Wyjaśnienie obliczeń eksaskalowych: Jak kwintylion obliczeń na sekundę odmieni naukę, przemysł i społeczeństwo. Odkryj przełomy, wyzwania i globalny wyścig za tym technologicznym skokiem. (2025)

• Wprowadzenie: Definiowanie obliczeń eksaskalowych i ich znaczenie
• Ewolucja historyczna: Od petaskali do kamieni milowych eksaskali
• Kluczowe technologie napędzające systemy eksaskalowe
• Główne projekty eksaskalowe i globalne inicjatywy
• Zastosowania: Odkrycia naukowe, AI i wpływ na przemysł
• Wyzwania: Efektywność energetyczna, skalowalność i wąskie gardła w oprogramowaniu
• Wzrost rynku i zainteresowanie publiczne: Prognozy i trendy (2024–2030)
• Wiodące organizacje i współprace (np. DOE, EuroHPC, RIKEN)
• Bezpieczeństwo, etyka i społeczne implikacje obliczeń eksaskalowych
• Perspektywy na przyszłość: Po eksaskali—zettaskala i droga naprzód
• Źródła i odniesienia

Wprowadzenie: Definiowanie obliczeń eksaskalowych i ich znaczenie

Obliczenia eksaskalowe odnoszą się do systemów obliczeniowych zdolnych do wykonania przynajmniej jednego eksaflopa, czyli miliarda miliardów (10¹⁸) obliczeń na sekundę. Oznacza to tysiąckrotny wzrost w porównaniu do systemów petaskalowych, które działają na poziomie 10¹⁵ obliczeń na sekundę. Przejście do eksaskali oznacza kluczowy kamień milowy w obliczeniach o wysokiej wydajności (HPC), umożliwiając bezprecedensowe postępy w badaniach naukowych, inżynierii i analizie danych. Systemy eksaskalowe są zaprojektowane do rozwiązywania złożonych problemów, które obecnie wykraczają poza możliwości istniejących superkomputerów, takich jak szczegółowe modelowanie klimatu, odkrywanie leków, symulacje fuzji jądrowej i sztuczna inteligencja w skali.

Znaczenie obliczeń eksaskalowych leży w ich transformacyjnym potencjale w wielu dziedzinach. Na przykład, w nauce o klimacie systemy eksaskalowe mogą modelować klimat Ziemi z znacznie większą rozdzielczością i dokładnością, poprawiając prognozy ekstremalnych zjawisk pogodowych i długoterminowych zmian klimatycznych. W opiece zdrowotnej obliczenia eksaskalowe przyspieszają symulację interakcji molekularnych, co przyspiesza rozwój nowych leków i terapii. W energetyce umożliwiają symulację zaawansowanych materiałów i procesów jądrowych, wspierając poszukiwania zrównoważonych rozwiązań energetycznych. Ponadto platformy eksaskalowe są kluczowe dla bezpieczeństwa narodowego, wspierając kryptografię, symulacje obronne i cyberbezpieczeństwo.

Na rok 2025 globalny wyścig o osiągnięcie i wdrożenie obliczeń eksaskalowych jest w pełnym toku. Stany Zjednoczone, poprzez Departament Energii, są liderem w tej dziedzinie, wdrażając systemy takie jak Frontier w Oak Ridge National Laboratory, który stał się pierwszym publicznie uznawanym superkomputerem eksaskalowym na świecie w 2022 roku. Inni główni gracze to EuroHPC Joint Undertaking, europejska inicjatywa koordynująca rozwój infrastruktury eksaskalowej w krajach członkowskich UE oraz RIKEN w Japonii, który jest na czołowej pozycji w badaniach i rozwoju superkomputerów.

Patrząc w przyszłość na kilka następnych lat, oczekuje się, że obliczenia eksaskalowe staną się bardziej dostępne i zintegrowane z szerszymi procesami naukowymi i przemysłowymi. Skupienie przesuwa się z samego osiągania wydajności eksaskalowej na optymalizację efektywności energetycznej, skalowalności oprogramowania i wpływu na rzeczywiste zastosowania. Wraz z pojawieniem się coraz większej liczby systemów eksaskalowych na całym świecie, ich wpływ wykracza poza tradycyjne centra HPC, napędzając innowacje w sztucznej inteligencji, analizie dużych zbiorów danych i cyfrowych bliźniakach. Era eksaskali obiecuje zdefiniować granice tego, co jest obliczeniowo możliwe, otwierając nowe granice w nauce i technologii.

