Exascale Computing Explained: Jak Kvintilion Výpočtů za Sekundu Transformuje Vědu, Průmysl a Společnost. Objevte Průlomy, Výzvy a Globální Závod za Tímto Technologickým Skokem. (2025)

• Úvod: Definování Exascale Computingu a Jeho Význam
• Historická Evoluce: Od Petaskalových k Exaskalovým Milníkům
• Klíčové Technologie Pohánějící Exaskalové Systémy
• Hlavní Exaskalové Projekty a Globální Iniciativy
• Aplikace: Vědecké Objevy, AI a Dopad na Průmysl
• Výzvy: Energetická Efektivita, Škálovatelnost a Softwarové Úzké Místa
• Růst Trhu a Veřejný Zájem: Prognózy a Trendy (2024–2030)
• Přední Organizace a Spolupráce (např. DOE, EuroHPC, RIKEN)
• Bezpečnost, Etika a Společenské Důsledky Exaskalového Computingu
• Budoucí Výhled: Za Exaskalové—Zettaskalové a Cesta Dále
• Zdroje a Odkazy

Úvod: Definování Exascale Computingu a Jeho Význam

Exascale computing se odkazuje na výpočetní systémy schopné provádět alespoň jeden exaflop, nebo miliardu miliard (10¹⁸) výpočtů za sekundu. To představuje tisícinásobné zvýšení oproti petaskalovým systémům, které fungují na úrovni 10¹⁵ výpočtů za sekundu. Přechod na exaskalové systémy představuje klíčový milník v oblasti vysoce výkonného computingu (HPC), což umožňuje bezprecedentní pokroky ve vědeckém výzkumu, inženýrství a analýze dat. Exaskalové systémy jsou navrženy tak, aby řešily složité problémy, které jsou v současnosti mimo dosah stávajících superpočítačů, jako je podrobné modelování klimatu, objevování léků, simulace jaderné fúze a umělá inteligence ve velkém měřítku.

Význam exaskalového computingu spočívá v jeho transformačním potenciálu napříč různými oblastmi. Například v oblasti klimatické vědy mohou exaskalové systémy modelovat klima Země s mnohem větším rozlišením a přesností, což zlepšuje předpovědi extrémních povětrnostních jevů a dlouhodobých změn klimatu. V oblasti zdravotnictví urychluje exaskalový computing simulaci molekulárních interakcí, čímž se zrychluje vývoj nových léků a terapií. V energetice umožňuje simulaci pokročilých materiálů a jaderných procesů, což podporuje hledání udržitelných energetických řešení. Dále jsou exaskalové platformy kritické pro národní bezpečnost, podporující kryptografii, obranné simulace a kybernetickou bezpečnost.

K roku 2025 je globální závod o dosažení a nasazení exaskalového computingu v plném proudu. Spojené státy, prostřednictvím Ministerstva energetiky USA, jsou lídrem v této oblasti, s nasazením systémů jako Frontier v Oak Ridge National Laboratory, který se stal prvním veřejně uznávaným exaskalovým superpočítačem na světě v roce 2022. Mezi další významné hráče patří EuroHPC Joint Undertaking, evropská iniciativa koordinující vývoj exaskalové infrastruktury napříč členskými státy EU, a RIKEN v Japonsku, který je v čele výzkumu a vývoje superpočítačů.

S výhledem do dalších let se očekává, že exaskalový computing se stane přístupnějším a integrovanějším do širších vědeckých a průmyslových pracovních toků. Důraz se přesouvá z pouhého dosažení exaskalového výkonu na optimalizaci energetické efektivity, škálovatelnosti softwaru a dopadu na reálné aplikace. Jakmile se více exaskalových systémů dostane do provozu po celém světě, jejich vliv se rozšíří i mimo tradiční HPC centra, což podpoří inovace v oblasti umělé inteligence, analýzy velkých dat a digitálních dvojčat. Exaskalová éra slibuje redefinici hranic toho, co je výpočetně možné, a otevření nových hranic ve vědě a technologii.

