مستقبل السرعات في أجهزة الكمبيوتر العملاقة في العالم؟

بدأ العلماء في إجراء تجارب على Frontier، أول آلة إكساسكيل رسمية في العالم، في حين تقوم المنشآت في جميع أنحاء العالم ببناء آلات أخرى للانضمام إلى صفوفها. صفوف طويلة من أجهزة الكمبيوتر العملاقة التي تحمل اسم “Frontier” مرئية في النهاية، منظر لآلة فرونتير من فئة الإكساسكيل في مختبر أوك ريدج الوطني.

قد يكون من الصعب أن تحيط عقلك بقدرة معالجة الأرقام التي يتمتع بها أسرع كمبيوتر فائق السرعة في العالم. لكن عالم الكمبيوتر جاك دونجارا، من جامعة تينيسي، يوضح الأمر بهذه الطريقة: “إذا قام كل شخص على وجه الأرض بإجراء عملية حسابية واحدة في الثانية، فسيستغرق الأمر أربع سنوات لمساواة ما يمكن أن يفعله هذا الكمبيوتر في ثانية واحدة”.

الكمبيوتر العملاق المعني يسمى Frontier. وهو يشغل مساحة ملعبي تنس في مختبر أوك ريدج الوطني في تلال تينيسي الشرقية، حيث تم الكشف عنه في مايو 2022.

فيما يلي بعض المواصفات الإضافية: يستخدم Frontier ما يقرب من 50000 معالج، مقارنة بأقوى أجهزة الكمبيوتر المحمول التي تبلغ 16 أو 24 معالجًا. ويستهلك 20 مليون واط، مقارنة بجهاز كمبيوتر محمول 65 أو نحو ذلك. تكلفة بناءه 600 مليون دولار.

عندما ظهرت Frontier على الإنترنت، كان ذلك بمثابة فجر ما يسمى بحوسبة الإكساسكيل، مع الآلات التي يمكنها تنفيذ إكسافلوب – أو كوينتيليون (1018) عملية الفاصلة العائمة في الثانية. منذ ذلك الحين، استعد العلماء لتصنيع المزيد من أجهزة الكمبيوتر السريعة للغاية: ومن المقرر أن يتم تشغيل العديد من أجهزة الإكساسكيل في الولايات المتحدة وأوروبا في عام 2024.

لكن السرعة في حد ذاتها ليست نهاية اللعبة. يقوم الباحثون ببناء أجهزة كمبيوتر إكساسكيل لاستكشاف المسائل العلمية والهندسية التي لم يكن من الممكن الوصول إليها سابقًا في علم الأحياء والمناخ وعلم الفلك ومجالات أخرى. في السنوات القليلة المقبلة، سيستخدم العلماء Frontier لتشغيل أكثر عمليات المحاكاة الحاسوبية تعقيدًا التي ابتكرها البشر على الإطلاق. إنهم يأملون في متابعة الأسئلة التي لم تتم الإجابة عليها بعد حول الطبيعة وتصميم تقنيات جديدة في مجالات من النقل إلى الطب.

على سبيل المثال، يستخدم إيفان شنايدر من جامعة بيتسبرغ فرونتير لإجراء عمليات محاكاة لكيفية تطور مجرتنا مع مرور الوقت. وعلى وجه الخصوص، فهي مهتمة بتدفق الغاز داخل وخارج مجرة درب التبانة. تتنفس المجرة بطريقة ما: يتدفق الغاز إليها، ويتجمع عبر الجاذبية ليشكل النجوم، لكن الغاز يتدفق أيضًا للخارج – على سبيل المثال، عندما تنفجر النجوم وتطلق مادة. يدرس شنايدر الآليات التي يتم من خلالها زفير المجرات. يقول شنايدر: “يمكننا مقارنة عمليات المحاكاة بالكون الحقيقي المرصود، وهذا يمنحنا إحساسًا بما إذا كنا نفهم الفيزياء بشكل صحيح أم لا”.

يستخدم شنايدر شركة Frontier لبناء نموذج حاسوبي لمجرة درب التبانة بدقة عالية كافية لتكبير النجوم المنفجرة الفردية. وهذا يعني أن النموذج يجب أن يلتقط خصائص واسعة النطاق لمجرتنا على بعد 100000 سنة ضوئية، بالإضافة إلى خصائص المستعرات الأعظم على بعد حوالي 10 سنوات ضوئية. وتقول: “لم يتم فعل ذلك حقًا”. لفهم ما يعنيه هذا الحل، سيكون مشابهًا لإنشاء نموذج دقيق فيزيائيًا لعلبة بيرة مع خلايا الخميرة الفردية بداخلها، والتفاعلات على كل مقياس بينهما.