Ewolucja historyczna: Od petaskali do kamieni milowych eksaskali

Podróż od petaskali do obliczeń eksaskalowych oznacza transformacyjną erę w obliczeniach o wysokiej wydajności (HPC), charakteryzującą się wykładniczym wzrostem mocy obliczeniowej i zdolnością do rozwiązywania wcześniej nieosiągalnych wyzwań naukowych i inżynieryjnych. Próg petaskali—jeden kwadrylion (10¹⁵) operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę (FLOPS)—został po raz pierwszy przekroczony w 2008 roku wraz z wdrożeniem systemu IBM Roadrunner w Los Alamos National Laboratory, co stanowiło kamień milowy, który zapoczątkował nową erę odkryć naukowych.

W ciągu następnej dekady globalne inwestycje w infrastrukturę HPC przyspieszyły, a Stany Zjednoczone, Chiny, Japonia i Unia Europejska stały się liderami w wyścigu o obliczenia eksaskalowe. Kamień milowy eksaskali, zdefiniowany jako jeden kwintylion (10¹⁸) FLOPS, stał się strategicznym celem dla tych krajów, obiecując przełomy w dziedzinach takich jak modelowanie klimatu, genomika, nauka o materiałach i sztuczna inteligencja.

Pierwszy operacyjny system eksaskalowy, Frontier, został oficjalnie uruchomiony w Oak Ridge National Laboratory w 2022 roku, osiągając szczytową wydajność przekraczającą 1,1 eksaflopa i zajmując pierwszą pozycję na liście TOP500 superkomputerów. Oak Ridge National Laboratory jest zarządzane przez Departament Energii USA i odegrało kluczową rolę w rozwijaniu możliwości HPC. Architektura Frontier, oparta na procesorach i GPU AMD, wykazała wykonalność dużych heterogenicznych obliczeń, ustanawiając wzór dla przyszłych systemów.

Po Frontier, system Aurora Departamentu Energii USA w Argonne National Laboratory oraz El Capitan w Lawrence Livermore National Laboratory mają osiągnąć lub przekroczyć wydajność eksaskalową do 2025 roku, jeszcze bardziej konsolidując przywództwo USA w tej dziedzinie. Tymczasem Chiny podobno opracowały systemy klasy eksaskalowej, takie jak Sunway OceanLight i Tianhe-3, chociaż oficjalne publiczne benchmarki pozostają ograniczone. Superkomputer Fugaku w Japonii, opracowany przez RIKEN i Fujitsu, również zbliżył się do wydajności eksaskalowej, szczególnie w benchmarkach specyficznych dla aplikacji, i nadal pozostaje globalnym liderem w obliczeniach naukowych (RIKEN).

Patrząc w przyszłość na rok 2025 i dalej, oczekuje się, że era eksaskali napędzi innowacje w sprzęcie, oprogramowaniu i efektywności energetycznej. EuroHPC Joint Undertaking Unii Europejskiej inwestuje w rodzimą infrastrukturę eksaskalową, mając na celu wzmocnienie suwerenności naukowej i konkurencyjności (EuroHPC Joint Undertaking). W miarę jak obliczenia eksaskalowe stają się coraz bardziej dostępne, przewiduje się, że będą katalizatorem postępów w sztucznej inteligencji, cyfrowych bliźniakach i analizie danych w czasie rzeczywistym, zasadniczo przekształcając krajobraz badań i przemysłu na całym świecie.

Kluczowe technologie napędzające systemy eksaskalowe

Obliczenia eksaskalowe, zdefiniowane jako zdolność do wykonania przynajmniej jednego eksaflopa (10¹⁸ operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę), stanowią transformacyjny kamień milowy w obliczeniach o wysokiej wydajności (HPC). Na rok 2025 realizacja systemów eksaskalowych oparta jest na kilku kluczowych osiągnięciach technologicznych, z których każde odpowiada na ogromne wyzwania związane z obliczeniami, energią i przesyłem danych charakterystyczne dla tej skali.