Historická Evoluce: Od Petaskalových k Exaskalovým Milníkům

Cesta od petaskalového k exaskalovému computingu představuje transformační éru ve vysoce výkonném computingu (HPC), charakterizovanou exponenciálním růstem výpočetní síly a schopností řešit dříve neřešitelné vědecké a inženýrské výzvy. Prah petaskalového výkonu—jedna kvadrilion (10¹⁵) plovoucích desetinných operací za sekundu (FLOPS)—byl poprvé překročen v roce 2008 nasazením systému IBM Roadrunner v Los Alamos National Laboratory, což byl milník, který nastavil scénu pro novou éru vědeckého objevování.

V následujícím desetiletí se globální investice do HPC infrastruktury zrychlily, přičemž Spojené státy, Čína, Japonsko a Evropská unie se staly lídry v závodě o exaskalový computing. Exaskalový benchmark, definovaný jako jeden kvintilion (10¹⁸) FLOPS, se stal strategickým cílem pro tyto národy a sliboval průlomy v oblastech jako modelování klimatu, genomika, věda o materiálech a umělá inteligence.

První provozní exaskalový systém, Frontier, byl oficiálně spuštěn v Oak Ridge National Laboratory v roce 2022, dosáhl vrcholného výkonu přes 1,1 exaFLOPS a zajistil si první místo na seznamu TOP500 superpočítačů. Oak Ridge National Laboratory je spravováno Ministerstvem energetiky USA a sehrálo klíčovou roli v pokroku schopností HPC. Architektura Frontieru, založená na CPU a GPU od AMD, prokázala proveditelnost velkoplošného heterogenního computingu, čímž nastavila šablonu pro budoucí systémy.

Po Frontieru se očekává, že systémy Aurora od Ministerstva energetiky USA v Argonne National Laboratory a El Capitan v Lawrence Livermore National Laboratory dosáhnou nebo překročí exaskalový výkon do roku 2025, čímž dále upevní vůdčí postavení USA v této oblasti. Mezitím Čína údajně vyvinula systémy třídy exaskal, jako jsou Sunway OceanLight a Tianhe-3, ačkoli oficiální veřejné benchmarky zůstávají omezené. Japonský superpočítač Fugaku, vyvinutý RIKENem a Fujitsu, se také přiblížil k exaskalovému výkonu, zejména v aplikacích specifických benchmarků, a nadále zůstává globálním lídrem v oblasti vědeckého computingu (RIKEN).

S výhledem do roku 2025 a dále se očekává, že éra exaskalového computingu podnítí inovace v oblasti hardwaru, softwaru a energetické efektivity. EuroHPC Joint Undertaking Evropské unie investuje do domácích exaskalových systémů, s cílem posílit vědeckou suverenitu a konkurenceschopnost (EuroHPC Joint Undertaking). Jak se exaskalový computing stává přístupnějším, očekává se, že podnítí pokroky v oblasti umělé inteligence, digitálních dvojčat a analýzy dat v reálném čase, což zásadně přetváří výzkumné a průmyslové prostředí po celém světě.

Klíčové Technologie Pohánějící Exaskalové Systémy

Exascale computing, definovaný jako schopnost provádět alespoň jeden exaflop (10¹⁸ plovoucích desetinných operací za sekundu), je transformační milník ve vysoce výkonném computingu (HPC). K roku 2025 je realizace exaskalových systémů podložena několika klíčovými technologickými pokroky, z nichž každý řeší obrovské výpočetní, energetické a datové pohybové výzvy, které jsou inherentní této škále.

Pokročilé Architektury Procesorů: Srdcem exaskalových systémů jsou heterogenní architektury procesorů. Moderní exaskalové superpočítače, jako jsou „Frontier“ a „Aurora“ ve Spojených státech, využívají kombinaci vysoce výkonných CPU a energeticky efektivních GPU. Tyto systémy využívají vlastní silikon, jako jsou AMD EPYC CPU a Instinct GPU v Frontieru, aby maximalizovaly paralelismus a propustnost při správě spotřeby energie. Trend směrem k návrhům založeným na čipech a 3D stackingu se očekává, že se urychlí, což umožní vyšší hustotu a zlepšenou šířku pásma interconnectů v nadcházejících letech (AMD).