ثريات الكمبيوتر الكمي متصلة ببعضها البعض بطريقة متغيرة الألوان
تريد شركة IBM بناء حاسوب كمي بسعة 100000 كيوبت
تريد الشركة أن تجعل أجهزة الكمبيوتر الكمومية واسعة النطاق حقيقة واقعة في غضون 10 سنوات فقط.

يستخدم ستيفان بريبي، أحد كبار المهندسين في شركة جنرال إلكتريك، فرونتير لمحاكاة الديناميكا الهوائية للجيل القادم من تصاميم الطائرات. ولزيادة كفاءة استهلاك الوقود، تدرس شركة جنرال إلكتريك تصميم المحرك المعروف باسم “بنية المروحة المفتوحة”. تستخدم المحركات النفاثة مراوح لتوليد الدفع، والمراوح الأكبر حجمًا تعني كفاءة أعلى. ولجعل المراوح أكبر حجمًا، اقترح المهندسون إزالة الإطار الهيكلي الخارجي، المعروف باسم الكنة، بحيث تظهر الشفرات كما هو الحال في دولاب الهواء. يقول بريبي: “تسمح لنا عمليات المحاكاة بالحصول على عرض تفصيلي للأداء الديناميكي الهوائي في وقت مبكر من مرحلة التصميم”. فهي تعطي المهندسين نظرة ثاقبة حول كيفية تشكيل شفرات المروحة لتحسين الديناميكا الهوائية، على سبيل المثال، أو لجعلها أكثر هدوءًا.

سوف يفيد مشروع فرونتير بشكل خاص دراسات بريبي عن الاضطراب، أي الحركة الفوضوية لسائل مضطرب – الهواء في هذه الحالة – حول المروحة. الاضطراب ظاهرة شائعة. نراها في أمواج المحيط المتلاطمة وفي دوامة الدخان المتصاعدة من شمعة مطفأة. لكن العلماء ما زالوا يكافحون من أجل التنبؤ بالكيفية التي سيتدفق بها السائل المضطرب. وذلك لأنه يتحرك استجابة لكل من التأثيرات العيانية، مثل تغيرات الضغط ودرجة الحرارة، والتأثيرات المجهرية، مثل احتكاك جزيئات النيتروجين الفردية في الهواء ببعضها البعض. إن تفاعل القوى على مقاييس متعددة يؤدي إلى تعقيد الحركة.

“في كلية الدراسات العليا، قال لي [الأستاذ] ذات مرة، “برونسون”.

يقول عالم الفيزياء الفلكية برونسون ميسر، مدير العلوم في شركة أوك ريدج للقيادة: “إذا أخبرك أي شخص أنه يفهم الاضطراب، فيجب عليك وضع يدك على محفظتك والخروج من الغرفة، لأنهم يحاولون أن يبيعوا لك شيئًا ما”. مرفق الحوسبة، الذي يضم الحدود. “لا أحد يفهم الاضطراب. إنها حقًا آخر مشكلة فيزيائية كلاسيكية عظيمة.»

توضح هذه الدراسات العلمية القوة المميزة لأجهزة الكمبيوتر العملاقة: محاكاة الأشياء المادية على مستويات متعددة في وقت واحد. تطبيقات أخرى تردد هذا الموضوع. تتيح Frontier نماذج مناخية أكثر دقة، والتي يجب أن تحاكي الطقس على نطاقات مكانية مختلفة عبر الكوكب بأكمله وأيضًا على نطاقات زمنية طويلة وقصيرة. يستطيع الفيزيائيون أيضًا محاكاة الاندماج النووي، وهي العملية المضطربة التي تولد فيها الشمس الطاقة عن طريق دفع الذرات معًا لتكوين عناصر مختلفة. إنهم يريدون فهم العملية بشكل أفضل من أجل تطوير الاندماج كتقنية للطاقة النظيفة. في حين أن هذه الأنواع من عمليات المحاكاة متعددة النطاق كانت عنصرًا أساسيًا في الحوسبة الفائقة لسنوات عديدة، إلا أن Frontier يمكنها دمج نطاق أوسع من المقاييس المختلفة أكثر من أي وقت مضى.

الموقع قيد الإنشاء
يمكن أن يكون ثقب في الأرض هو مستقبل طاقة الاندماج النووي
تمتلك شركة الكومنولث الناشئة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مغناطيسًا قويًا جديدًا يمكنه أخيرًا تحويل قوة الاندماج إلى حقيقة.

لاستخدام Frontier، يقوم العلماء المعتمدون بتسجيل الدخول إلى الكمبيوتر العملاق عن بعد، وتقديم وظائفهم عبر الإنترنت. لتحقيق أقصى استفادة من الجهاز، يهدف أوك ريدج إلى تشغيل حوالي 90% من معالجات الكمبيوتر العملاق للحسابات على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع. يقول ميسر: “لقد دخلنا هذا النوع من الحالة المستقرة حيث نقوم باستمرار بإجراء عمليات محاكاة علمية لبضع سنوات”. يحتفظ المستخدمون ببياناتهم في Oak Ridge في منشأة لتخزين البيانات يمكنها تخزين ما يصل إلى 700 بيتابايت، أي ما يعادل حوالي 700000 محرك أقراص ثابتة محمول.

