5 futuristische Trends im Supercomputing

Da unsere Geräte webfähiger werden und wir uns vom Personal-Computing-Paradigma entfernen, stellen sich die meisten von uns „Supercomputer“ als die großen, lustigen Cray- und IBM-Supercomputer vor, von denen die Babyboomer geträumt haben, mit einer Million blinkender Lichter und Kurbeln und Hebel. Aber überall auf der Welt gibt es riesige parallele Systeme – die manchmal ein bisschen mehr wie die alten Supercomputer aussehen, als Sie vielleicht denken! - werden noch entwickelt.

Die meisten von uns kennen das Mooresche Gesetz , das besagt, dass Computerchips ihre Leistung alle 18 bis 24 Monate verdoppeln. Dabei vergisst man leicht, dass dies nicht nur für unsere Laptops und Desktops gilt. Alle unsere elektronischen Geräte profitieren von demselben Verbesserungszyklus: Verarbeitungsgeschwindigkeit, Sensorempfindlichkeit, Speicher und sogar die Pixel in Ihrer Kamera oder Ihrem Telefon. Aber Chips können nur so klein und leistungsfähig werden, bevor bestimmte Effekte aufgrund der Quantenmechanik eintreten, und einige Experten sagen, dass dieser Trend – der sich in den letzten 50 Jahren überraschend bewahrheitet hat – sich im nächsten Jahrzehnt verlangsamen könnte, wenn wir näher kommen an die tatsächliche Grenze dessen, was unsere aktuellen Materialien leisten können [Quelle: Peckham ].

Unsere Telefone und Tablets sind vielleicht das Ergebnis der Reduzierung enormer Mengen an Rechenleistung auf etwas, das Sie mit an den Strand nehmen können, aber wir sehen nur das Gesicht all dieser Daten. Hinter den Kulissen erfordert die " Wolke " mehr und schnellere Informationen und Berechnungen als je zuvor und steigt ebenso stetig wie die Qualität und Menge der Daten, die wir auf unserer Seite des Bildschirms genießen. Von den hochauflösenden Filmen, die wir streamen, bis hin zu Wetter-, Verkehrs- und anderen Satelliteninformationen, die wir bereits im Laufe unseres Tages verwenden, liegt die Zukunft im einfachen Zahlenknirschen. Und das können Supercomputer am besten.

1. Exaflops und mehr!
2. Grüne Supercomputer
3. Das künstliche Gehirn
4. Wettersysteme und komplexe Modelle
5. Simulierte Welten

Die Miniaturisierung von Chipkomponenten ist nur die halbe Miete. Auf der anderen Seite der Skala haben Sie den Supercomputer: benutzerdefinierte Setups, gebaut für Leistung. 2008 durchbrach der IBM Roadrunner die Ein-Petaflop-Grenze: eine Billiarde Operationen pro Sekunde [Quelle: IBM ]. (FLOPS steht für „Gleitkommaoperationen pro Sekunde“ und ist der Standard, den wir verwenden, um über Supercomputer zu sprechen, die für wissenschaftliche Berechnungen verwendet werden, wie die, über die wir in diesem Artikel sprechen.)

In wissenschaftlicher Notation ausgedrückt, wird ein Petaflop auf einer Skala von 10^15 Operationen pro Sekunde gemessen. Ein Exaflop-Computer – von dem Experten vorhersagen, dass er bis 2019 auf den Markt kommen wird – arbeitet mit 10^18 oder tausendmal schneller als die Petaflop-Computer, die wir jetzt sehen [Quelle: HTNT ]. Zum Vergleich: Stand Juni 2011 hätten die 500 schnellsten Supercomputer der Welt zusammen immer noch weniger als 60 Petaflops an Leistung. In der Zukunft verbessern sich die Zettaflops im gleichen Maßstab und geben uns bis 2030 10^21 Operationen pro Sekunde, und dann kommen die Yottaflops mit 10^24 [Quelle: TOP500 ].

Aber was bedeuten diese Zahlen wirklich? Nun, für den Anfang wird angenommen, dass eine vollständige Simulation des menschlichen Gehirns bis 2025 möglich sein wird, und innerhalb von 10 Jahren sollten Zettaflop-Computer in der Lage sein, das gesamte Wettersystem zwei Wochen im Voraus genau vorherzusagen.