Vysoce Širokopásmová Paměť a Interconnecty: Šířka pásma paměti a latence jsou kritickými úzkými místy na exaskalové úrovni. Aby se tomu čelilo, exaskalové systémy využívají technologie vysoce širokopásmové paměti (HBM) a pokročilé interconnecty. Například použití standardů HBM2e a nově vznikajících HBM3, spolu s proprietárními interconnecty jako je AMD Infinity Fabric a NVIDIA NVLink, usnadňuje rychlý pohyb dat mezi výpočetními uzly a akcelerátory. Očekává se, že přijetí optických interconnectů a silikonové fotoniky dále sníží latenci a spotřebu energie, jakmile systémy překročí rok 2025 (NVIDIA).

Energetická Efektivita a Chlazení: Spotřeba energie je určující omezení pro exaskalový computing. Inovace v dynamickém řízení napětí a frekvence, pokročilém řízení spotřeby a systémech kapalného chlazení jsou zásadní pro udržení spotřeby energie v praktických mezích. Exaskalové projekty Ministerstva energetiky USA stanovily cíle pro energetické obálky systémů pod 40 megawattů, což podněcuje výzkum efektivnějšího hardwaru a chladicích řešení (Ministerstvo energetiky USA).

Softwarový Ekosystém a Programovací Modely: Exaskalové systémy vyžadují robustní softwarové stacky schopné využívat masivní paralelismus. Iniciativy s otevřeným zdrojovým kódem, jako je Exascale Computing Project, vyvíjejí nové programovací modely, knihovny přenositelné výkonem a škálovatelné runtime prostředí. Důraz je kladen na umožnění vědeckým aplikacím efektivně využívat heterogenní hardware, přičemž se očekává, že probíhající práce na paralelismu založeném na úlohách, integraci AI a odolnosti vůči chybám dosáhne zralosti v pozdních 2020s (Exascale Computing Project).

S výhledem do budoucna se očekává, že konvergence AI a HPC, pokroky v kvantových algoritmech a pokračující spolupráce v návrhu hardwaru a softwaru formují vývoj exaskalových technologií, což zajistí, že tyto systémy zůstanou v čele vědeckého objevování a inovací.

Hlavní Exaskalové Projekty a Globální Iniciativy

Exaskalový computing, definovaný jako schopnost provádět alespoň jeden exaflop (10¹⁸ plovoucích desetinných operací za sekundu), představuje transformační skok ve vysoce výkonném computingu (HPC). K roku 2025 formuje několik hlavních exaskalových projektů a globálních iniciativ krajinu, poháněných národními strategiemi, vědeckými ambicemi a průmyslovými potřebami.

Ve Spojených státech vedlo Ministerstvo energetiky USA (DOE) Exascale Computing Project (ECP), víceroční iniciativu na vývoj exaskalových systémů a softwaru. Oak Ridge National Laboratory (ORNL) DOE spustilo Frontier v roce 2022, první veřejně uznávaný exaskalový superpočítač na světě, který dosáhl více než 1,1 exaflopu na benchmarku LINPACK. Frontier je navržen tak, aby podporoval širokou škálu vědeckých aplikací, od modelování klimatu po vědu o materiálech, a očekává se, že zůstane centrálním zdrojem pro výzkum v USA během tohoto desetiletí. Argonne National Laboratory DOE nasazuje Aurora, další exaskalový systém, se zaměřením na umělou inteligenci a datově intenzivní pracovní zátěže. Tyto systémy jsou součástí širší americké strategie udržovat vůdčí postavení v HPC a podporovat národní bezpečnost, energetiku a vědecké objevování.

Čína také učinila významné pokroky, přičemž od roku 2021 údajně funguje několik systémů třídy exaskal, včetně superpočítačů Sunway OceanLight a Tianhe-3. Ačkoli jsou podrobné údaje o výkonu méně veřejně dostupné, věří se, že tyto systémy jsou konkurenceschopné s jejich západními protějšky a jsou součástí strategického plánu Číny dosáhnout technologické soběstačnosti a globálního vůdcovství v supercomputingu. Národní přírodní vědecká nadace Číny a další státní agentury koordinují tyto snahy, podporující jak inovace v hardwaru, tak vývoj aplikací.