Zaawansowane architektury procesorów: Serce systemów eksaskalowych leży w heterogenicznych architekturach procesorów. Nowoczesne superkomputery eksaskalowe, takie jak amerykańskie „Frontier” i „Aurora”, wykorzystują połączenie wydajnych procesorów CPU i energooszczędnych GPU. Systemy te wykorzystują niestandardowy krzem, taki jak procesory AMD EPYC i GPU Instinct w Frontier, aby maksymalizować równoległość i przepustowość przy jednoczesnym zarządzaniu zużyciem energii. Trend w kierunku projektów opartych na chipletach i 3D stacking ma przyspieszyć, umożliwiając większą gęstość i poprawioną przepustowość interfejsów w nadchodzących latach (AMD).

Pamięć o wysokiej przepustowości i interfejsy: Przepustowość pamięci i opóźnienia są krytycznymi wąskimi gardłami w obliczeniach eksaskalowych. Aby temu zaradzić, systemy eksaskalowe stosują technologie pamięci o wysokiej przepustowości (HBM) i zaawansowane interfejsy. Na przykład, zastosowanie standardów HBM2e i nowo pojawiających się HBM3, wraz z własnościowymi interfejsami, takimi jak AMD Infinity Fabric i NVIDIA NVLink, ułatwia szybki przesył danych między węzłami obliczeniowymi a akceleratorami. Oczekuje się, że przyjęcie interfejsów optycznych i fotoniki krzemowej jeszcze bardziej zmniejszy opóźnienia i zużycie energii w miarę skalowania systemów po 2025 roku (NVIDIA).

Efektywność energetyczna i chłodzenie: Zużycie energii jest kluczowym ograniczeniem dla obliczeń eksaskalowych. Innowacje w dynamicznym skalowaniu napięcia i częstotliwości, zaawansowanym zarządzaniu energią i systemach chłodzenia cieczą są niezbędne, aby utrzymać zużycie energii w praktycznych granicach. Projekty eksaskalowe Departamentu Energii USA ustaliły cele dla systemów z mocą poniżej 40 megawatów, co napędza badania nad bardziej efektywnym sprzętem i rozwiązaniami chłodzącymi (Departament Energii USA).

Ecosystem oprogramowania i modele programowania: Systemy eksaskalowe wymagają solidnych stosów oprogramowania zdolnych do wykorzystywania ogromnej równoległości. Inicjatywy open-source, takie jak Exascale Computing Project, opracowują nowe modele programowania, biblioteki przenośne pod względem wydajności i skalowalne środowiska uruchomieniowe. Skupienie się na umożliwieniu aplikacjom naukowym efektywnego wykorzystania heterogenicznego sprzętu, z bieżącą pracą nad równoległością opartą na zadaniach, integracją AI i tolerancją na błędy, oczekuje się, że dojrzeje w późnych latach 2020-tych (Exascale Computing Project).

Patrząc w przyszłość, zbieżność AI i HPC, postępy w algorytmach inspirowanych kwantowo oraz kontynuacja współprojektowania sprzętu i oprogramowania będą kształtować ewolucję technologii eksaskalowych, zapewniając, że te systemy pozostaną na czołowej pozycji w odkryciach naukowych i innowacjach.

Główne projekty eksaskalowe i globalne inicjatywy

Obliczenia eksaskalowe, zdefiniowane jako zdolność do wykonania przynajmniej jednego eksaflopa (10¹⁸ operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę), stanowią transformacyjny skok w obliczeniach o wysokiej wydajności (HPC). Na rok 2025 kilka głównych projektów eksaskalowych i globalnych inicjatyw kształtuje krajobraz, napędzanych przez strategie narodowe, ambicje naukowe i potrzeby przemysłowe.

