Superpočítač Amálka pomáhá českému kosmickému výzkumu prostřednictvím 326 procesorů společnosti Intel

Amálka, která významně pomáhá při výzkumu naší sluneční soustavy, je stále nejvýkonnějším počítačem v České republice. Její výkon řádově odpovídá 450 běžným kancelářským stolním počítačům a zvládne zpracovat čtyři biliony početních operací za vteřinu. Mozkem Amálky jsou procesory společnosti Intel, která výkon svých procesorů neustále zvyšuje.

Společnosti Intel a Sprinx Systems spolu s Ústavem fyziky atmosféry Akademie věd ČR (ÚFA AV ČR) představují novou generaci superpočítače Amálka. Pátá generace tohoto neuvěřitelně výkonného počítače slouží českému kosmickému programu, kde zajišťuje náročné výpočty, numerické experimenty a složité vizualizace. Amálka s týmem vědců a s nimi spojeným výzkumem meziplanetárního prostoru je stále unikátním projektem v Česku i ve světě. Členové vědeckého týmu ÚFA AV ČR byli přizváni ke spolupráci v rámci projektů Evropské kosmické agentury (ESA) i amerického Úřadu pro letectví a kosmický prostor (NASA).

Početní výkon Amálky je 4,07 TFlops, což znamená, že superpočítač zvládne zpracovat 4,07 bilionu operací za vteřinu. "Co Amálka zvládne vypočítat za jednu vteřinu, by na běžném stolním počítači trvalo odhadem devět hodin. Průměrná úloha, kterou Amálka řeší, jí odhadem trvá šest dní," řekl Jiří Čáp ze společnosti Sprinx Systems, která superpočítač ve spolupráci s vědeckým týmem Dr. Pavla Trávníčka z ÚFA AV ČR postavila. "Jsme hrdi na to, že Amálka si drží své místo jako nejvýkonnější výpočetní systém v ČR a že poskytuje našim vědcům zázemí pro špičkovou vědeckou práci. Jako velmi pozitivní zprávu vnímáme to, že se dvojnásobného výpočetního výkonu podařilo dosáhnout díky použití moderních technologií, a to bez navýšení celkové spotřeby elektrické energie," uvedl RNDr. Radan Huth, DrSc., ředitel ÚFA AV ČR.

Nová generace Amálky se může pochlubit již 326 procesory společnosti Intel. Oproti předchozí verzi je bohatší o 54 nových, čtyřjádrových procesorů Intel® Xeon® E5345. To představuje navýšení o 216 výpočetních jader na současných 572 jader. "Superpočítač Amálka je tak stále nejvýkonnějším superpočítačem v České republice. Díky neustálému zvyšování výkonu procesorů se dnešní čtyřjádrové procesory vyrovnají početnímu výkonu superpočítačů z poloviny devadesátých let," řekl Evžen Pavlovský, obchodní manažer společnosti Intel.

Výkon procesorů každoročně výrazně roste. "Zatímco v roce 2000 bylo pro tehdejší prvenství ve výkonu superpočítačů dle TOP500 potřeba počítač vybavit desetitisíci procesory, dnes by k dosažení srovnatelného výkonu stačila stovka čtyřjádrových procesorů Intel," řekl Jiří Čáp ze společnosti Sprinx Systems. Nejvýkonnější superpočítače začátku tisíciletí pracovaly s jednojádrovými procesory Intel Pentium III o frekvenci 500 MHz. V teoretickém výkonu odpovídá výkon jednoho dnešního čtyřjádrového procesoru E5345 sedmdesáti čtyřem jednojádrovým procesorům Intel Pentium III. "Pokud by v roce 2000 byly k dispozici čtyři výkonné čtyřjádrové procesory v jednom superpočítači, dostal by se v té době rázem mezi sto nejvýkonnějších počítačů na světě," dodal Jiří Čáp.

V návaznosti na Mooreův zákon – počet tranzistorů se zdvojnásobuje zhruba každé dva roky – se lze na výkon podívat i z druhého pohledu. V roce 2006 stál 1 MFlops (zpracování 1 milionu operací za vteřinu) 1,60 Kč. V letošním roce lze náklady odhadnout na 0,88 koruny za 1 MFlops. To znamená, že stejný výkon stojí každý rok zhruba polovinu, a to navíc při zachování stejné energetické náročnosti.

Amálka pomáhá návratu člověka na Měsíc či řídit družice v dalekém vesmíru

"Supervýkonný počítač Amálka nám umožňuje provádět numerické experimenty na světové úrovni. Díky němu jsme rovnocennými partnery zahraničním kolegům, například při výzkumu procesů ve slunečním větru, výzkumu planet naší sluneční soustavy či při navrhování budoucích projektů zaměřených na výzkum Měsíce," řekl Dr. Pavel Trávníček z ÚFA AV ČR.

Projekt MESSENGER NASA – tým z Ústavu fyziky atmosféry byl úřadem NASA vybrán ke spolupráci na zpracování a interpretaci naměřených dat v rámci projektu MESSENGER, zaměřeného na výzkum planety Merkur. Sonda MESSENGER nejprve absolvuje několik průletů kolem této planety, než se sérií gravitačních manévrů dostane na její oběžnou dráhu. K prvnímu průletu dojde na počátku roku 2008. Vědecký tým z ÚFA AV ČR zaujal výběrovou komisi NASA svým 3D kinetickým modelem magnetosféry vyvinutým na superpočítači Amálka.

