Wat is supercomputing?

Supercomputers definiëren

Een standaard personal computer is ideaal voor het surfen op het web of het schrijven van e-mails, en servercomputers kunnen grote hoeveelheden gebruikersverzoeken leveren op snelheid, maar supercomputers zijn ontworpen voor een andere reeks taken. Dit onderscheidt ze:

• Ongeëvenaarde snelheid en verwerkingskracht : Supercomputers voeren quadriljoenen berekeningen per seconde uit, gemeten in flops (Floating-point Operations per Second) (petaflops of zelfs extra flops voor de snelste supercomputer), waardoor de mogelijkheden van standaardcomputers worden overschaduwd. Met deze brute kracht kunnen ze enorme datasets verwerken en complexe simulaties uitvoeren in een fractie van de tijd.

• Massief parallellisme : In plaats van één processor zoals uw laptop, gebruikt een supercomputer duizenden processoren die samenwerken. Deze "parallelle verwerking" stelt hen in staat om enorme problemen in kleinere stukken op te splitsen en ze gelijktijdig op te lossen, waardoor de rekenkracht aanzienlijk wordt versneld.

• De meest complexe problemen aanpakken : Supercomputers zijn gebouwd om 's werelds meest uitdagende computerproblemen aan te kunnen, van het simuleren van de evolutie van het heelal tot het voorspellen van de impact van klimaatverandering. Het zijn essentiële instrumenten voor wetenschappelijke ontdekkingen, technologische vooruitgang en het oplossen van kritieke maatschappelijke uitdagingen.

In bredere zin is supercomputing een subset van High-Performance Computing (HPC), een bredere groep computers met buitenproportionele mogelijkheden.

De zoektocht naar snellere en krachtigere computers heeft decennialang voor innovatie gezorgd. In 1964 ontwierp Seymour Cray de CDC 6600, vaak beschouwd als de eerste supercomputer, met een ongekende snelheid van 3 megaflops.

De Cray-1, uitgebracht in 1976, versterkte de dominantie van Cray Research en werd een supercomputing-icoon met zijn kenmerkende hoefijzervormige ontwerp. In 1997 schreef Deep Blue van IBM geschiedenis door schaakgrootmeester Garry Kasparov te verslaan en het potentieel van IBM en andere supercomputers in artificiële intelligentie te laten zien.

In de jaren 2010 ontstond de opkomst van massively parallel processing, wat leidde tot de ontwikkeling van supercomputers met honderdduizenden processors, waardoor de prestaties in de petaflop-reeks kwamen. In 2022 werd HPE Cray's Frontier at Oak Ridge National Laboratory de eerste exaschaalsupercomputer die in staat was om meer dan een biljard berekeningen per seconde uit te voeren.

Anatomie van een supercomputer

Een supercomputer is een complex systeem met gespecialiseerde componenten die samenwerken om extreme prestaties te bereiken:

• Processors : Het hart van een supercomputer, vaak bestaande uit duizenden CPU's of GPU's, die samenwerken om berekeningen uit te voeren.
   
• Geheugen Geheugen met hoge capaciteit en hoge bandbreedte is essentieel voor het opslaan van en de toegang tot grote hoeveelheden gegevens in supercomputertaken.
   
• Interconnect netwerk : Een hogesnelheidsnetwerk verbindt de processors, waardoor ze efficiënt kunnen communiceren en gegevens kunnen uitwisselen.
   
• Storage Supercomputers hebben enorme opslagsystemen nodig om de enorme datasets te bevatten die in simulaties en analyses worden gebruikt.
   
• Koelsysteem : Een supercomputer genereert een enorme warmte, waarvoor geavanceerde koeloplossingen nodig zijn om schade te voorkomen en een stabiele werking te garanderen dankzij koeling.

Deze geavanceerde hardware- en softwarecombinatie stelt supercomputers in staat om de meest veeleisende computerproblemen ter wereld aan te pakken.

Hoe supercomputers werken

Supercomputers bereiken hun ongelofelijke prestaties dankzij een combinatie van gespecialiseerde hardware en software die perfect samenwerken, wat essentieel is voor geavanceerde gegevensverwerkingstoepassingen.

Als je begrijpt hoe deze systemen werken, begrijp je hoe vindingrijk ze zijn in het uitvoeren van de meest veeleisende rekentaken op aarde.

Parallelle verwerking als sleutel

In plaats van te vertrouwen op één processor zoals een gewone computer, gebruiken supercomputers een uitgebreid netwerk van processors die samenwerken. Ze verdelen complexe taken in kleinere, meer hanteerbare stukken en verdelen ze over deze talrijke processors.

Elke processor werkt onafhankelijk van het toegewezen deel, waarbij de resultaten worden gecombineerd om de uiteindelijke oplossing te produceren. Deze benadering versnelt de berekeningen aanzienlijk, waardoor supercomputers problemen kunnen oplossen die onmogelijk door traditionele computers kunnen worden verwerkt.

