Intel trình làng Frontera, siêu máy tính học thuật nhanh nhất thế giới

Nếu là người có quan tâm đến lĩnh vực siêu máy tính, chắc hẳn bạn vẫn còn nhớ vào tháng 8 năm ngoái, Dell EMC và Intel đã công bố một kế hoạch thu hút được sự quan tâm của rất nhiều chuyên gia, những người yêu công nghệ trên toàn thế giới, đó là việc 2 “gã khổng lồ” trong ngành công nghiệp sản xuất máy tính này sẽ cùng hợp tác để thiết kế và phát triển một siêu máy tính hàn lâm mạnh nhất thế giới có tên Frontera.

Dự án này ngay sau đó đã nhận được một khoản tài trợ rất lớn, lên tới 60 triệu đô la từ Quỹ khoa học quốc gia Hoa Kỳ, đồng thời được chọn để trở thành cái tên thay thế cho Stampede2 - một siêu máy tính đã già cỗi và phục vụ nhiều năm tại Trung tâm điện toán nâng cao Austin Texas (Texas Advanced Computing Center - TACC).

• Nvidia chỉ mất 3 tuần để tạo ra một trong những siêu máy tính AI mạnh nhất thế giới

Trung tâm điện toán nâng cao Austin Texas, nới "lưu trú" của siêu máy tính Frontera

Và bây giờ, sau hơn 1 năm làm việc miệt mài và nghiêm túc, Dell EMC và Intel đã chính thức cho nhân loại chiêm ngưỡng “siêu phẩm công nghệ” có một không hai này.

Các chuyên gia Intel tuyên bố rằng siêu máy tính Frontera có thể đạt được hiệu suất cao nhất ở mức 38.7 triệu tỷ phép toán dấu phẩy động mỗi giây (floating point operations per second - FLOPS), tương đương với 38.7 petaflops, biến nó trở thành một trong những chiếc máy tính nhanh nhất thế giới được thiết kế đặc biệt cho các tác vụ liên quan đến khối lượng công việc cực nặng thuộc những lĩnh vực học thuật như mô hình hóa và mô phỏng, dữ liệu lớn và học máy. Để tiện hình dung, bạn có thể tham chiếu đến sức mạnh 18 petaflops của siêu máy tính Stampede2. Tức là về lý thuyết, Frontera mạnh gấp 2 lần Stampede2. Tuy nhiên Frontera vẫn kém hơn khá nhiều so với siêu máy tính nhanh nhất hiện nay là con “quái vật” mang tên Summit của hãng IBM. Sức mạnh của Summit có thể đạt tới hơn 200 petaflops, tức là nhanh hơn một triệu lần so với hầu hết mọi hệ thống máy tính thương mại được sử dụng phổ biến trên thế giới hiện nay, đồng thời gấp hơn 5 lần so với Frontera.

• AMD và Cray sẽ chế tạo siêu máy tính nhanh nhất thế giới cho chính phủ Mỹ

Siêu máy tính Stampede2 trong Trung tâm điện toán nâng cao Austin Texas

Đó là hiệu suất cực đại về mặt lý thuyết, còn với các phép đo thực tế được thực hiện đầu năm nay, Frontera đã giành được vị trí thứ năm trong danh sách Top 500 siêu máy tính mạnh nhất thế giới với 23.5 petaflop, đo bởi công cụ LINPACK benchmark.

Theo kế hoạch, hệ thống Frontera sẽ mang đến cho các nhà nghiên cứu học thuật khả năng tính toán và xử lý các công việc liên quan đến trí tuệ nhân tạo với độ phức tạp cực cao, thậm chí chưa từng tồn tại trước đây.

Trish Damkroger, phó chủ tịch Intel kiêm tổng giám đốc của tổ chức điện toán Intel Trish Damkroger cho biết: "Với việc được tích hợp không ít công nghệ độc quyền của Intel, siêu máy tính này giúp mở ra vô số khả năng mới trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học và kỹ thuật nói chung, từ đó thúc đẩy sự hiểu biết sâu hơn đối với các vấn đề phức tạp, mang tính học thuật liên quan đến nghiên cứu vũ trụ, phương pháp chữa bệnh, nhu cầu năng lượng, và trí tuệ nhân tạo".