V Evropě European High Performance Computing Joint Undertaking (EuroHPC JU) je veřejno-soukromé partnerství, které bylo zřízeno za účelem vývoje ekosystému supercomputing třídy světové úrovně. EuroHPC JU dohlíží na nasazení JUPITER v Forschungszentrum Jülich v Německu, který se očekává, že se stane prvním exaskalovým superpočítačem v Evropě do roku 2025. JUPITER podpoří výzkum v oblasti klimatické vědy, medicíny a inženýrství a je součástí širší evropské snahy zajistit digitální suverenitu a konkurenceschopnost.

Japonsko pokračuje v investicích do exaskalového výzkumu prostřednictvím RIKEN Center for Computational Science, který provozuje superpočítač Fugaku. Ačkoli Fugaku není exaskalový systém podle nejpřísnější definice, dosáhl nejvyšších globálních hodnocení a slouží jako platforma pro výzkum a vývoj třídy exaskal. Japonská roadmapa zahrnuje další investice do architektur a aplikací nové generace.

S výhledem do budoucna se v následujících letech očekává expanze exaskalových schopností, přičemž nové systémy jsou plánovány v Indii, Jižní Koreji a dalších regionech. Tyto iniciativy pravděpodobně podnítí pokroky v oblasti umělé inteligence, modelování klimatu, objevování léků a další, zatímco také vyvolávají nové výzvy v oblasti energetické efektivity, škálovatelnosti softwaru a mezinárodní spolupráce.

Aplikace: Vědecké Objevy, AI a Dopad na Průmysl

Exaskalový computing, definovaný jako systémy schopné provádět alespoň jeden exaflop (10¹⁸ plovoucích desetinných operací za sekundu), rychle transformuje krajinu vědeckého objevování, umělé inteligence (AI) a průmyslové inovace. K roku 2025 nasazení exaskalových superpočítačů umožňuje průlomy napříč různými oblastmi, s významnými důsledky jak pro výzkum, tak pro průmysl.

Ve vědeckém výzkumu urychlují exaskalové systémy pokrok v oblastech, jako je modelování klimatu, genomika a věda o materiálech. Například Oak Ridge National Laboratory (ORNL) ve Spojených státech provozuje superpočítač „Frontier“, který překročil exaskalový práh v roce 2022. Frontier se používá k simulaci složitých klimatických systémů s bezprecedentním rozlišením, modelování chování nových materiálů na atomové úrovni a analýze masivních genomických datových sad pro pokrok v oblasti precizní medicíny. Očekává se, že tyto schopnosti se prohloubí v následujících letech, jak vědci využijí exaskalovou sílu k řešení dříve neřešitelných problémů.

Umělá inteligence je dalším oblastí, která zažívá paradigmový posun díky exaskalovému computingu. Schopnost trénovat a nasazovat velké modely AI—například ty používané v zpracování přirozeného jazyka, objevování léků a autonomních systémech—závisí na obrovských výpočetních zdrojích. Exaskalové platformy, jako jsou ty vyvinuté Los Alamos National Laboratory a Argonne National Laboratory, se používají k trénování modelů AI nové generace s miliardami parametrů, což umožňuje přesnější předpovědi a rychlejší inovační cykly. Očekává se, že tyto pokroky podnítí nové aplikace v oblasti zdravotnictví, energetiky a národní bezpečnosti do roku 2025 a dále.

Průmyslový dopad exaskalového computingu se také stává stále zjevnějším. Sektory jako letectví, automobilový průmysl a energetika využívají exaskalové simulace k optimalizaci návrhu produktů, zlepšení výrobních procesů a zvýšení bezpečnosti. Například společnosti spolupracují s národními laboratořemi na simulaci dynamiky tekutin pro efektivnější letadla, modelování spalování pro čistší motory a analýzu seismických dat pro lepší průzkum ropy a plynu. Ministerstvo energetiky USA (DOE), klíčový motor exaskalových iniciativ, podporuje veřejno-soukromá partnerství, aby zajistilo, že tyto schopnosti přinesou ekonomické a společenské výhody.

S výhledem do budoucna se očekává, že pokračující expanze exaskalové infrastruktury a vývoj softwaru připraveného na exaskal dále demokratizuje přístup k vysoce výkonnému computingu. Jak více zemí a organizací investuje do exaskalových systémů, následující roky pravděpodobně přinesou proliferaci vědeckých objevů, průlomů v AI a průmyslových inovací poháněných touto transformační technologií.

