جهان ابرکامپیوترها با پردازنده‌های جدید و قدرت رایانش بالا دگرگون شده است. این غول‌های رایانشی در ابعاد عظیم، به شبیه‌سازی و آزمایش مدل‌های علمی کمک می‌کنند. براساس مقاله MIT Technology Review، بزرگترین کامپیوتر جهان در آزمایش ملی Oak Ridge به شبیه‌سازی کهکشان و تلاطم ذرات مشغول است. این ابر کامپیوتر که می‌تواند یک کوئینتیلیون محاسبه در ثانیه انجام دهد، بسیاری از آزمایش‌ها و شبیه‌سازی‌هایی که پیش از این غیرممکن بود را ممکن می‌کند.
به گزارش پیوست، چندین ابرکامپیوتر دیگر نیز در بخش‌هایی از آمریکا و اروپا به زودی راه‌اندازی می‌شوند و پله بعدی برای این غول‌های رایانشی، بیش از ۲ کوئینتیلیون محاسبه در ثانیه است.
درک توانایی سریع‌ترین ابرکامپویتر جهان دشوار است. جک دانگارا، از دانشگاه تنسی، این غول پردازشی را اینگونه توصیف می‌کند: «اگر همه مردم زمین در هر ثانیه یک محاسبه انجام دهند، چهار سال طول می‌کشد تا با آنچه این کامپیوتر در یک ثانیه انجام می‌دهد برابری کنند.»
این ابرکامپیوتر فرانتیر (Frontier) نام گرفته است. این غول سخت‌افزاری در ماه مه سال ۲۰۲۲ در ابعادی به اندازه دو زمین تنیس در آزمایشگاه ملی Oak Ridge در شرق تنسی رونمایی شد.
برخی از مشخصات این کامپیوتر از این قرار است: فرانتیر از حدود ۵۰ هزار پردازنده استفاده می‌کند و قدرتمند‌ترین لپ‌تاپ‌ها تنها ۱۶ یا ۲۴ پردازنده دارند. این غول رایانشی ۲۰ میلیون وات انرژی مصرف می‌کند و انرژی مصرفی لپتاپ حدود ۶۵ وات است. هزینه ساخت این کامپیوتر نیز ۶۰۰ میلیون دلار است.
فعال شدن فرانتیر در واقع شروع عصر رایانش کلان‌مقیاس (Exasclae) است، عبارتی که به یک کوئینتیلیون (۱۰۱۸) محاسبه در ثانیه اشاره دارد. از آن زمان تا به امروز، پژوهشگران برای ساخت تعداد بیشتری از این کامپیوتر‌های عظیم تلاش کرده‌اند: چندین ابرکامپیوتر قرار است تا سال ۲۰۲۴ در اروپا و آمریکا فعال شود.
اما مساله اصلی تنها سرعت نیست. هدف پژوهشگران از ساخت کامپیوتر‌های کلان‌مقیاس، بررسی سوالات علمی و مهندسی بی‌پاسخی در بیولوژی، اقلیم، ستاره‌شناسی و دیگر رشته‌ها است. در چند سال آینده، پژوهشگران از فرانتیر برای پیچیده‌ترین شبیه‌سازی‌های تاریخ بشر کمک می‌گیرند. آنها امیدوارند تا با این ابزار به سوالات بی‌پاسخی درمورد طبیعت جواب داده و تکنولوژی‌های جدیدی را در حوزه‌های مخلتف از حمل و نقل گرفته تا پزشکی پاسخ دهند.
برای مثال، ایوان اشنایدر از دانشگاه پیتزبرگ، از فرانتیر برای شبیه‌سازی نحوه گسترش کهکشان ما استفاده می‌کند. او به ویژه به جریان ورود و خروج گاز به کهکشان راه شیری علاقه‌مند است. کهکشان هم به نوعی در حال تنفس است: گاز به درون آن جریان پیدا کرده و به دلیل جاذبه با ستاره‌ها یکی می‌شود و در عین حال شاهد خروج گاز هستیم-برای مثال وقتی که ستاره‌ای می‌مرد و ماده را منتشر می‌کند. اشنایدر مکانیزم‌های بازدم کهکشان‌ها را مطالعه می‌کند. او می‌گوید: «می‌توانیم شبیه‌سازی‌ها را با مشاهدات جهان واقعی مقایسه کنیم و متوجه شویم که آیا فیزیک مد نظر ما درست است.»
