Superkomputer - co potrafi? Użytkownicy klasycznych PC mogą o nim tylko pomarzyć

Czym tak właściwie jest superkomputer? Jak działają komputery kwantowe? Dlaczego zwykli użytkownicy mogą co najwyżej pomarzyć o takiej mocy? Na te wszystkie pytania odpowiem w dzisiejszym artykule. Czym tak naprawdę są te magiczne stacje robocze, które pozwalają nam odkrywać kompletnie nowe możliwości. Jakie korzyści niosą? Jak można ujarzmić ich potęgę? Zapraszam do lektury.

Superkomputer, taki jak ten widoczny na zdjęciu tytułowym, jest w dużym uproszczeniu poskładany z wielu setek pomniejszych maszyn spiętych ze sobą w klastry, które współpracują w ramach jednej, gigantycznej sieci obliczeniowej. Każda z nich wyposażona jest w procesor odpowiedzialny za obliczenia i setki gigabajtów pamięci operacyjnej. Najszybsza jednostka na świecie - Fugaku - dysponuje w tym momencie mocą przekraczającą 442 PFLOPSy. Maszyna została uruchomiona w 2020 roku, znajduje się w Japonii i ponad trzykrotnie (pod względem mocy obliczeniowej) wyprzedza dotychczasowego, amerykańskiego lidera od IBM. Najwięcej superkomputerów znajduje się w Chinach - łącznie 173 zestawy. Co ciekawe, w Polsce mamy aż cztery takie urządzenia, chociaż wszystkie one razem wzięte nie są nawet w połowie tak potężne jak Fugaku. 

Do jakich zadań służy superkomputer? Co można dzięki niemu osiągnąć?

Tego typu maszyny powstały głównie po to, by realizować wiele przeróżnych, skomplikowanych obliczeń. Każde z urządzeń wykorzystywane jest w nieco innym celu, ale wszystkie służą rozwiązaniu jakiegoś konkretnego problemu. Postawienie takich stacji roboczych kosztuje co najmniej setki milionów złotych, więc stać na to wyłącznie największe firmy na świecie, które zrobią z tak olbrzymiej mocy właściwy użytek. Dla przykładu, wspomniany powyżej Fugaku złożono z 158,976 procesorów (każdy ma 48-rdzeni) taktowanych z prędkością 2,2 GHz. Całość zaprojektowało Fujitsu, korzystając ze swoich rozwiązań, bez wsparcia "wielkich" przedsiębiorstw, jak Intel, AMD czy NVIDIA. W środku nie ma żadnych układów graficznych w przeciwieństwie do superkomputerów od IBM, gdzie znajdziemy GPU od NVIDII (modele Tesla V100). Koszt postawienia Fugaku zamknął się w okolicy 1 miliarda dolarów. 

Współczesne superkomputery klasyfikuje się jako urządzenia czwartej generacji, oparte na układach scalonych wielkiej integracji. Mogą wykonywać wiele przeróżnych zadań, umiejętnie rozdzielając dostępne zasoby mocy obliczeniowej. Wiadomo, że postawienie takich urządzeń wymaga też odpowiednio dużej, klimatyzowanej hali, a całość procesorów (i ewentualnych układów graficznych) musi otrzymać właściwe i wydajne chłodzenie. To wszystko generuje gigantyczne zapotrzebowanie na energię, która nie jest przecież nieskończona, więc dostawianie kolejnych jednostek tego typu jest ograniczone i uwarunkowane kilkoma czynnikami. Nie zawsze i nie wszędzie są na to zasoby i możliwości. 

Oczywiście wszelkie porównania współczesnych komputerów domowych do superkomputerów nie mają żadnego sensu. Dziesiąta maszyna na liście najwydajniejszych jednostek, czyli amerykański Voyager-EUS2 ma wydajność na poziomie 30 PFLOPsów. Dla przykładu, Xbox Series X ma "tylko" 12 TFLOPSów, a karta graficzna NVIDIA GeForce RTX 3080 osiąga nieco poniżej 30 TFLOPSów. Dla łatwości obliczeń można przyjąć, że 1000 TFLOPSów to jeden petaflops. Mówimy zatem o gigantycznych możliwościach. Takie maszyny wykorzystuje się do prac nad sztuczną inteligencją, nowymi rozwiązaniami w medycynie, podbojach kosmosu, obliczeniach fizycznych, chemicznych i matematycznych, które przyczyniają się do wynalezienia nowych i skutecznych metod powstrzymania najcięższych chorób. 

Co ciekawe, najszybsze superkomputery zbudowane niespełna 30 lat temu miały wydajność na poziomie 7,2 TFLOPSa, więc sporo mniej niż ma obecnie PlayStation 5 (10,28 TFLOPSa). Widać zatem, jak bardzo rozwój technologiczny poszedł naprzód, skoro w takim czasie udało się zwiększyć dostępne zasoby o tak niewyobrażalne wartości. A to przecież jeszcze nie koniec, bo czeka nas kompletnie nowa i niezbadana era komputerów kwantowych, które potrafią zrobić rzeczy absolutnie niebywałe. Najważniejszą zmianą względem "klasycznych" jednostek jest sposób przesyłania informacji wyrażany w kubitach, a nie bitach. Szybkość działania jest doprawdy szalona, ponieważ cząsteczki kwantowe są między sobą dosłownie teleportowane, zupełnie niezależnie od odległości. Dodatkowo obydwie będą zawierały dokładnie te same informacje. Ich sposób konstrukcji i sama budowa są jednak wielokrotnie bardziej skomplikowane niż tradycyjnych jednostek, więc trochę jeszcze wody w Wiśle upłynie, zanim doczekamy się przepotężnych superkomputerów kwantowych. Taka rzeczywistość jednak nadejdzie, a wtedy... możemy liczyć na niewyobrażalny dziś rozwój technologiczny. Co trochę przeraża, patrząc na scenariusze do filmów science-fiction, gdy roboty i sztuczna inteligencja przejęły władze nad światem (najgorsze, że takie rokowania też są brane pod uwagę przez naukowców). 

Ale wracając na ziemię - dla przykładu, procesor kwantowy opracowany przez Chińczyków jest blisko 60 tysięcy razy szybszy niż obecne superkomputery znajdujące się na liście TOP10 z całego świata. Ta jednostka ma "tylko" 66 sprawnych kubitów. Nawet taka liczba oferuje kosmiczne możliwości. Test polegający na rozwiązaniu problemu z "pobieraniem próbek" komputer kwantowy przeszedł w nieco ponad godzinę i 20 minut. Dla porównania, dokładnie to samo zadanie zajęłoby najszybszemu chińskiemu superkomputerowi (o wydajności 93 PFLOPSów) aż 8 lat! Można sobie jedynie wyobrazić, jak ogromne możliwości zaoferuje ta technologia, gdy tylko ludzie opracują właściwe sposoby jej produkcji i utrzymania. Nie sądzę, by komputery kwantowe kiedykolwiek trafiły do naszych domów (na pewno nie w tym stuleciu), ale za 20, być może 30 lat, zamknięte w potężnych halach, powinny już realizować największe i najtrudniejsze zadania. Przyczynią się tym samym do odpowiedzi na wszelkie, najbardziej skomplikowane zagadnienia medyczne, fizyczne czy chemiczne. Dajcie znać w komentarzach, jak wyobrażacie sobie przyszłość za 20 lat! Do usłyszenia!