Výzvy: Energetická Efektivita, Škálovatelnost a Softwarové Úzké Místa

Exaskalový computing, definovaný jako systémy schopné alespoň jednoho exaflopu (10¹⁸ plovoucích desetinných operací za sekundu), představuje transformační skok v oblasti výpočetní síly. Nicméně, jak první exaskalové systémy přicházejí do provozu a další jsou plánovány na nasazení do roku 2025 a dále, obor čelí významným výzvám v oblasti energetické efektivity, škálovatelnosti a softwarové infrastruktury.

Energetická Efektivita: Energetické požadavky exaskalových systémů jsou primární obavou. Počáteční projekce odhadovaly, že exaskalové počítače by mohly vyžadovat stovky megawattů, ale nedávné pokroky tuto hodnotu snížily na rozsah 20–40 megawattů. Například Oak Ridge National Laboratory (ORNL) Frontier systém, který se stal prvním veřejně hodnoceným exaskalovým superpočítačem na světě v roce 2022, funguje na přibližně 21 megawattů. Navzdory těmto zlepšením zůstává spotřeba energie omezujícím faktorem pro širší nasazení, protože náklady na energii a chlazení jsou značné a udržitelnost se stává rostoucí prioritou pro výzkumné instituce a vlády. Úsilí o řešení této situace zahrnuje vývoj efektivnějších procesorů, pokročilých chladicích technologií a strategií dynamického řízení spotřeby ze strany organizací jako Intel, AMD a NVIDIA.

Škálovatelnost: Dosáhnout efektivního škálování napříč miliony procesorových jader je další značnou výzvou. Exaskalové systémy jako Frontier a nadcházející Aurora v Argonne National Laboratory se skládají z desítek tisíců uzlů, z nichž každý má více CPU a GPU. Zajištění, aby aplikace mohly efektivně využívat tento masivní paralelismus bez úzkých míst, není triviální. Síťové interconnecty, paměťové hierarchie a pohyb dat se stávají kritickými faktory. Projekt TOP500, který hodnotí superpočítače na celém světě, zdůraznil, že i ty nejrychlejší systémy často dosahují pouze zlomku svého teoretického vrcholného výkonu kvůli těmto problémům se škálovatelností.

Softwarové Úzké Místa: Softwarový ekosystém pro exaskalový computing se stále vyvíjí. Dědictví vědeckých kódů často vyžaduje významné přepracování nebo úplný redesign, aby mohlo využívat heterogenní architektury (kombinující CPU, GPU a specializované akcelerátory) moderních exaskalových strojů. Programovací modely jako MPI a OpenMP jsou rozšiřovány, zatímco nové paradigmata jako SYCL a Kokkos získávají na popularitě. Exascale Computing Project (ECP), iniciativa Ministerstva energetiky USA, investuje značné prostředky do vývoje škálovatelných algoritmů, knihoven a nástrojů k řešení těchto úzkých míst. Nicméně složitost ladění, optimalizace výkonu a zajištění přenositelnosti napříč různými hardwarovými platformami zůstává významnou překážkou pro výzkumníky a vývojáře.

S výhledem do roku 2025 a následujících let bude řešení těchto výzev klíčové pro realizaci plných vědeckých a společenských výhod exaskalového computingu. Pokračující spolupráce mezi dodavateli hardwaru, výzkumnými laboratořemi a globální vědeckou komunitou bude nezbytná k překonání těchto překážek a umožnění další generace průlomů v oblastech od modelování klimatu po umělou inteligenci.

Růst Trhu a Veřejný Zájem: Prognózy a Trendy (2024–2030)

Exaskalový computing, definovaný jako systémy schopné provádět alespoň jeden exaflop (10¹⁸ plovoucích desetinných operací za sekundu), vstupuje do klíčové fáze růstu trhu a veřejného zapojení k roku 2025. Nasazení prvních exaskalových superpočítačů—například „Frontier“ a „Aurora“ ve Spojených státech—podnítilo nárůst jak vládních, tak průmyslových investic. Tyto systémy, vyvinuté a provozované Oak Ridge National Laboratory a Argonne National Laboratory, nejsou jen technologickými milníky, ale také slouží jako měřítka pro globální konkurenceschopnost ve vysoce výkonném computingu (HPC).