اشنایدر با استفاده از فرانتیر در حال ساخت یک مدل کامپیوتری از کهکشان راه شیری است که از وضوح کافی برخوردار است تا بتوان روی انفجار هرکدام از ستاره‌ها زوم کرد. یعنی این مدل باید مشخصه‌های کهکشان ما به وسعت ۱۰۰ هزار سال نوری و همچنین مشخصات اَبَرنواخترها را در حدود ۱۰ هزار سال نوری در بر بگیرد. او می‌گوید: «چنین کاری پیش از این انجام نشده است.» چنین سطحی از وضوح درست شبیه به آن است که مدل دقیقی از یک بطری آبجو با تمام سلول‌های مخمر درون آن ایجاد کنید در حالی که فعل و انفعال بین آنها را نیز به نمایش بگذارد.
استفان پریب، از مهندسان ارشد شرکت ژنرال الکتریک، از فرانتیر برای شبیه‌سازی ایرودینامیک مربوط به طراحی نسل بعدی هواپیما‌ها استفاده می‌کند. ژنرال الکتریک برای افزایش بازده سوخت در حال بررسی طراحی موتوری معروف به «معماری فن باز» است. موتور‌های جت از فن‌ها برای ایجاد نیروی محرکه استفاده می‌کنند و هرچه فن بزرگتر باشد، بازدهی بیشتر است. مهندسان پیشنهاد کرده‌اند که برای بزرگتر کردن این فن‌ها، قاب خارجی یا ناسل آن حذف شود و پره‌ها همانند فرفره در فضای باز قرار گیرند. پریب می‌گوید: «با این شبیه‌سازی‌ها می‌توانیم در مراحل اول طراحی به اطلاعات دقیق ایرودینامیک دست پیدا کنیم.» با این شبیه‌سازی‌ها، مهندسان چشم‌اندازی از نحوه قرارگیری پره‌ها برای بهبود وضعیت ایرودینامیک خواهند داشت.
فرانتیر به ویژه برای مطالعات پریب روی تلاطم، حرکات آشفته یک ماده متلاطم- در این مورد هوا- در اطراف فن، مفید است. تلاطم یک پدیده رایج است و ما در امواج دریا و دود برخواسته از شمع خاموش شاهدش هستیم. اما محققان به سختی می‌توانند جهت حرکت یک ماده متلاطم را پیش‌بینی کنند زیرا هم از تغییرات کلان، مثل تغییرات فشار و دما تاثیر می‌پذیرد و هم از تغییرات میکروسکپی، مثل مالش مولکول‌های نیتروژن هوا به یکدیگر. تاثیر متقابل این نیروها در مقیاس‌های مختلف حرکات را پیچیده می‌کند.
برانسون مسر، متخصص فیزیک نجومی و مسئول بخش علوم تاسیسات Oak Ridge Leadership Computing، می‌گوید: «پیشتری استادی در دانشگاه به من گفت، برنسون، اگر کسی گفت که تلاطم را درک می‌کند، باید یک دستت را روی کیفت گذاشته و از اتاق خارج شوی، زیرا می‌خواهند چیزی را به تو قالب کنند. هیچکس تلاطم را درک نمی‌کند. این مساله بزرگترین سوال فیزیک کلاسیک است.»
این مطالعات علمی به قدرت بی‌نظیر ابرکامپیوترها اشاره دارند: شبیه‌سازی همزمان اشیاء فیزیکی در مقیاس‌های مختلف. این توانایی کاربرد‌های دیگری هم دارد. فرانتیر امکان شبیه‌سازی دقیق‌تر مدل‌های اقلیمی را فراهم می‌کند که باید هوا را در ابعاد مختلف فضایی زمین، در بازه‌های بلند‌مدت و کوتاه‌مدت شبیه‌سازی کنند. فیزیک‌دانان همچنین می توانند هم‌جوشی اتمی را نیز شبیه‌سازی کنند؛ روند تلاطمی که خورشید از طریق آن ادغام اتم‌ها و ایجاد عناصر جدید، انرژی تولید می‌کند. هدف پژوهشگران این است که با درک بهتر این فرایند، از هم‌جوشی اتمی به عنوان یک تکنولوژی انرژی پاک استفاده کنند. در حالی که سال‌ها است شبیه‌سازی‌های مختلفی به ابرکامپیوترها واگذار می‌شود، اما فرانتیر این کار را در مقیاس‌های گسترده‌تری نسبت به نسل‌های پیشین انجام می‌دهد.
پژوهشگران مجاز برای استفاده از فرانتیر باید از راه دور وارد این ابرکامپیوتر شده و از طریق اینترنت وظایف خود را به آن محول کنند.Oak Ridge برای استفاده حداکثری از این ماشین قصد دارد حدود ۹۰ درصد از پردازنده‌های این کامپیوتر را به رایانش ۲۴ ساعته در تمامی روزها اختصاص دهد. مسر می‌گوید: «زمانی به چنین سطح پایداری می‌رسیم که دائما و به مدت چندین سال به شبیه‌سازی علمی مشغول باشیم.» داده‌های کاربران Oak Ridge در تاسیساتی با ظرفیت ۷۰۰ پتابایت، معادل ۷۰۰ هزار هارد معمولی، ذخیره می‌شود.