W Stanach Zjednoczonych Departament Energii USA (DOE) przewodzi projektowi Exascale Computing Project (ECP), wieloletniej inicjatywie mającej na celu rozwój systemów i oprogramowania eksaskalowego. Laboratorium Narodowe Oak Ridge (ORNL) DOE uruchomiło Frontier w 2022 roku, pierwszy publicznie uznany superkomputer eksaskalowy na świecie, osiągając ponad 1,1 eksaflopa w benchmarku LINPACK. Frontier jest zaprojektowany do wspierania szerokiego zakresu aplikacji naukowych, od modelowania klimatu po naukę o materiałach, i oczekuje się, że pozostanie centralnym zasobem dla badań w USA przez tę dekadę. Laboratorium Narodowe Argonne DOE wdraża Aurora, kolejny system eksaskalowy, z naciskiem na sztuczną inteligencję i obciążenia intensywne w danych. Te systemy są częścią szerszej strategii USA mającej na celu utrzymanie przewodnictwa w HPC oraz wsparcie bezpieczeństwa narodowego, energii i odkryć naukowych.

Chiny również poczyniły znaczne postępy, z wieloma systemami klasy eksaskalowej, które podobno działają od 2021 roku, w tym superkomputerami Sunway OceanLight i Tianhe-3. Chociaż szczegółowe dane dotyczące wydajności są mniej publicznie dostępne, te systemy są uważane za konkurencyjne w porównaniu do ich zachodnich odpowiedników i są częścią strategicznego planu Chin na osiągnięcie technologicznej samowystarczalności i globalnego przywództwa w superkomputing. Krajowa Fundacja Nauki Naturalnej Chin i inne agencje państwowe koordynują te wysiłki, wspierając zarówno innowacje sprzętowe, jak i rozwój aplikacji.

W Europie Europejska Inicjatywa Wysokiej Wydajności Obliczeniowej (EuroHPC JU) jest partnerstwem publiczno-prywatnym utworzonym w celu rozwoju ekosystemu superkomputerowego klasy światowej. EuroHPC JU nadzoruje wdrożenie JUPITER w Forschungszentrum Jülich w Niemczech, który ma stać się pierwszym superkomputerem eksaskalowym w Europie do 2025 roku. JUPITER wesprze badania w dziedzinie nauki o klimacie, medycyny i inżynierii i jest częścią szerszych europejskich wysiłków na rzecz zapewnienia suwerenności cyfrowej i konkurencyjności.

Japonia nadal inwestuje w badania eksaskalowe poprzez Centrum Nauk Obliczeniowych RIKEN, które obsługuje superkomputer Fugaku. Chociaż Fugaku nie jest systemem eksaskalowym w najsurowszym znaczeniu, osiągnął najwyższe globalne rankingi i służy jako platforma do badań i rozwoju klasy eksaskalowej. Japoński plan obejmuje dalsze inwestycje w architektury i aplikacje nowej generacji.

Patrząc w przyszłość, w ciągu kilku następnych lat zobaczymy rozwój możliwości eksaskalowych, z nowymi systemami planowanymi w Indiach, Korei Południowej i innych regionach. Oczekuje się, że te inicjatywy napędzą postępy w sztucznej inteligencji, modelowaniu klimatu, odkrywaniu leków i wielu innych, jednocześnie stawiając nowe wyzwania w zakresie efektywności energetycznej, skalowalności oprogramowania i współpracy międzynarodowej.

Zastosowania: Odkrycia naukowe, AI i wpływ na przemysł

Obliczenia eksaskalowe, zdefiniowane jako systemy zdolne do wykonania przynajmniej jednego eksaflopa (10¹⁸ operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę), szybko przekształcają krajobraz odkryć naukowych, sztucznej inteligencji (AI) i innowacji przemysłowych. Na rok 2025 wdrożenie superkomputerów eksaskalowych umożliwia przełomy w wielu dziedzinach, z istotnymi implikacjami zarówno dla badań, jak i przemysłu.

W badaniach naukowych systemy eksaskalowe przyspieszają postęp w dziedzinach takich jak modelowanie klimatu, genomika i nauka o materiałach. Na przykład, Oak Ridge National Laboratory (ORNL) w Stanach Zjednoczonych obsługuje superkomputer „Frontier”, który przekroczył próg eksaskali w 2022 roku. Frontier jest wykorzystywany do symulacji złożonych systemów klimatycznych w niespotykanej dotąd rozdzielczości, modelowania zachowania nowych materiałów na poziomie atomowym oraz analizowania ogromnych zbiorów danych genomicznych w celu rozwoju medycyny precyzyjnej. Oczekuje się, że te możliwości pogłębią się w nadchodzących latach, gdy badacze wykorzystają moc eksaskalową do rozwiązywania wcześniej nieosiągalnych problemów.