Očekává se, že trh exaskalového computingu zažije silný růst až do roku 2030, poháněný rostoucí poptávkou ze sektorů jako modelování klimatu, objevování léků, umělá inteligence a pokročilé výrobní procesy. Ministerstvo energetiky USA nadále upřednostňuje exaskalové iniciativy, s pokračujícím financováním pro výzkum, vývoj hardwaru a softwarové ekosystémy. Současně EuroHPC Joint Undertaking Evropské unie urychluje svou vlastní exaskalovou roadmapu, s cílem nasadit alespoň dva exaskalové systémy do roku 2025–2026, aby posílil digitální suverenitu a vědecké vedení Evropy.

Asie je také významným hráčem, přičemž čínské exaskalové projekty—jako jsou systémy „Sunway“ a „Tianhe“—údajně dosahují exaskalového výkonu, ačkoli detaily zůstávají pečlivě střežené. Japonský RIKEN a Národní institut pokročilých průmyslových věd a technologií pokročují ve svém vlastním výzkumu třídy exaskal, vycházející z úspěchu superpočítače „Fugaku“.

Veřejný zájem o exaskalový computing roste, zejména jak se jeho aplikace stávají viditelnějšími v oblastech jako reakce na pandemii, energetická transformace a odolnost vůči klimatu. Vlády stále častěji rámují exaskalový computing jako strategickou aktivum, spojující jej s národní bezpečností, ekonomickou konkurenceschopností a vědeckou inovací. To se odráží v politických dokumentech, oznámeních o financování a mezinárodních spolupracích.

S výhledem do roku 2030 se očekává, že trh exaskalového computingu se diverzifikuje, přičemž cloudové exaskalové služby a hybridní architektury činí tyto schopnosti přístupnějšími pro průmysl a akademickou sféru. Očekává se, že konvergence exaskalového computingu s umělou inteligencí a kvantovými technologiemi dále rozšíří jeho dopad. Jak více zemí a organizací investuje do exaskalové infrastruktury, globální krajina pravděpodobně zažije zesílenou konkurenci, nová partnerství a širší demokratizaci superpočítačové síly.

Přední Organizace a Spolupráce (např. DOE, EuroHPC, RIKEN)

Exaskalový computing, definovaný jako systémy schopné alespoň jednoho exaflopu (10¹⁸ plovoucích desetinných operací za sekundu), je globálním úsilím vedeným hlavními vládními a výzkumnými organizacemi. K roku 2025 je vedení v oblasti exaskalového vývoje soustředěno mezi několika klíčovými subjekty, z nichž každý podporuje spolupráce, které přesahují kontinenty a disciplíny.

Ve Spojených státech je Ministerstvo energetiky USA (DOE) v čele. Prostřednictvím svého Exascale Computing Project (ECP) koordinuje úsilí napříč svými národními laboratořemi, včetně Oak Ridge National Laboratory (ORNL), Argonne National Laboratory (ANL) a Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Vedení DOE bylo upevněno nasazením „Frontier“ v ORNL, prvního veřejně uznávaného exaskalového superpočítače na světě, a „Aurora“ v ANL, obě systémy budou v provozu do roku 2024. Tyto systémy nejsou jen technologickými milníky, ale také slouží jako platformy pro vědeckou spolupráci, podporující výzkum v oblasti modelování klimatu, vědy o materiálech a umělé inteligence.

Evropské ambice v oblasti exaskal jsou koordinovány European High Performance Computing Joint Undertaking (EuroHPC JU), veřejno-soukromým partnerstvím zahrnujícím Evropskou unii, evropské země a průmysl. Mise EuroHPC JU je vyvinout ekosystém supercomputingu třídy světové úrovně v Evropě. Do roku 2025 se očekává, že systém „JUPITER“ v Německu se stane prvním exaskalovým superpočítačem v Evropě, přičemž další systémy jsou plánovány v dalších členských státech. EuroHPC JU podporuje spolupráci mezi výzkumnými institucemi, průmyslem a národními vládami, aby zajistil evropskou technologickou suverenitu a konkurenceschopnost v oblasti vysoce výkonného computingu.