• Siêu máy tính hoàn toàn có thể phát hiện ra các mối đe dọa trên không gian mạng

Hàng trăm bộ xử lý Xeon thế hệ 2 có thể mở rộng tới 28 lõi (Cascade Lake) được đặt trong những máy chủ Dell EMC PowerEdge sẽ chịu trách nhiệm xử lý các tác vụ tính toán nặng của Frontera, bên cạnh các node của Nvidia đảm bảo khả năng tính toán single-precision. Kiến trúc chip xử lý của Frontera được xây dựng dựa trên mô hình Advanced Vector Extensions 512 (AVX-512) tiên tiến của Intel. Về cơ bản, AVX-512 là một bộ hướng dẫn cho phép nhân đôi số lượng FLOPS trên mỗi xung nhịp so với thế hệ trước.

Cùng cần phải nói đến một bộ phận vô cùng quan trọng đối với một siêu máy tính, đó là hệ thống làm mát. Frontera sử dụng cơ chế làm mát bằng chất lỏng cho phần lớn các node của mình. Trong đó, Dell EMC chịu trách nhiệm về nước và dầu làm mát, kết hợp với hệ thống CoolIT và Green Revolution Cool. Chiếc siêu máy tính này sử dụng kết nối Mellanox HDR và HDR-100 để truyền dữ liệu với tốc độ lên tới 200Gbps trên mỗi liên kết giữa các switch, có nhiệm vụ kết nối 8.008 node trên toàn hệ thống. Mỗi node này được dự đoán sẽ tiêu thụ chừng 65 kilowatt điện, khoảng một phần ba trong số đó được TACC tận dụng từ điện gió và năng lượng mặt trời nhằm tiết kiệm chi phí.

• Đây là trung tâm dữ liệu đẹp nhất thế giới, và nó được đặt trong nhà thờ Chúa

Frontera sẽ mang đến cho các nhà nghiên cứu học thuật khả năng tính toán và xử lý các công việc liên quan đến trí tuệ nhân tạo với độ phức tạp cực cao

Về lưu trữ, Frontera sở hữu 4 môi trường khác nhau được thiết kế và xây dựng bởi DataDirect Networks, tức là sẽ có tổng cộng hơn 50 petabyte được ghép nối với 3 petabyte flash NAND (tương đương với khoảng 480GB dung lượng lưu trữ SSD trên mỗi node). Bên cạnh đó chiếc siêu máy tính này cũng sở hữu khả năng kết nối cực nhanh, với tốc độ lên tới 1.5 terabyte mỗi giây.

Cuối cùng, Frontera cũng được áp dụng rất hiệu quả Intel Optane DC, công nghệ bộ nhớ “không biến đổi” được phát triển bởi Intel và Micron Technology, sở hữu khả năng tương thích PIN với DDR4, và kết hợp bộ nhớ cache lớn với nhóm DRAM nhỏ hơn (192GB mỗi node), từ đó giúp cải thiện hiệu suất. Chưa dừng lại ở đó, Intel Optane DC trên Frontera còn được kết hợp với các bộ xử lý Xeon Scalable Processor thế hệ mới nhất, đem đến hiệu suất xử lý lên tới 287.000 thao tác mỗi giây, so với 3.116 thao tác mỗi giây của các hệ thống DRAM thông thường. Với những trang bị như vậy, thời gian khởi động lại của Frontera chỉ tiêu tốn vỏn vẹn 17 giây.

• Được đưa vào sử dụng từ những năm 90, các “cụ” siêu máy tính gần 30 tuổi vẫn đang chạy “phà phà” và đóng vai trò quan trọng tại nhiều quốc gia

Bộ xử lý Xeon Scalable Processor sử dụng trên siêu máy tính Frontera

Frontera đã từng được sử dụng thử nghiệm bởi một số nhà khoa học hàng đầu thế giới hiện nay, chẳng hạn như Manuela Campanelli, giáo sư Vật lý thiên văn nổi tiếng tại Học viện Công nghệ Rochester, kiêm giám đốc trung tâm nghiên cứu tính tương đối tính toán và trọng lực, nhằm xử lý một mô phỏng có thể giải thích nguồn gốc của vụ nổ năng lượng phát ra trong quá trình sáp nhập một ngôi sao neutron trong vũ trụ - công việc vô cùng phức tạp.

Giáo sư George Biros của UT Austin Frontera cũng đã tận dụng thành công sức mạnh của siêu máy tính này để xây dựng nên các mô hình vật lý sinh học mô phỏng khả năng phát triển của những khối u não, nhằm đưa ra phương thức chẩn đoán và điều trị hiệu quả hơn đối với các khối u thần kinh đệm, một loại u não nguy hiểm.