Sztuczna inteligencja to kolejny obszar, który doświadcza zmiany paradygmatu dzięki obliczeniom eksaskalowym. Zdolność do trenowania i wdrażania dużych modeli AI—takich jak te używane w przetwarzaniu języka naturalnego, odkrywaniu leków i systemach autonomicznych—opiera się na ogromnych zasobach obliczeniowych. Platformy eksaskalowe, takie jak te opracowane przez Los Alamos National Laboratory i Argonne National Laboratory, są wykorzystywane do trenowania modeli AI nowej generacji z miliardami parametrów, co umożliwia dokładniejsze prognozy i szybsze cykle innowacji. Oczekuje się, że te postępy napędzą nowe aplikacje w opiece zdrowotnej, energetyce i bezpieczeństwie narodowym do 2025 roku i później.

Wpływ przemysłowy obliczeń eksaskalowych staje się również coraz bardziej widoczny. Sektory takie jak lotnictwo, motoryzacja i energetyka wykorzystują symulacje eksaskalowe do optymalizacji projektowania produktów, poprawy procesów produkcyjnych i zwiększenia bezpieczeństwa. Na przykład, firmy współpracują z laboratoriami narodowymi, aby symulować dynamikę płynów dla bardziej efektywnych samolotów, modelować spalanie dla czystszych silników oraz analizować dane sejsmiczne w celu poprawy poszukiwań ropy naftowej i gazu. Departament Energii USA (DOE), kluczowy motor inicjatyw eksaskalowych, wspiera partnerstwa publiczno-prywatne, aby zapewnić, że te możliwości przekształcą się w korzyści gospodarcze i społeczne.

Patrząc w przyszłość, kontynuacja rozwoju infrastruktury eksaskalowej oraz opracowywanie oprogramowania gotowego do eksaskali mają na celu dalszą demokratyzację dostępu do obliczeń o wysokiej wydajności. W miarę jak coraz więcej krajów i organizacji inwestuje w systemy eksaskalowe, w ciągu kilku następnych lat prawdopodobnie zobaczymy proliferację odkryć naukowych, przełomów w AI i innowacji przemysłowych napędzanych przez tę transformacyjną technologię.

Wyzwania: Efektywność energetyczna, skalowalność i wąskie gardła w oprogramowaniu

Obliczenia eksaskalowe, zdefiniowane jako systemy zdolne do wykonania przynajmniej jednego eksaflopa (10¹⁸ operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę), stanowią transformacyjny skok w mocy obliczeniowej. Jednak w miarę jak pierwsze systemy eksaskalowe zaczynają działać, a kolejne są planowane do wdrożenia do 2025 roku i później, dziedzina ta staje w obliczu znaczących wyzwań w zakresie efektywności energetycznej, skalowalności i infrastruktury oprogramowania.

Efektywność energetyczna: Wymagania energetyczne systemów eksaskalowych są głównym problemem. Wczesne prognozy szacowały, że komputery eksaskalowe mogą wymagać setek megawatów, ale ostatnie postępy zredukowały to do zakresu 20–40 megawatów. Na przykład, system Oak Ridge National Laboratory (ORNL) Frontier, który stał się pierwszym publicznie ocenianym superkomputerem eksaskalowym na świecie w 2022 roku, działa przy mocy około 21 megawatów. Pomimo tych ulepszeń, zużycie energii pozostaje czynnikiem ograniczającym szersze wdrożenie, ponieważ koszty energii i chłodzenia są znaczne, a zrównoważony rozwój staje się priorytetem dla instytucji badawczych i rządów. Wysiłki na rzecz rozwiązania tego problemu obejmują rozwój bardziej efektywnych procesorów, zaawansowanych technologii chłodzenia i strategii zarządzania energią przez organizacje takie jak Intel, AMD i NVIDIA.