V Asii je japonský výzkumný institut RIKEN, ve spolupráci s Fujitsu, lídrem v inovacích v oblasti supercomputingu. Jejich systém „Fugaku“, který je v provozu od roku 2020, byl nejrychlejším superpočítačem na světě, dokud ho nepřekonaly americké exaskalové systémy. RIKEN pokračuje v investicích do architektur nové generace, s plány na exaskalové nástupce, které kladou důraz na energetickou efektivitu a univerzálnost aplikací. Tyto snahy podporuje Ministerstvo školství, kultury, sportu, vědy a technologie Japonska (MEXT), což zajišťuje soulady s národními výzkumnými prioritami.

Čína je také významným hráčem, přičemž několik institucí údajně provozuje systémy třídy exaskal, ačkoli detaily zůstávají většinou utajeny. Národní přírodní vědecká nadace Číny a přední univerzity jsou považovány za klíčové v těchto snahách, zaměřující se jak na inovace v hardwaru, tak na vývoj aplikací.

S výhledem do budoucna se v následujících letech očekává zesílená spolupráce mezi těmito organizacemi, s společnými výzkumnými iniciativami, sdílenými softwarovými ekosystémy a programy přeshraničního školení. Konvergence exaskalového computingu s umělou inteligencí a analýzou dat se očekává, že podnítí nové vědecké objevy a průmyslové aplikace, což posílí strategický význam těchto předních organizací a jejich rámců spolupráce.

Bezpečnost, Etika a Společenské Důsledky Exaskalového Computingu

Nástup exaskalového computingu—systémy schopné provádět alespoň jeden exaflop, nebo miliardu miliard (10¹⁸) výpočtů za sekundu—přináší transformační potenciál napříč vědou, průmyslem a společností. Nicméně, jak exaskalové systémy začínají být v provozu v roce 2025 a dále, také představují složité výzvy v oblasti bezpečnosti, etiky a společenského dopadu.

Bezpečnost je prvořadou obavou pro exaskalový computing. Obrovská škála a propojenost těchto systémů, často distribuovaných napříč více lokalitami a zahrnujících mezinárodní spolupráce, rozšiřuje útočnou plochu pro kybernetické hrozby. Očekává se, že exaskalové platformy budou zpracovávat citlivá data v oblastech jako zdravotní péče, energetika a národní bezpečnost, což je činí atraktivními cíli pro státní i nestátní aktéry. Organizace jako Ministerstvo energetiky USA (DOE), které vede Exascale Computing Project, upřednostnily robustní rámce kybernetické bezpečnosti, včetně pokročilé šifrování, detekce anomálií v reálném čase a zabezpečených hardwarových architektur. Exaskalové iniciativy DOE kladou důraz na kontinuální sledování a rychlé reakční protokoly, aby zmírnily rizika spojená s úniky dat a narušení systémů.

Etické úvahy jsou také v popředí, protože exaskalový computing umožňuje bezprecedentní analýzu dat a simulační schopnosti. Schopnost modelovat složité jevy—od klimatických změn po genomiku—vyvolává otázky o ochraně soukromí, souhlasu a potenciálním zneužití prediktivní analýzy. Například umělá inteligence poháněná exaskalovým computingem by mohla být využita pro sledování nebo ovlivnění veřejného mínění ve velkém měřítku. Instituce jako Evropská unie aktivně vyvíjejí regulační rámce, aby zajistily odpovědné využívání vysoce výkonného computingu, kladoucí důraz na transparentnost, odpovědnost a ochranu individuálních práv.

Společenské důsledky exaskalového computingu jsou hluboké. Na jedné straně tyto systémy slibují průlomy v medicíně, energetické efektivitě a predikci katastrof, což může zlepšit kvalitu života po celém světě. Na druhé straně hrozí, že prohloubí digitální rozdíly, protože pouze hrstka národů a organizací má prostředky na výstavbu a provoz exaskalové infrastruktury. Tato koncentrace výpočetní síly by mohla posílit existující nerovnosti ve vědeckém výzkumu a ekonomickém rozvoji. Mezinárodní spolupráce, jako jsou ty, které podporuje EuroHPC Joint Undertaking, mají za cíl demokratizovat přístup k exaskalovým zdrojům a podporovat sdílené výhody.

