Когда ученые довели самый быстрый в мире суперкомпьютер до предела своих возможностей, они обнаружили, что эти пределы превзошли даже их самые большие ожидания.

Суперкомпьютер Frontier в Национальной лаборатории Ок-Ридж Министерства энергетики установил новый потолок производительности, дебютировав в 2022 году как первая в истории экзафлопсная система, способная выполнять более 1 квинтиллиона вычислений в секунду. Теперь исследователи узнают, каких высот научных открытий может помочь им достичь вычислительная мощь Frontier.

На последнем этапе команда инженеров и учёных использовала Frontier для моделирования системы, состоящей почти из полутриллиона атомов — самой крупной системы, когда-либо моделировавшейся и более чем в 400 раз превышающей размер ближайших конкурентов, — что потенциально открывает путь к новым открытиям во всем мире. научный спектр.

«Это похоже на тестовую поездку на автомобиле, спидометр которого показывает 120 миль в час, но вы нажимаете на педаль газа и обнаруживаете, что скорость превышает 200 миль в час», — сказал Ник Хагерти, инженер по высокопроизводительным вычислениям из ORNL Leadership Computing Facility. , в котором находится Frontier.

«Никто не проводит моделирование в таком масштабе, потому что никто никогда не пробовал. Мы не знали, что сможем добиться такого масштаба».

Результаты обещают проведение научных исследований в еще невиданном масштабе и уровне детализации.

«Никто на Земле раньше не делал ничего даже отдаленно похожего на это», — сказал Дилип Астагири, старший ученый в области вычислительной биомедицины OLCF, который помогал разработать тест. «Это открытие приближает нас к моделированию урезанной версии биологической клетки, так называемой минимальной клетки, которая имеет необходимые компоненты для обеспечения основных жизненных процессов».

Хагерти и его команда стремились максимально использовать Frontier, чтобы установить критерии для машины-преемника суперкомпьютера, которая все еще находится в разработке. Их миссия: продвинуть Frontier как можно дальше и посмотреть, где он остановился.

Команда использовала Frontier с программным модулем крупномасштабного атомно-молекулярного массово-параллельного симулятора, или LAMMPS , для моделирования системы молекул воды при комнатной температуре на атомном уровне по мере постепенного увеличения количества атомов.

«Вода — отличный тестовый пример для такой машины, как Frontier, потому что любому исследователю, изучающему биологическую систему на атомном уровне, вероятно, придется моделировать воду», — сказал Хагерти. «Мы хотели посмотреть, насколько велика система Frontier, и какие ограничения встречаются в этом масштабе.

«В рамках одной из первых попыток бенчмаркинга использовать более миллиарда атомов с дальними взаимодействиями мы периодически находили ошибки в исходном коде LAMMPS. Мы работали с разработчиками LAMMPS, которые были очень вовлечены и быстро реагировали, чтобы устранить эти ошибки. , и это имело решающее значение для нашего успеха в масштабировании».

Frontier решает сложные проблемы с помощью параллелизма, что означает, что суперкомпьютер распределяет вычислительную нагрузку по своим 9408 узлам, каждый из которых представляет собой автономный компьютер, способный выполнять около 200 триллионов вычислений в секунду. С каждым увеличением размера задачи для моделирования требовалось больше памяти и вычислительной мощности. Фронтир никогда не моргнул.

«Мы не говорим о большой симуляции только с точки зрения физического размера», — сказал Астагири. «В конце концов, миллиард молекул воды поместился бы в кубе с ребрами меньше микрометра (миллионной доли метра). Мы говорим о больших размерах с точки зрения сложности и детализации.

«Эти миллионы, а в конечном итоге миллиарды и сотни миллиардов атомов взаимодействуют с каждым другим атомом, независимо от того, насколько далеко они находятся. Эти дальнодействующие взаимодействия значительно усиливаются с каждой добавленной молекулой. Это первое моделирование такого рода в таком размере».

В конечном итоге моделирование выросло до более чем 155 миллиардов молекул воды — в общей сложности 466 миллиардов атомов — в более чем 9200 узлах Frontier. Суперкомпьютер продолжал обрабатывать цифры, даже когда его память была заполнена на 95%. На этом команда остановилась.

«Мы могли бы пойти еще выше», — сказал Хагерти. «Следующим уровнем было бы 600 миллиардов атомов, и это заняло бы 99% памяти Frontier. Мы остановились, потому что мы уже были далеко за пределами размера, которого кто-либо когда-либо достигал для проведения какой-либо значимой науки. Но теперь мы знаем, что это возможно. »

Такая способность к деталям может дать возможность провести гораздо более сложные исследования, чем надеялись некоторые ученые на Frontier.

«Это меняет игру», — сказал Астагири. «Теперь у нас есть способ смоделировать эти сложные системы и их дальнодействующие взаимодействия в чрезвычайно больших размерах и есть надежда увидеть возникающие явления.

«Например, с помощью этой вычислительной мощности мы могли бы моделировать субклеточные компоненты и, в конечном итоге, минимальную клетку в атомных деталях. Благодаря таким исследованиям мы могли бы узнать о пространственном и временном поведении этих клеточных структур, которые являются основными для человека, животных и животных. Растительная жизнь, какой мы ее знаем, — это то, для чего предназначена такая экзафлосная машина, как Frontier».