Top500.org

Seit 1993 ist das TOP500-Projekt die zentrale Ressource für die Verfolgung und Erkennung von Supercomputing-Trends. Zweimal jährlich wird eine geordnete Liste der derzeit leistungsstärksten Computersysteme veröffentlicht. Diese Rankings basieren auf einem bestimmten Kriteriensatz, dem Linpack-Benchmark, der darin besteht, einen Supercomputer durch mehrere dichte lineare Gleichungen laufen zu lassen und seine Reaktionszeiten zu messen. TOP500 fügt die Spezifikationen jedes Systems sowie die Bereiche, in denen es verwendet wird, an.

Auf der International Supercomputing Conference 2012 in Hamburg stand erstmals seit 2009 wieder ein US-Supercomputer ganz oben auf der Liste: IBMs Sequoia, der im Lawrence Livermore National Laboratory des US-Energieministeriums installiert ist, kam mit einem Linpack-Score von durch 16,32 Petaflops [Quelle: Perry ]. Sequoia verdrängte Japans K Computer, der selbst ein Jahr zuvor den Spitzenplatz von Chinas Tianhe-1A übernommen hatte, mit einer Punktzahl von über 10 Petaflops [Quelle: TOP500 ].

All diese Macht hat ihren Preis. Wenn Sie jemals einen defekten Kühlkörper hatten , der Ihren Desktop-Computer zum Absturz brachte, oder wenn Sie tatsächlich länger als ein paar Minuten mit einem Laptop auf Ihrem Schoß gesessen haben, wissen Sie, was das kostet: Computer verbrauchen viel Wärme erzeugende Energie. Tatsächlich besteht eine der größten Herausforderungen für die Entwickler von Supercomputern darin, einen vernünftigen Weg zu finden, die mächtigen Maschinen ohne Hardwareausfälle oder zunehmende Schäden an der Erde zu installieren und zu verwenden. Schließlich wird eine der Hauptverwendungen von Wettersimulationen die Überwachung von Kohlenstoff- und Temperaturschwankungen sein, also wäre es nicht sehr schlau, das Problem, das Klimatologen zu lösen versuchen, noch zu erweitern!

Jedes Computersystem ist nur so nützlich wie sein schlechtester Tag, daher ist es von großem Interesse, diese heißen Schaltkreise kühl zu halten. Tatsächlich fließt mehr als die Hälfte der von Supercomputern verbrauchten Energie direkt in die Kühlung. Da die Zukunft des Supercomputings jedoch mit anderen Avantgardewissenschaften und futuristischen Agenden verknüpft ist, sind ökologische Bedenken für Hochleistungscomputeringenieure bereits von großer Bedeutung [Quelle: Jana ]. Umweltfreundliche Lösungen und Energieeffizienz sind Bestandteile jedes laufenden Supercomputer-Projekts, und tatsächlich war die Effizienz von Sequoia ein großer sekundärer Grund, warum der IBM-Supercomputer so viel Aufsehen erregte.

Von der Kühlung mit „freier Luft“ – d. h. technischen Möglichkeiten, um Außenluft in das System zu bringen – bis hin zu Hardwaredesigns, die die Oberfläche maximieren, versuchen Wissenschaftler, bei der Effizienz ebenso innovativ zu sein wie bei der Geschwindigkeit. Eine der interessantesten Ideen, die mehrere Teams verwenden, besteht darin, das System in einer leitenden Flüssigkeit zu betreiben, die die Wärme aufnimmt und dann durch die Struktur geleitet wird, in der die Computerbänke selbst untergebracht sind. Das Erhitzen von Wasser und Räumen bei gleichzeitiger Kühlung der Geräte ist eine Idee, die viele Anwendungen jenseits von Supercomputer-Standorten hat, aber die Projekte auf der TOP500-Liste nehmen Ideen wie diese sehr ernst.

Umwelt- und Effizienzaspekte anzugehen ist nicht nur eine gute Idee für unseren Planeten, sondern notwendig, um die Maschinen zum Laufen zu bringen. Es ist vielleicht nicht die glamouröseste Anwendung, die diese Forschung dem Rest von uns versprechen kann – und Ihnen wurden futuristische Trends versprochen!