على الرغم من أن Frontier هو أول حاسوب فائق السرعة يعمل بنظام الإكساسكيل، إلا أن المزيد منه قادم في المستقبل. في الولايات المتحدة، يقوم الباحثون حاليًا بتركيب جهازين سيكونان قادرين على إنتاج أكثر من اثنين إكسافلوب: أورورا، في مختبر أرجون الوطني في إلينوي، وإل كابيتان، في مختبر لورانس ليفرمور الوطني في كاليفورنيا. ابتداءً من أوائل عام 2024، يخطط العلماء لاستخدام أورورا لإنشاء خرائط للخلايا العصبية في الدماغ والبحث عن المحفزات التي يمكن أن تجعل العمليات الصناعية مثل إنتاج الأسمدة أكثر كفاءة. وستعمل El Capitan، التي من المقرر أن تظهر على الإنترنت في عام 2024، على محاكاة الأسلحة النووية لمساعدة الحكومة في الحفاظ على مخزونها دون إجراء تجارب أسلحة. وفي الوقت نفسه، تخطط أوروبا لنشر أول حاسوب فائق السرعة، وهو جوبيتر، في أواخر عام 2024.

يُزعم أن الصين تمتلك أيضًا حواسيب إكساسكيل العملاقة، لكنها لم تصدر نتائج الاختبارات المعيارية القياسية لأدائها، لذلك لا تظهر أجهزة الكمبيوتر في قائمة TOP500، وهي قائمة نصف سنوية لأسرع الحواسيب العملاقة. يقول دونجارا، الذي صمم المعيار الذي يجب أن تعمل به أجهزة الكمبيوتر العملاقة: “يشعر الصينيون بالقلق إزاء فرض الولايات المتحدة المزيد من القيود فيما يتعلق بالتكنولوجيا التي تذهب إلى الصين، وهم مترددون في الكشف عن عدد هذه الآلات عالية الأداء المتاحة”. TOP500.

إن التعطش لمزيد من القوة الحاسوبية لا يتوقف عند الإكساسكيل. ويقول ميسر إن أوك ريدج تدرس بالفعل الجيل القادم من أجهزة الكمبيوتر. سيكون لها ثلاثة إلى خمسة أضعاف القوة الحسابية لـ Frontier. لكن هناك تحديًا كبيرًا يلوح في الأفق: البصمة الهائلة للطاقة. إن القوة التي تستمدها شركة Frontier، حتى عندما تكون في وضع الخمول، تكفي لتشغيل آلاف المنازل. يقول ميسر: “ربما ليس من المستدام بالنسبة لنا أن نصنع آلات أكبر فأكبر”.

نظرًا لأن شركة أوك ريدج قامت ببناء أجهزة كمبيوتر عملاقة أكبر حجمًا بشكل تدريجي، فقد عمل المهندسون على تحسين كفاءة الآلات من خلال الابتكارات بما في ذلك طريقة تبريد جديدة. ساميت، سلف فرونتير الذي لا يزال يعمل في أوك ريدج، ينفق حوالي 10٪ من إجمالي استخدام الطاقة لتبريد نفسه. وبالمقارنة، فإن 3% إلى 4% من استهلاك الطاقة في فرونتير مخصص للتبريد. جاء هذا التحسن من استخدام الماء في درجة الحرارة المحيطة لتبريد الكمبيوتر العملاق، بدلاً من الماء المبرد.

ستكون أجهزة الكمبيوتر العملاقة من الجيل التالي قادرة على محاكاة المزيد من المقاييس في وقت واحد. على سبيل المثال، مع فرونتير، تتمتع محاكاة المجرة التي أجراها شنايدر بدقة تصل إلى عشرات السنين الضوئية. لا يزال هذا غير كاف للوصول إلى حجم المستعرات الأعظم الفردية، لذلك يجب على الباحثين محاكاة الانفجارات الفردية بشكل منفصل. قد يكون الكمبيوتر العملاق المستقبلي قادرًا على توحيد كل هذه المقاييس.

ومن خلال محاكاة تعقيد الطبيعة والتكنولوجيا بشكل أكثر واقعية، فإن هذه الحواسيب العملاقة تدفع حدود العلم. إن محاكاة المجرة الأكثر واقعية تجعل اتساع الكون في متناول أيدي العلماء. إن النموذج الدقيق للاضطراب الجوي حول مروحة الطائرة يتجنب الحاجة إلى بناء نفق رياح باهظ التكلفة. تسمح النماذج المناخية الأفضل للعلماء بالتنبؤ بمصير كوكبنا. في أخرىإنها توفر لنا أداة جديدة للاستعداد لمستقبل غامض.