عصر ابررایانه‌های اگزااسکیل و شبیه‌سازی‌های علمی در اواخر
ورود بشر به عصر پردازش یک کوینتیلیون محاسبه در ثانیه؛ چگونه ابررایانه‌های اگزااسکیل امروزه مرزهای شبیه‌سازی اقلیم، فیزیک پلاسما و کشف دارو را بازتعریف کردند.
- تحلیل جامع و موشکافانه معماری سخت‌افزاری و دستاوردهای علمی ابررایانه‌های کلاس اگزااسکیل (Exascale) امروزه بررسی عبور توان پردازشی سیستم‌ها از مرز ۲.۵ اگزاافلاپس، کالبدشکافی پردازنده‌های هیبریدی APU در ابررایانه El Capitan آمریکا و کلاستر نوین Jupiter اروپا، شبیه‌سازی فوق‌پیشرفته دوقلوی دیجیتال اتمسفر زمین با تفکیک‌پذیری کیلومتری و کاربرد این غول‌های محاسباتی در حل معادلات شرودینگر، کشف ابررساناها و مدل‌سازی توربولانس پلاسما در راکتورهای همجوشی.
- بررسی جامع ابعاد فنی و کاربردی توسط تحریریه ماگ بیت.
- پیش‌بینی اثرات کوتاه‌مدت و بلندمدت بر اکوسیستم فناوری.
گذر از مرز یک کوینتیلیون محاسبه در ثانیه؛ شاهکار مهندسی اگزااسکیل در اواخر
امروزه جامعه علمی جهان وارد دورانی شده که تا یک دهه پیش رویایی دور از دسترس می‌نمود: پردازش بیش از یک کوینتیلیون (۱۰ به توان ۱۸) عملیات ممیز شناور در ثانیه یا همان کلاس محاسباتی اگزااسکیل (Exascale). پس از سال‌ها کارشکنی در زمینه مصرف انرژی و گرمای طاقت‌فرسای مراکز داده، نسل جدید سوپرکامپیوترها سرانجام توانسته‌اند با مصرف برق بهینه و راندمان خارق‌العاده، مرزهای ۲ الی ۲.۵ اگزاافلاپس را با دقت دوگانه (FP64) فتح کنند.
برای درک بزرگی این عدد کافی است بدانیم اگر تمام جمعیت ۸ میلیاردی کره زمین، هر ثانیه بدون وقفه یک محاسبه ریاضی انجام دهند، بیش از ۴ سال طول می‌کشد تا کاری را انجام دهند که یک ابررایانه اگزااسکیل تنها در یک ثانیه به پایان می‌رساند. این قدرت اعجاب‌انگیز به لطف تغییر بنیادی در معماری خنک‌کاری مایع مستقیم (Direct-to-Chip Liquid Cooling) و ریزمعماری‌های نیمه‌هادی پیشرفته حاصل شده است.
این توان خارق‌العاده مکمل مستقیم پیشرفت‌های کشف مواد کوانتومی و ابررساناها با هوش مصنوعی است؛ جایی که الگوریتم‌های هوش مصنوعی نامزدهای احتمالی ساختار بلوری را پیشنهاد داده و ابررایانه‌های اگزااسکیل پایداری فیزیکی آنها را در سطح کوانتومی اثبات می‌نمایند.
کالبدشکافی غول‌های پردازشی؛ معماری APU هیبریدی در El Capitan و نودهای اروپایی Jupiter
دو نماد بارز این تحول فناورانه، ابررایانه El Capitan در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور آمریکا و کلاستر عظیم Jupiter در مرکز سوپرکامپیوتر یولیش آلمان هستند. در ال کاپیتان، هسته پردازشی متکی بر شتاب‌دهنده‌های هیبریدی AMD Instinct MI300A است؛ شاهکاری مهندسی که ۲۴ هسته CPU معماری Zen 4 را با ۲۲۸ هسته محاسباتی گرافیکی CDNA 3 و ۱۲۸ گیگابایت حافظه فوق‌سریع HBM3 در یک بسته‌بندی چیپلت سه‌بعدی ادغام کرده است.