Lassen Sie uns darüber sprechen, was in den Jahren 2025 bis 2030 passiert, wenn Supercomputer das menschliche Gehirn abbilden können [Quelle: Shuey ]. Ein Wissenschaftler der Syracuse University schätzte 1996, dass unser Gehirn eine Speicherkapazität zwischen einem und 10 Terabyte hat, wahrscheinlich etwa drei [Quelle: MOAH ]. Natürlich war dies kein sehr nützlicher Vergleich, da unser Gehirn nicht so funktioniert wie Computer. Aber innerhalb der nächsten 20 Jahre sollten Computer in der Lage sein, so zu arbeiten wie unser Gehirn!

Genauso wie Supercomputer bereits nützlich sind, um das menschliche Genom zu kartieren und zu beeinflussen, Lösungen zu finden und ererbte medizinische Probleme und Vorlieben vorherzusagen, werden genaue Modelle des menschlichen Gehirns große Fortschritte bei der Diagnose, Behandlung und unserem Verständnis der Komplexität des menschlichen Denkens bedeuten und Emotionen. In Verbindung mit bildgebenden Verfahren könnten Ärzte Problemzonen lokalisieren, verschiedene Behandlungsformen simulieren und sogar vielen Fragen auf den Grund gehen, die uns seit Anbeginn der Zeit plagen. Implantierbare und transplantierbare Chips und andere Technologien könnten dabei helfen, den Serotoninspiegel und andere Gehirnchemikalien im Zusammenhang mit Stimmungsstörungen zu überwachen und sogar zu verschieben, während größere Fehlfunktionen und Verletzungen des Gehirns einfach rückgängig gemacht werden könnten.

Neben den medizinischen Fortschritten, die uns diese Technologie helfen wird, gibt es auch die kleine Angelegenheit der künstlichen Intelligenz (KI). Während uns Rechenleistung mit mittlerer Leistung bereits einige leistungsstarke KI verschafft – ganz zu schweigen von den intelligenten Systemen, die bereits eine benutzerdefinierte Auswahl von Fernsehsendungen, Filmen, Büchern über KI-Algorithmen oder die Stunden, die wir mit Siri und ähnlichen virtuellen Intelligenzprogrammen verbringen, empfehlen – ein menschenähnliches Maß an "mentaler" Komplexität bedeutet Anwendungen für echte KI. Stellen Sie sich einen Web-MD vor, der tatsächlich wie ein Arzt antwortet und die Aufmerksamkeit eines Experten auf die von Ihnen gestellten Fragen lenkt. Und erweitern Sie dieses Konzept dann über medizinische Belange hinaus auf virtuelle Experten, die Ihnen in einer angenehmen Gesprächsumgebung alles erklären, was Sie wissen müssen.

Man hofft, dass Zettaflop-Supercomputer bis 2030 in der Lage sein sollten, die Wettersysteme der gesamten Erde in mindestens zwei Wochen genau zu modellieren [Quelle: Thorpe ]. Wir sprechen von zu 99 bis 100 Prozent genauen Simulationen unseres gesamten Planeten und der gesamten Ökosphäre, mit lokalen und globalen Vorhersagen, die auf Knopfdruck verfügbar sind. Abgesehen von Katastrophen mag das wie eine relativ spezialisierte Anwendung erscheinen – abgesehen von der Planung einer Hochzeit oder eines Urlaubs, wann war das letzte Mal, dass Sie die Wettervorhersage für Wochen oder Monate im Voraus wissen mussten? -- aber bedenken Sie hier den Informationsumfang.

Das Klima der Erde ist ein so komplexes System, dass es regelmäßig in Diskussionen über die Chaostheorie herangezogen wird, die größte Komplexität, die die meisten von uns überhaupt verstehen können: „Löst der Flügelschlag eines Schmetterlings in Brasilien einen Tornado in Texas aus?“ war die klassische Frage, die erstmals 1972 von Philip Merilees gestellt wurde (obwohl das Konzept der meteorologischen Komplexität in diesem Zusammenhang bis ins Jahr 1890 mit Poincaré zurückreicht) [Quelle: Wolchover ]. Es ist schwer, sich ein komplexeres System in größerem Maßstab als das unserer Wettermuster und -systeme vorzustellen, wenn man so darüber nachdenkt.