با اینکه فرانتیر اولین ابرکامپیوتر کلان‌مقیاس است، اما تعداد بیشتری از این غول رایانشی در راه هستند. پژوهشگران ایالات متحده در حال حاضر به نصب دو ماشین با توان بیش از دو اکزافلاپ (۲ کوئینتیلیون محاسبه در ثانیه) مشغولند: یکی به نام Aurora در آزمایشگاه ملی Argonne در ایالت ایلینویز، و دیگری El Capitan، در آزمایشگاه ملی Lawrence Livermore در کالیفرنیا. پژوهشگران از اوایل سال ۲۰۲۴ قرار است از Aurora برای ساخت نقشه نرون‌های داخل مغز و جستجو برای کاتالیزگر‌هایی استفاده کنند که به فرایند‌های صنعتی از جمله تولید بهتر کود کمک می‌کنند. El Capitan نیز قرار است در سال ۲۰۲۴ فعال شود و به دولت در نگهداری از سلاح‌های هسته‌ای، بدون آزمایش آنها کمک کند. اروپا نیز قصد دارد اواخر سال ۲۰۲۴، از اولین ابرکامپیوتر کلان‌مقایس خود به نام Jupiter رونمایی کند.
براساس گزارش‌ها، چین نیز از ابرکامپیوتر‌های کلان‌مقیاس برخودار است اما از آنجایی که نتایج استاندارد تست عملکرد آنها را منتشر نکرده، این کامپیوتر‌ها در لیست TOP500، که لیستی متشکل از سریع‌ترین ابرکامپیوترها است، حضور ندارند. دانگارا که تست قدرت ابرکامپیوتر‌های لیست TOP500 را طراحی کرده می‌گوید: «چینی‌ها نگران محدودیت‌های بیشتر آمریکا برای تکنولوژی هستند و نمی‌خواهند تعداد این ماشین‌های قدرتمند را فاش کنند.»
افزایش قدرت رایانشی در کلان‌مقیاس یا exascale متوقف نمی‌شود. به گفته مسر، Oak Ridge همین حالا در حال بررسی نسل بعدی کامپیوتر‌ها است. نسل بعدی سه تا پنج برابر فرانتیر قدرت دارد. اما یکی از مشکلات اصلی این کامپیوتر‌ها، مصرف انرژی بالا است. مصرف انرژی فرانتیر به تنهایی برای استفاده هزاران خانه کافی است. مسر می‌گوید: «بزرگتر و بزرگتر کردن این ماشین‌ها راهکار پایداری نیست.»
با این حال همینطور که Oak Ridge ابرکامپیوتر‌های بزرگتری می‌سازد، مهندسان با راهکارهایی مثل یک سیستم خنک‌کننده جدید، به افزایش بازدهی این ماشین‌ها کمک می‌کنند. سامیت (Summit)، ابرکامپیوتر قبل از فرانتیر که هنوز در Oak Ridge فعال است، ۱۰ درصد از انرژی مصرفی خود را به خنک کردن اختصاص می‌دهد. اما سهم خنک‌کننده در فرانتیر به ۳ تا ۴ درصد از انرژی مصرفی رسیده است. چنین پیشرفتی به لطف استفاده از آب با دمای محیط، به جای آب سرد، برای خنک کرده حاصل شده است.
نسل بعدی ابرکامپیوترها می‌توانند مقیاس‌های بیشتری را شبیه‌سازی کنند. برای مثال، شبیه‌سازی کهکشان اشنایدر با فرانتیر به وضوح ده‌ها سال نوری رسیده است. یعنی این شبیه‌سازی برای رسیدن به مقیاس ابرنواختر‌های جداگانه کافی نیست و درنتیجه پژوهشگران باید هر انفجار را به صورت جداگانه شبیه‌سازی کنند. ابرکامپیوتر آینده می‌تواند تمامی این مقیاس‌ها را یکی کند.
این ابرکامپیوترها با شبیه‌سازی واقعی از طبیعت و تکنولوژی، علم را به جلو می‌برند. یک شبیه‌سازی واقعی از کهکشان، اطلاعاتی به گستره جهان را در اختیار پژوهشگران می‌گذارد. مدل‌سازی دقیق تلاطم هوا در اطراف فن هواپیما، الزام ساخت یک تونل بادی گران‌قیمت را از بین می‌برد. مدل‌های اقلیمی بهتر هم به پژوهشگران کمک می‌کند تا سرونوشت زمین را بهتر ببینند. به عبارت دیگر، این ابرکامپیوترها ابزاری در اختیار ما می‌گذارند تا خود را بهتر برای آینده آمده کنیم.
نظرات کاربران