Exascale вычисления наступили Что могут суперкомпьютеры нового поколения

Exascale-суперкомпьютеры — это машины, способные выполнять квинтиллион операций в секунду. Для сравнения: обычный домашний ПК работает в диапазоне терафлопсов (примерно 5 триллионов операций в секунду). Разница в миллионы раз. Такая мощность открывает двери для революционных открытий в науке, медицине и инженерии.

Exascale — это не просто число. Это возможность моделировать целые планеты или изучать молекулы с атомарной точностью.

Что такое Exascale и как это работает

Термин Exascale происходит от приставки «экса» (10¹⁸) и обозначает способность компьютера выполнять 1 квинтиллион операций с плавающей запятой в секунду (1 экзафлопс). Для достижения таких скоростей требуются десятки тысяч процессоров (CPU) и графических ускорителей (GPU), плотно упакованных в единую систему. Например, суперкомпьютер Frontier от HPE состоит из 74 шкафов, каждый весом 3,5 тонны, и занимает площадь 680 м².

Главная сложность — минимизация задержек передачи данных (латентности). Даже пикосекундные задержки при миллиардах одновременных вычислений могут замедлить систему. Поэтому компоненты размещают максимально близко, а связь между ними оптимизируют с помощью высокоскоростных сетей.

Где применяют Exascale-системы

• Медицина: Моделирование взаимодействия лекарств с вирусами. Во время пандемии COVID-19 Exascale-компьютеры анализировали геном SARS-CoV-2 за часы вместо месяцев.
• Климатология: Точные прогнозы изменений климата с учетом миллионов параметров — от океанских течений до выбросов CO₂.
• Ядерные исследования: Виртуальные испытания безопасности атомных реакторов и моделирование термоядерного синтеза.
• Астрофизика: Симуляция столкновений галактик или поведения черных дыр.

Почему Exascale — это сложно

Основные проблемы таких систем — энергопотребление и перегрев. Например, Frontier потребляет около 21 МВт энергии — как небольшой город. Для охлаждения используют:

1. Жидкостные системы с циркулирующей водой.
2. Размещение дата-центров в холодных регионах (например, в Арктике).
3. Гибридные решения с мощными вентиляторами.

Еще одна проблема — надежность. Из-за огромного числа компонентов (десятки тысяч CPU/GPU) отказы случаются каждые несколько часов. Для защиты данных применяют чекпоинтинг — автоматическое сохранение промежуточных результатов.

Будущее за гибридами и Zettascale

Ученые уже работают над следующими этапами:

• Гибридные системы: Объединение квантовых компьютеров с Exascale-машинами. В Японии к суперкомпьютеру Fugaku подключили квантовый модуль для решения задач химии и материаловедения.
• Zettascale (10²¹ операций в секунду): По прогнозам, такие системы появятся через 10 лет, если закон Мура продолжит действовать.

Exascale — это не финиш, а старт для новых открытий. Следующая цель — моделирование человеческого мозга или создание цифрового двойника Земли.

Уже сейчас Exascale-компьютеры помогают сокращать затраты на исследования. Например, виртуальные испытания авиадвигателей экономят миллиарды рублей на реальных тестах. А симуляция новых материалов ускоряет разработку аккумуляторов для электромобилей.