Lebensmittelproduktion und Landwirtschaft, Wettereinflüsse auf andere große wissenschaftliche Projekte (wie zum Beispiel ein Shuttle-Start oder Polarexpeditionen) und präventive Katastrophenhilfe sind nur einige der signifikanten – und lebensrettenden – Veränderungen, die diese Art von Rechenleistung mit sich bringt uns.

Und natürlich sind Wettersysteme hier nur die Spitze der Eiskappe: Wenn Sie sich perfekt simulierte Wettermuster vorstellen können, ist es nur ein Sprung zur richtigen Modellierung eines ähnlich riesigen und komplexen Systems. Ganze Planeten und Welten könnten im Silizium und Strom der Supercomputer von morgen realisiert werden.

Die meisten von uns sind online mit Multiplayer-Gaming-Umgebungen vertraut und können sich daran erinnern, als künstliche Umgebungen wie „Second Life“ der letzte Schrei waren. Virtuelle Realitäten sind seit mindestens einem Jahrhundert ein heißer Knopf für Science-Fiction. Aber wenn Sie diese Ideen mit den Möglichkeiten von Supercomputing gleich um die Ecke in den Trichter stecken, werden Spiel- und Rollenspielumgebungen für viel mehr als nur Unterhaltung nützlich.

Während es zweifellos beeindruckende Entwicklungen nach dem Vorbild von „Second Life“ und „Matrix“ geben wird – und die kulturellen und gesellschaftlichen Veränderungen, die damit einhergehen – ist das Konzept der Datenüberlagerung in unserem täglichen Leben noch wichtiger aufregende und nützliche Anwendung all dieser Kraft. Geführte historische Touren, dynamische GPS -Wegbeschreibungen und Online-Restaurantbewertungen zeigen, dass diese Technologie bereits in den Kinderschuhen steckt. Aber stellen Sie sich vor, Sie könnten diese Wettermuster-Simulationen beschleunigen, indem Sie chaotische Elemente wie menschliche Gedanken und Verhaltensweisen einbeziehen, und Sie können Theorien des Bauingenieurwesens, der Stadtplanung und sogar der Ernährungs- und Ressourcenungleichheiten testen.

Supercomputer müssen diese Informationen nicht erraten, obwohl sie darin großartig wären: Sie können Informationen aus allen möglichen Quellen aufnehmen – von den neuesten Trend-Tweets über Verkehrsmuster bis hin zur Nutzung des Energienetzes – und Echtzeitmodelle erstellen von ihnen, um nicht nur laufende Faktoren zu regulieren, sondern auch für die Zukunft zu planen. Laufende Stromausfälle, Gasknappheit und sogar der Stillstand bei Veranstaltungen mit hoher Bevölkerungszahl wie den Olympischen Spielen gehören der Vergangenheit an.

Mit dem allgegenwärtigen WiFi -Internet, das bereit ist, das Land und die Welt zu erobern und die nächsten Generationen über 4G-Konnektivität hinaus zu versorgen, wird die wirklich mächtige simulierte Welt eines Tages bald nicht anders sein als die Welt, in der wir bereits leben, nur besser. Es wird informierter, personalisierter und vor allem uns als Individuen und als Zivilisation befähigen, diese Informationen optimal zu nutzen. Und all diese Informationen und dynamischen Möglichkeiten werden Ihnen durch die Leistungskraft der Supercomputer zur Verfügung gestellt, die wir jetzt erst zum Leben erwecken.

Anmerkung des Autors: 5 futuristische Trends im Supercomputing

Als engagierter Nutzer der Cloud bevorzuge ich es, mit leichtem Gepäck zu reisen. Ich persönlich verwende nur etwa ein Gigabyte der Festplatte meines Computers, damit ich von jedem beliebigen Gerät aus auf meine Medien und Arbeitsprojekte zugreifen kann. Aber als ich erfuhr, wie Supercomputer den Schwerpunkt der Rechenleistung noch weiter weg von meinem Telefon und Tablet verlagern, war ich erstaunt zu sehen, wie viele wirklich futuristische Möglichkeiten zur Verbesserung unseres Lebens zum Greifen nah sind.

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