Primjena superračunala u gospodarstvu: virtualni računalni mikroskopi

Brojni su primjeri konkretnih zadaća koje se danas mogu obaviti te problema koji se mogu riješiti primjenom superračunala – računalstvo visokih performansi (high performance computing, HPC) danas je, zahvaljujući tehnologijama poput oblaka, dostupno širokom krugu znanstvenika, stručnjaka te svima onima čija praktična rješenja mogu profitirati od oslanjanja na HPC. Nedavno potpisan sporazum o suradnji Algebre i Instituta Ruđer Bošković omogućit će studentima da se tijekom studija upoznaju s HPC tehnologijama, a IT stručnjacima i gospodarstvu – tvrtkama koje rade na konkretnim projektima – da u suradnji sa znanstvenom zajednicom iskoriste prednosti HPC tehnologija.

“Prednosti korištenja HPC infrastrukture mogu se opisati unaprjeđenjem na povećanju brzine provođenja nekog procesa (za koji je uobičajeno trebalo više vremena), omogućuje rad na većoj količini podataka (često nemoguće riješiti na druge načine), povećavaju učinkovitost kroz bolje korištenje resursa (manje potrošene struje, bolje korištenje ukupnih resursa ulančavanjem računala), smanjenja troška korištenja te su daleko prikladniji za korištenje (od, primjerice, klasičnog PC-ja)”, objašnjava dr. sc. Leo Mršić, direktor Algebra Laba, značaj ovog područja.

Karakteristike superračunala
Kako najbolje definirati HPC? Za mišljenje smo upitali dr. sc. Davora Davidovića, znanstvenog suradnika na IRB-u.

“Najviše mi se sviđa definicija koja kaže da je to model korištenja velikih računalnih resursa (vrlo velikog broja međusobno povezanih jakih računala i/ili procesora) te naprednih tehnika paralelnog programiranja, koja omogućuju učinkovito i istodobno korištenje više računalnih resursa kako bi se u što kraćem vremenu riješili postojeći problemi ili omogućilo rješavanje računalnih problema koje dosad nije bilo moguće riješiti”, objašnjava Davidović.

Gotovo je i teško zamisliti što sve može današnje najsnažnije superračunalo. “Trenutačno najjače računalo na svijetu zove se Summit i smješteno je u Oak Ridge National Laboratory u SAD-u. Računalo se sastoji od skoro 2,4 milijuna računalnih jezgri, sposobno je izvršiti 143*10^15 računskih operacija u sekundi te zahtijeva napajanje od oko 9.7 MW. Pretpostavite da jedan čovjek može napraviti jednu računsku operaciju u sekundi i da to radi svaki dan, bez prestanka; trebalo bi mu oko 4,5 milijuna godina da završi posao koje računalo može napraviti u samo jednoj sekundi”, kaže Davidović.

Hrvatska već ima tradiciju znanstvene primjene superračunala. “Prvo HPC računalo na IRB-u (a i u Hrvatskoj) sastavljeno je 2000. godine u sklopu projekta razvoja pilot-računalnog klastera. Prvi računalni klaster sastojao se od 8 povezanih standardnih PC računala, te je bio temelj za kasniji razvoj prve inačice nacionalnog računalnog klastera Isabella koji je i danas smješten u Srcu”, pojašnjava dr. sc. Karolj Skala, znanstveni savjetnik na IRB-u.

Superračunala u Hrvatskoj
Danas je najsnažnije superračunalo u Hrvatskoj na Sveučilištu u Rijeci, u Centru za napredno računanje i modeliranje (CNRM) – Bura. Bura je nabavljena kroz strukturne projekte i započela je s radom krajem 2015., a sastoji se od 3 dijela: klastera s 288 (identičnih) računalnih čvorova koji ukupno imaju 6912 računalnih jezgri (procesori Xeon E5) i ukupno 18 TB radne memorije te 95 TB diskovnog prostora; potom grafičkog dijela koji se sastoji od 4 radna čvora svaki, s po 2 grafičke kartice NVIDIA Tesla K40; te konačno trećeg dijela, SMP-a (Shared Memory Multiprocessor) koji se sastoji od dva čvora svaki, s po 256 procesnih jezgri i 6 TB memorije. Cijelo superračunalo raspolaže s dodatnih 1 PB podatkovnog prostora te arhivom od 2.5 PB. U trenutku instalacije računalo se nalazilo na 440. mjestu liste Top 500 najbržih superračunala na svijetu, govori nam Davidović.

