั่งพร้อมกัน ดังนั้นการใช้การจำลองทางวิทยาศาสตร์ที่มีอยู่ในคอมพิวเตอร์ Exascale รุ่นใหม่จะไม่เป็นเรื่องเล็กน้อย “ ไม่ใช่แค่การเลือก [การจำลอง] แล้ววางลงในคอมพิวเตอร์เครื่องใหญ่” แอลรูบี้เหลียงนักวิทยาศาสตร์ด้านบรรยากาศจาก Pacific Northwest National Laboratory ใน Richland, WA กล่าว นักวิจัยถูกบังคับให้ตรวจสอบโค้ดหลายล้านบรรทัดอีกครั้งและปรับให้เหมาะสมเพื่อใช้สถาปัตยกรรมเฉพาะของคอมพิวเตอร์ Exascale เพื่อให้โปรแกรมสามารถเข้าถึงได้ใกล้เคียงกับพลังประมวลผลสูงสุดตามทฤษฎีมากที่สุด