S výhledem do budoucna bude odpovědné řízení exaskalového computingu vyžadovat průběžný dialog mezi vládami, průmyslem, akademickou sférou a občanskou společností. Stanovení globálních norem pro bezpečnost, etiku a spravedlivý přístup bude nezbytné k využití plného potenciálu exaskalových systémů při současném zachování společenských hodnot v roce 2025 a v následujících letech.

Budoucí Výhled: Za Exaskalové—Zettaskalové a Cesta Dále

Jak první exaskalové superpočítače přicházejí do provozu, globální komunita vysoce výkonného computingu (HPC) již zaměřuje svůj pohled na další hranici: zettaskalový computing. Exaskalové systémy, schopné provádět alespoň jeden exaflop (10¹⁸ plovoucích desetinných operací za sekundu), představují transformační milník, ale ambice dosáhnout zettaskalového výkonu—10²¹ flops—signalizuje novou éru výpočetní schopnosti. Očekává se, že období od roku 2025 dále bude charakterizováno jak zráním exaskalových platforem, tak základním výzkumem potřebným pro zettaskalové průlomy.

V roce 2025 budou exaskalové systémy, jako jsou „Frontier“ a „Aurora“ ve Spojených státech, v provozu, přičemž se očekává, že se k nim připojí „El Capitan“, všechny pod vedením Ministerstva energetiky USA. Tyto stroje nejen posouvají vědecké objevování v oblastech jako modelování klimatu, věda o materiálech a umělá inteligence, ale také odhalují technické a energetické výzvy, které musí být překonány, aby se dosáhlo zettaskalového výkonu. Například „Frontier“ spotřebovává více než 20 megawattů energie, což zdůrazňuje naléhavou potřebu efektivnějších architektur a chladicích řešení.

Cestu k zettaskalu určují hlavní mezinárodní hráči. European High Performance Computing Joint Undertaking (EuroHPC JU) koordinuje úsilí napříč Evropou na vývoji infrastruktury HPC nové generace, s roadmapou, která zahrnuje ambice zettaskalu. Podobně Čína a Japonsko investují značné prostředky do domácích technologií procesorů a systémových architektur, s cílem udržet si vůdčí postavení v globálním závodě o supercomputing.

Klíčové technické výzvy pro zettaskal zahrnují nejen energetickou efektivitu, ale také pohyb dat, šířku pásma paměti a spolehlivost systémů na bezprecedentních úrovních. Výzkum nových materiálů, 3D stackingu čipů, fotonických interconnectů a pokročilého chlazení je v plném proudu v předních laboratořích a průmyslových partnerech. Organizace jako Oak Ridge National Laboratory a Intel Corporation aktivně zkoumají tyto cesty, přičemž společné projekty cílí jak na inovace v hardwaru, tak v softwaru.

S výhledem do budoucna se většina odborníků shoduje, že zettaskalový computing pravděpodobně nebude realizován před začátkem 30. let, vzhledem k rozsahu výzev. Nicméně éra exaskal (2025–2030) poslouží jako kritická testovací platforma pro technologie a programovací modely, které budou základem zettaskalových systémů. Konvergence HPC a umělé inteligence, stejně jako rostoucí význam výzkumu kvantového computingu, také utváří trajektorii supercomputingu za hranicí exaskalu.

• Exaskalové systémy v roce 2025 jsou základem pro R&D zettaskalu.
• Energetická efektivita a spolehlivost systémů jsou hlavními překážkami.
• Mezinárodní spolupráce a konkurence urychlují inovace.
• Zettaskal je dlouhodobým cílem, přičemž se očekávají rané milníky po roce 2030.

Zdroje a Odkazy

• RIKEN
• Oak Ridge National Laboratory
• EuroHPC Joint Undertaking
• NVIDIA
• Oak Ridge National Laboratory
• Los Alamos National Laboratory
• TOP500
• National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Lawrence Livermore National Laboratory
• Fujitsu
• European Union