Glavni izazov konstrukcije takvog računala je količina procesora spojenih u jednu cjelinu, kako učinkovito upravljati (i iskorištavati) sav taj silni kapacitet te kako učinkovito pripremiti aplikacije za rad na takvim sustavima. Drugi izazov je potrošnja električne energije. “Tu je i pitanje hlađenja cijelog sustava te problem kako učinkovito povezati toliku količinu procesnih jedinica brzim (infiniband) mrežama, robusnost sustava na moguće ispade i kvarove, učinkovito korištenje kompleksne memorijske hijerarhije te kopiranje velikih količina podataka unutar sustava”, kaže Davidović.

Udruživanje u europske HPC projekte
Zbog svega toga, HPC je “skup posao”. Žele li se pratiti svjetski trendovi, valja razvijati infrastrukturu, ali i znanstvene te primijenjene projekte koji tu infrastrukturu koriste. Na području superračunalstva trenutačno se odvija velika bitka između SAD-a, EU i Kine. Sa strane EU, tu je projekt PRACE (Partnership for Advanced Computing in Europe). Nažalost, napominje Davidović, Hrvatska je jedna od rijetkih europskih zemalja koja formalno još nije članica te inicijative, ali nema razloga zašto se to uskoro ne bi promijenilo.

Međutim, Hrvatska jest članica druge europske HPC inicijative – EuroHPC, gdje se ulaže preko jedne milijarde eura (!) u razvoj 2 pre-exascale paneuropska računala do 2020. godine. Jedan od glavnih ciljeva tog projekta jest učiniti Europu tehnološki neovisnom o stranim tehnologijama s jedne strane, te potaknuti razvoj europske industrije HPC komponenti (primjerice, niskoenergetskih procesora) s druge strane, naglašava Davidović.

Upravo je suradnja IRB-a, Algebre i Sveučilišta u Rijeci primjer jedne suradnje koja bi se dobro uklopila u PRACE, kaže Skala. “Pokretanjem HPC Akademije, cilj je stvoriti suvremeno okruženje za prijenos znanja i vještina u primjeni HPC tehnologije u znanstvenoistraživačkom radu i stvaranju inovativnog proizvoda u gospodarstvu”, naglašava Skala.

Konkretni projekti
Jedan od prvih projekata na kojem IRB već surađuje s Algebrom vezan je uz biologiju – njegov je naziv “Struktura i funkcija mikrobnih zajednica kao karika koja nedostaje pri procjeni stanja okoliša u obalnim zonama pod antropogenim opterećenjem”, a vodi ga dr. sc. Ines Sviličić Petrić; u provedbi će sudjelovati Zlatan Morić, nastavnik i znanstvenik na Algebri, čiji će zadatak biti podatkovna analiza obilježja mikrobnih zajednica.

“Virtualni računalni mikroskop”, kako dr. sc. Skala naziva takve primjene HPC tehnologije, možda je i najbolji opis za ono što nam superračunalstvo potencijalno donosi u području prirodnih znanosti. “Mogli bismo ove znanstvenike čak zvati e-znanstvenici, jer rješavanje kompleksnih problema, analiza velikih količina podataka (big data), razvoj kompleksnih i inovativnih proizvoda, analiza kompleksnih procedura, tome daju povoda”, naglašava. A analogija s mikroskopom je očita – korištenjem HPC-a mogu se vizualizirati struktura i procesi u domeni mikrosvijeta (atomi, molekule, stanične strukture).

Pritom je važno da se u ovakve znanstvene projekte i primjene HPC tehnologije imaju priliku uključiti i studenti. “U okviru odabranih kolegija, upoznajemo ih s cjelovitim rješenjima iz HPC područja, od planiranja i korištenja infrastrukture do specifičnosti izrade aplikacija i analize i vizualizacije velikih podatkovnih setova”, govori Leo Mršić s Algebre.