Skalowalność: Osiągnięcie efektywnej skalowalności w milionach rdzeni przetwarzania jest kolejnym poważnym wyzwaniem. Systemy eksaskalowe, takie jak Frontier i nadchodząca Aurora w Argonne National Laboratory, składają się z dziesiątek tysięcy węzłów, z których każdy ma wiele procesorów CPU i GPU. Zapewnienie, że aplikacje mogą efektywnie wykorzystywać tę ogromną równoległość bez wąskich gardeł, jest skomplikowane. Interfejsy sieciowe, hierarchie pamięci i przesył danych stają się kluczowymi czynnikami. Projekt TOP500, który klasyfikuje superkomputery na całym świecie, podkreślił, że nawet najszybsze systemy często osiągają tylko ułamek swojej teoretycznej maksymalnej wydajności z powodu tych problemów ze skalowalnością.

Wąskie gardła w oprogramowaniu: Ekosystem oprogramowania dla obliczeń eksaskalowych wciąż się rozwija. Legacy’owe kody naukowe często wymagają znacznego przekształcenia lub całkowitego przeprojektowania, aby wykorzystać heterogeniczne architektury (łączące CPU, GPU i specjalizowane akceleratory) nowoczesnych maszyn eksaskalowych. Modele programowania, takie jak MPI i OpenMP, są rozszerzane, podczas gdy nowe paradygmaty, takie jak SYCL i Kokkos, zyskują na popularności. Projekt Exascale Computing Project (ECP), inicjatywa Departamentu Energii USA, intensywnie inwestuje w rozwój skalowalnych algorytmów, bibliotek i narzędzi, aby rozwiązać te wąskie gardła. Jednak złożoność debugowania, dostrajania wydajności i zapewnienia przenośności na różnych platformach sprzętowych pozostaje znaczną barierą dla badaczy i programistów.

Patrząc w przyszłość na rok 2025 i kolejne lata, rozwiązanie tych wyzwań będzie kluczowe dla realizacji pełnych naukowych i społecznych korzyści obliczeń eksaskalowych. Kontynuacja współpracy między dostawcami sprzętu, laboratoriami badawczymi a globalną społecznością naukową będzie niezbędna do przezwyciężenia tych przeszkód i umożliwienia następnej generacji przełomów w dziedzinach od modelowania klimatu po sztuczną inteligencję.

Wzrost rynku i zainteresowanie publiczne: Prognozy i trendy (2024–2030)

Obliczenia eksaskalowe, zdefiniowane jako systemy zdolne do wykonania przynajmniej jednego eksaflopa (10¹⁸ operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę), wchodzą w kluczową fazę wzrostu rynku i zaangażowania publicznego na rok 2025. Wdrożenie pierwszych superkomputerów eksaskalowych—takich jak „Frontier” i „Aurora” w Stanach Zjednoczonych—spowodowało wzrost zarówno inwestycji rządowych, jak i przemysłowych. Systemy te, opracowane i obsługiwane przez Oak Ridge National Laboratory i Argonne National Laboratory, są nie tylko kamieniami milowymi technologicznymi, ale także stanowią punkt odniesienia dla globalnej konkurencyjności w obliczeniach o wysokiej wydajności (HPC).

Oczekuje się, że rynek eksaskalowy doświadczy silnego wzrostu do 2030 roku, napędzany rosnącym zapotrzebowaniem ze strony sektorów takich jak modelowanie klimatu, odkrywanie leków, sztuczna inteligencja i zaawansowana produkcja. Departament Energii USA nadal priorytetowo traktuje inicjatywy eksaskalowe, z trwającym finansowaniem badań, rozwoju sprzętu i ekosystemów oprogramowania. Równolegle, EuroHPC Joint Undertaking Unii Europejskiej przyspiesza swoją własną mapę drogową eksaskalową, mając na celu wdrożenie co najmniej dwóch systemów eksaskalowych do 2025–2026 roku, aby wzmocnić cyfrową suwerenność i przywództwo naukowe Europy.

Azja również odgrywa znaczącą rolę, a chińskie projekty eksaskalowe—takie jak systemy „Sunway” i „Tianhe”—podobno osiągają wydajność eksaskalową, chociaż szczegóły pozostają ściśle chronione. Japoński RIKEN oraz Krajowy Instytut Zaawansowanej Nauki i Technologii Przemysłowej rozwijają własne badania klasy eksaskalowej, opierając się na sukcesie superkomputera „Fugaku”.