High-Performance Computing (HPC)-architecturen

Supercomputers maken gebruik van gespecialiseerde architecturen die zijn ontworpen voor High-Performance Computing (HPC) om parallelle verwerking effectief te implementeren. Deze architecturen variëren in ontwerp en organisatie, maar ze beogen allemaal de efficiëntie en doorvoer te maximaliseren.

Een veelvoorkomende architectuur is het cluster, waar talrijke individuele computers met elkaar verbonden zijn om één krachtig systeem te vormen. Deze computers, vaak ook wel nodes genoemd, werken samen om problemen op te lossen, resources te delen en te communiceren via een hogesnelheidsnetwerk.

Een andere aanpak voor onderzoek en andere supercomputertaken is 'massively parallel processing' (MPP), waarbij duizenden processors nauw geïntegreerd zijn in één systeem. Ze werken in lockstep om extreme prestaties te bereiken. Deze architecturen bieden, samen met andere gespecialiseerde ontwerpen, de infrastructuur voor supercomputers om een breed scala aan computerverwerkingsuitdagingen aan te gaan.

Software en algoritmen voor supercomputing

Het gebruik van de kracht van parallelle verwerking vereist gespecialiseerde software en algoritmen die ontworpen zijn om de unieke mogelijkheden van een supercomputer te benutten.

Deze tools en technieken stellen programmeurs in staat om taken effectief over meerdere processors te verdelen, de communicatie ertussen te beheren en efficiënt gebruik van resources te garanderen.

Programmeertalen zoals MPI (Message Passing Interface) en OpenMP (Open Multi-Processing) bieden raamwerken voor het ontwikkelen van parallelle applicaties, waardoor programmeurs het snelste parallellisme kunnen uitdrukken dat inherent is aan hun code.

Bovendien zijn gespecialiseerde bibliotheken en algoritmen geoptimaliseerd voor supercomputeromgevingen, waardoor efficiënte oplossingen voor dagelijkse computertaken worden geboden.

Deze combinatie van software en algoritmen zorgt ervoor dat supercomputers hun enorme rekenkracht effectief kunnen gebruiken om complexe problemen op te lossen.

Supercomputers en AI

Artificiële intelligentie (AI) transformeert onze wereld snel en maakt alles mogelijk, van zelfrijdende auto's tot medische diagnoses. Het trainen en implementeren van geavanceerde AI-modellen, in het bijzonder modellen die met enorme datasets te maken hebben, vereist echter immense computerverwerkingskracht. Hier komen supercomputers om de hoek kijken. Ze fungeren als de motoren die AI-innovatie aansturen.

AI-ontwikkeling en -training versnellen

Het ontwikkelen van geavanceerde AI-systemen en modellen voor intensief leren houdt in dat ze worden getraind op uitgebreide gegevens. Dit trainingsproces vereist het uitvoeren van miljarden, zelfs biljoenen, berekeningen om de parameters van het model te optimaliseren en de nauwkeurigheid ervan te verbeteren.

Supercomputers hebben een ongeëvenaarde rekenkracht en versnellen dit trainingsproces aanzienlijk.

Grote taalmodellen (LLM's) zoals GPT-4, die tekst van menselijke kwaliteit kunnen genereren, worden bijvoorbeeld getraind op enorme tekstdatasets die miljarden woorden bevatten.

Het trainen van zulke modellen op de snelste conventionele computers kan maanden of zelfs jaren duren. Supercomputers kunnen deze trainingstijd echter terugbrengen tot dagen of uren, waardoor onderzoekers sneller kunnen itereren en geavanceerdere AI-modellen kunnen ontwikkelen.

Exaschaalberekeningen, die in staat zijn om minstens één exaflop uit te voeren (één kwintillion berekeningen per seconde), zijn een belangrijke mijlpaal in supercomputers.

Deze machines pakken nu al enkele van de meest uitdagende problemen ter wereld aan, van het simuleren van klimaatverandering tot het ontwerpen van nieuwe medicijnen. Het najagen van snellere en krachtigere computers stopt echter niet bij exaschaal.

Onderzoekers verkennen al de volgende grens: zetta scale computing, die tot doel heeft een duizendvoudige verhoging van prestaties ten opzichte van exaschaalsystemen te bereiken.

Deze toekomstige supercomputers zullen waarschijnlijk nieuwe architecturen integreren, zoals neuromorfe computers geïnspireerd door het menselijk brein, en gebruikmaken van opkomende technologieën zoals quantumcomputing en fotonica.

Naast brute snelheid zullen de snelste toekomstige supercomputers ook uitdagingen op het gebied van gegevensverplaatsing, energieverbruik en complexiteit van programmeren moeten aanpakken. Nieuwe benaderingen, zoals in-memory computing en gespecialiseerde hardware accelerators, zullen cruciaal zijn om efficiëntie en prestaties te maximaliseren.