این معماری حافظه مشترک یکپارچه (Unified Shared Memory) به پردازنده‌ها اجازه می‌دهد بدون تاخیر سرسام‌آور انتقال داده روی اسلات‌های سنتی PCIe، داده‌های شبیه‌سازی را مستقیماً میان هسته‌های محاسباتی به اشتراک بگذارند. در سوی دیگر، سوپرکامپیوتر Jupiter اروپا با تکیه بر ده‌ها هزار پردازنده گرافیکی نوین و خنک‌کاری با آب گرم تا دمای ۴۰ درجه سانتی‌گراد، راندمان سبز فوق‌العاده‌ای به ثبت رسانده و گرمای اتلافی خود را برای گرمایش شهری یولیش بازیافت می‌کند.
همچنین، استفاده از سوئیچ‌های نوری پرسرعت و شبکه‌های نوین نانوتراشه‌ای، ارتباطات میان ده‌ها هزار نود محاسباتی را بدون گلوگاه حفظ کرده است؛ رویکردی که پیوند عمیقی با تله‌پورتاسیون فوتونی و اینترنت کوانتومی برقرار می‌سازد.
دوقلوی دیجیتال اتمسفر زمین و پیش‌بینی‌های اقلیمی با تفکیک‌پذیری کیلومتری
یکی از حیاتی‌ترین مأموریت‌های ابررایانه‌های اگزااسکیل امروزه پروژه جاه‌طلبانه «دوقلوی دیجیتال زمین» (Destination Earth) است. مدل‌های اقلیمی گذشته به دلیل محدودیت پردازشی مجبور بودند اتمسفر زمین را به مکعب‌های غول‌پیکر ۵۰ الی ۱۰۰ کیلومتری تقسیم کنند؛ امری که باعث می‌شد پدیده‌های بحرانی موضعی نظیر تشکیل ابرهای باران‌زای کومولونیمبوس، جریان‌های خرد گردباد و طوفان‌های برق‌آسای کوهستانی از محاسبات جا بمانند.
با سیستم‌های اگزااسکیل، اندازه شبکه‌های محاسباتی اتمسفر به کمتر از ۱ کیلومتر در سراسر کره زمین کاهش یافته است. مدل‌ها اکنون قادرند فیزیک ترمودینامیک جابجایی قطرات آب، برهم‌کنش امواج اقیانوسی با سواحل و چرخه‌های کربن جنگل‌ها را به صورت همزمان شبیه‌سازی کنند.
این پیش‌بینی‌ها نه تنها هشدارهای بلایای طبیعی نظیر سیل‌ها و خشکسالی‌ها را از چند روز قبل با دقت ۹۵ درصدی صادر می‌کنند، بلکه استراتژی‌های مدیریت منابع آب و برنامه‌ریزی مزارع انرژی بادی و خورشیدی را در مقیاس ملی بهینه‌سازی می‌نمایند.
شبیه‌سازی مکانیک کوانتومی واکنش‌های شیمیایی و مهار توربولانس پلاسما در همجوشی هسته‌ای
فراتر از اقلیم، بزرگ‌ترین گره‌گشایی اگزااسکیل در علم مواد و فیزیک انرژی رخ داده است. حل دقیق معادله شرودینگر برای مولکول‌های زیستی بزرگ با صدها اتم، پیش از این نیازمند تقریب‌های بسیار ضعیف بود. اکنون ابررایانه‌ها می‌توانند برهم‌کنش الکترون‌ها را در فرآیند فتوسنتز مصنوعی و کاتالیزورهای تثبیت نیتروژن بدون نیاز به مصرف صدها تن گاز طبیعی مدل‌سازی کنند.
در حوزه انرژی پاک، این سیستم‌ها در حال حل بزرگ‌ترین چالش دستیابی به تراز مثبت انرژی در همجوشی هسته‌ای هستند: کنترل ناپایداری‌های مگنتوهیدرودینامیک (MHD) و توربولانس پلاسما در دمای ۱۰۰ میلیون درجه سانتی‌گراد راکتورهای توکامک. شبیه‌سازی‌های بلادرنگ به کویل‌های مغناطیسی ابررسانا اجازه می‌دهند میدان مغناطیسی را در کسری از میلی‌ثانیه تغییر داده و از برخورد پلاسما با دیواره راکتور جلوگیری کنند.
هم‌افزایی این ابرکامپیوترها با رایانش کوانتومی تجاری و تراشه‌های نسل نوین، پایه‌ای‌ترین قوانین جهان را به خدمت مهندسی درآورده و عصری تازه در تمدن علمی بشر گشوده است.
بیشتر از علم و فضا