Và cuối cùng là trường hợp của Olexandr Isayev, phó giáo sư chuyên ngành khoa học máy tính tại Đại học Bắc Carolina. Vị chuyên gia này đã sử dụng siêu máy tính Frontera để đào tạo một mô hình AI có thể mô tả các trường lực và năng lượng tiềm năng của phân tử dựa trên cấu trúc 3D của chúng.

Trước khi được giới thiệu chính thức, Frontera đã tham gia vào hơn 10 hệ thống máy tính tiên tiến hiện đang được triển khai tại TACC, bao gồm cả Lonestar và Maverick, và siêu máy tính này dự kiến sẽ phục vụ trong 5 năm liền, trước khi chuyển sang giai đoạn tiếp theo liên quan đến những hệ thống máy gia tốc dành riêng cho mục đích ứng dụng, bao gồm các trình mô phỏng lượng tử và những hệ thống lõi tenor.

• Siêu máy tính mạnh nhất hiện nay, có 1 triệu lõi xử lý, bằng 1% sức mạnh não người

Thông số kỹ thuật cơ bản của siêu máy tính Frontera

Hệ thống tính toán căn bản

Cấu hình của mỗi node trong Frontera được mô tả như sau (Frontera sở hữu 8.008 node khả dụng):

• Bộ xử lý: Intel Xeon Platinum 8280 ("Cascade Lake");
  • Số lượng lõi: 28 cho mỗi socket, 56 cho mỗi node
  • Tốc độ xung nhịp: 2.7Ghz ("Base Frequency")
  • Hiệu suất node tối đa: 4.8TF, double precision
• Bộ nhớ RAM: DDR-4, 192GB/node
• Ổ lưu trữ cục bộ: SSD 480GB/node
• Mạng: Mellanox InfiniBand, HDR-100

Các hệ thống con

Liquid submerged system:

• Bộ xử lý: 360 GPU NVIDIA Quadro RTX 5000
• Ram: 128GB/node
• Hệ thống làm mát: GRC ICEraQ™
• Mạng: Mellanox InfiniBand, HDR-100
• Hiệu suất tối đa: 4PF single precision

Longhorn:

• Bộ xử lý: Hệ thống được lưu trữ trên POWER9 của IBM với 448 GPU NVIDIA V100
• Ram: 256GB/node
• Lưu trữ: Filesystem 5 petabyte
• Mạng: Infiniband EDR
• Hiệu suất tối đa: 3.5PF double precision; 7.0PF single precision

Sự xuất hiện của Frontera đã giúp Mỹ tiếp tục duy trì và củng cố vị trí số một trong lĩnh vực siêu máy tính, trước sự bám đuổi sát sao của Trung Quốc. Hiện Summit và Sierra đang là 2 siêu máy tính giúp Mỹ duy trì vị thế dẫn đầu trong nhiều tháng qua, và sự góp mặt của Frontera sẽ giúp quốc gia này có thêm một cái tên nữa xuất hiện trong danh sách 10 siêu máy tính mạnh nhất thế giới.

Vị trí thứ 2 của Trung Quốc là điều đã được sự báo từ trước khi mà quốc gia này đã không thể giới thiệu thêm một cỗ máy mới nào trong suốt vài tháng gần đây. Theo thông tin từ South China Morning Post, Trung Quốc đang có kế hoạch đầu từ hàng tỷ USD trong những năm tới nhằm giành lại vị trí số 1. Trước đó, Hoa Kỳ đã soán ngôi Trung Quốc từ năm 2018, chính thức chấm dứt thành tích thống trị 5 năm liên tiếp của đất nước đông dân nhất thế giới trong lĩnh vực siêu máy tính.

• Quốc gia nào sở hữu nhiều siêu máy tính mạnh mẽ nhất hiện nay?

Trung Quốc đang có kế hoạch đầu từ hàng tỷ USD trong những năm tới nhằm giành lại vị trí số 1 thế giới trong lĩnh vực siêu máy tính

Năng lực sản xuất cũng như số lương siêu máy tính sở hữu chính là một trong những thước đo sức mạnh kỹ thuật công nghệ quan trọng đối với bất kỳ quốc gia nào trong thế giới hiện đại ngày nay. Trong thực tế, sức mạnh của các siêu máy tính sẽ được tận dụng chủ yếu trong nghiên cứu khoa học, đặc biệt là trong các lĩnh vực như y tế và thiên văn học. Chi phí đầu tư cho một hệ thống siêu máy tính từ bước nghiên cứu, phát triển cho đến phần cứng và lắp ráp là rất lớn, nhưng lợi ích mang lại là hoàn toàn tương xứng.

Có thể nói siêu máy tính là những thiết bị không thể thiếu cho sự phát triển chung của toàn nhân loại.