Program návratu člověka na Měsíc se zaměřuje na zevrubný výzkum Měsíce. Amálka umožňuje provádění rozsáhlých numerických experimentů nezbytných k přípravě složitých projektů. Jedním z nich je například vyslání jedné až dvou družic projektu THEMIS na oběžnou dráhu Měsíce. Dalším projektem, na jehož návrhu se tým vedený Pavlem Trávníčkem podílí, je vyslání americké družice Luisa rovněž na oběžnou dráhu Měsíce.

Sonda Cassini – při průletu kolem Saturnova měsíce Enceladus pozorovala sonda zajímavý jev. Z měsíce uniká do okolního prostředí značné množství vodní páry, která nad povrchem ionizuje a reaguje s okolním prostředím. Amálka umožňuje vývoj numerického modelu, který by pomohl tento zajímavý jev popsat a pozorování sondy vysvětlit.

Příprava projektu Solar Orbiter – družice zaměřené na výzkum v dalekém vesmíru nelze kvůli dlouhé odezvě v přijetí povelu řídit v reálném čase. Amálka slouží k návrhu zařízení, které bude schopné předpovědět výjimečnou sluneční činnost a dát pak družici signál k aktivaci a rychlejšímu sběru dat. Naopak pokud bude v okolí klid, dostane sonda signál, aby sbírala dat méně a šetřila tak paměť družice.

Amálka je rychlejší díky závratnému tempu vývoje procesorů

Procesory a jejich vývoj hrají zásadní roli ve zvyšování výkonu jak ve velkých superpočítačích, tak v domácích stolních počítačích. Aby bylo možné výkon procesorů neustále zvyšovat, je třeba do procesorů vtěsnat každoročně stále více tranzistorů, které informace zpracovávají. "Současné čtyřjádrové procesory na jádře Penryn například obsahují 820 milionů tranzistorů. Před dvěma lety měly běžné procesory kolem 200 milionů tranzistorů," řekl Pavel Svoboda, tiskový mluvčí společnosti Intel. Aby se nemusela velikost procesorů s přibývajícími tranzistory zvětšovat, mění se každé dva roky i výrobní technologie. Společnost Intel proto nyní mění technologii, a to z 65nm výrobního procesu na 45nanometrový.

Přechod na novou technologii umožňuje vyrábět procesory, které jsou o 25 procent menší než předchozí generace. "Zároveň také nové procesory přinášejí vedle několika nových funkcí především vyšší výkon s nižší spotřebou elektrické energie – nárůst výkonu činí až 38 procent na watt," dodal Pavel Svoboda. Energetické úspory 45nanometrových procesorů jsou obrovské, jak vyplývá z dlouhodobých měření společnosti Sprinx Systems. "Při použití 45nm procesoru o stejné frekvenci, při identické úloze a bez jakýchkoli dalších úprav klesne okamžitě spotřeba elektrické energie o 24 procent. Výpočetní výkon se naopak zvýší o 11 procent. Je to úctyhodný výsledek, který jsme ani neočekávali," řekl Jiří Čáp ze společnosti Sprinx Systems.

Superčipy míří do domácností

Malé rozměry, nízká spotřeba a špičkový výkon dělají z nových, 45nm procesorů Intel takřka univerzální čipy pro všechny druhy výpočetních zařízení: od kapesních internetových počítačů až po špičkové servery. Své místo si najdou 45nanometrové čipy i v mnoha domácnostech, kde stále roste poptávka po větším výkonu. Lidé chtějí hrát graficky perfektně propracované hry a pracovat s multimédii, třeba zpracovávat domácí video ve vysokém rozlišení nebo ve stejné kvalitě upravovat fotografie. Poptávka však roste i po dalších funkcích, například po zabezpečení počítače či spolehlivém bezdrátovém připojení k internetu. Podstatná je též snaha uspořit energii, která je stále dražší.

Nynější domácí počítače jsou na úrovni menších superpočítačů devadesátých let

Amálka nyní disponuje celkem 326 procesory, které dohromady disponují výkonem 4,07 TeraFlops. Takovýto výkon by zastoupilo jedině 450 současných stolních počítačů používaných v domácnostech. Výkon běžného stolního počítače se nyní pohybuje okolo 4 GFlops (odhad vychází ze srovnání s nejběžnějšími počítači – Celeron 3 GHz, Pentium 9xx).

Před deseti lety byly pro vědecké účely používány superpočítače, jejichž výpočetní výkon dnes zastane výkonnější domácí počítač. Kdo má doma počítač s dnešním čtyřjádrovým procesorem Intel® CoreTM 2 Quad, má k dispozici výpočetní výkon srovnatelný s Amálkou před sedmi lety. "Tento obrovský výpočetní výkon za přijatelnou cenu umožňuje naší společnosti nabízet high-performance computing nástroje a řešení nejenom ve vědecké oblasti, ale i v komerční sféře, jako jsou například finančnictví, nanotechnologie a biotechnologie, herní a filmový průmysl nebo high-tech strojírenství a elektronika. Blíží se doba, kdy se high-performance computing stane nutnou součástí informačních technologií, aby bylo možno adekvátně reagovat na stále rostoucí nároky a potřeby uživatelů," řekl Dr. Michal Kvasnička, ředitel HPC divize společnosti Sprinx Systems.

Ústav fyziky atmosféry vznikl 1.1. 1964 a dnes patří mezi největší pracoviště zabývající se výzkumem kosmu v ČR. V roce 1994 se k ÚFA připojilo bývalé Ionosférické oddělení Geofyzikálního ústavu AV ČR, čímž se oblast výzkumu rozšířila, a nyní zahrnuje celou atmosféru od mezní vrstvy po meziplanetární prostor.

Článek ze dne 29. listopadu 2007 - čtvrtek