Zainteresowanie publiczne obliczeniami eksaskalowymi rośnie, szczególnie w miarę jak ich zastosowania stają się bardziej widoczne w obszarach takich jak odpowiedź na pandemię, transformacja energetyczna i odporność na zmiany klimatu. Rządy coraz częściej traktują obliczenia eksaskalowe jako strategiczny atut, łącząc je z bezpieczeństwem narodowym, konkurencyjnością gospodarczą i innowacjami naukowymi. Odbija się to w dokumentach politycznych, ogłoszeniach o finansowaniu i międzynarodowych współpracach.

Patrząc w przyszłość na 2030 rok, oczekuje się, że rynek eksaskalowy zdywersyfikuje się, z usługami eksaskalowymi opartymi na chmurze i hybrydowymi architekturami, które uczynią te możliwości bardziej dostępnymi dla przemysłu i akademii. Oczekuje się, że zbieżność obliczeń eksaskalowych z sztuczną inteligencją i technologiami kwantowymi jeszcze bardziej rozszerzy ich wpływ. W miarę jak coraz więcej krajów i organizacji inwestuje w infrastrukturę eksaskalową, globalny krajobraz prawdopodobnie zobaczy zaostrzenie konkurencji, nowe partnerstwa i szerszą demokratyzację mocy superkomputerów.

Wiodące organizacje i współprace (np. DOE, EuroHPC, RIKEN)

Obliczenia eksaskalowe, zdefiniowane jako systemy zdolne do wykonania przynajmniej jednego eksaflopa (10¹⁸ operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę), są globalnym przedsięwzięciem napędzanym przez główne organizacje rządowe i badawcze. Na rok 2025 przywództwo w rozwoju eksaskali koncentruje się wśród kilku kluczowych podmiotów, z których każdy wspiera współprace obejmujące kontynenty i dyscypliny.

W Stanach Zjednoczonych Departament Energii USA (DOE) stoi na czołowej pozycji. Poprzez swój projekt Exascale Computing Project (ECP) DOE koordynuje wysiłki w swoich laboratoriach krajowych, w tym Oak Ridge National Laboratory (ORNL), Argonne National Laboratory (ANL) i Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Przywództwo DOE zostało ugruntowane dzięki wdrożeniu „Frontier” w ORNL, pierwszego publicznie uznanego superkomputera eksaskalowego na świecie, oraz „Aurora” w ANL, które będą operacyjne do 2024 roku. Te systemy są nie tylko kamieniami milowymi technologicznymi, ale także służą jako platformy do współpracy naukowej, wspierając badania w dziedzinie modelowania klimatu, nauki o materiałach i sztucznej inteligencji.

Ambicje eksaskalowe Europy są koordynowane przez Europejską Inicjatywę Wysokiej Wydajności Obliczeniowej (EuroHPC JU), partnerstwo publiczno-prywatne obejmujące Unię Europejską, kraje europejskie i przemysł. Misją EuroHPC JU jest rozwój ekosystemu superkomputerowego klasy światowej w Europie. Do 2025 roku system „JUPITER” w Niemczech ma być pierwszym superkomputerem eksaskalowym w Europie, z dodatkowymi systemami planowanymi w innych krajach członkowskich. EuroHPC JU wspiera współpracę między instytucjami badawczymi, przemysłem i rządami krajowymi, mając na celu zapewnienie europejskiej suwerenności technologicznej i konkurencyjności w obliczeniach o wysokiej wydajności.

W Azji japoński instytut badawczy RIKEN, we współpracy z Fujitsu, był liderem innowacji w superkomputing. Ich system „Fugaku”, działający od 2020 roku, był najszybszym superkomputerem na świecie, aż został wyprzedzony przez amerykańskie systemy eksaskalowe. RIKEN nadal inwestuje w architektury nowej generacji, planując sukcesorów klasy eksaskalowej, które kładą nacisk na efektywność energetyczną i wszechstronność aplikacji. Te wysiłki są wspierane przez japońskie Ministerstwo Edukacji, Kultury, Sportu, Nauki i Technologii (MEXT), zapewniając zgodność z krajowymi priorytetami badawczymi.

Chiny również odgrywają istotną rolę, z kilkoma instytucjami, które podobno obsługują systemy klasy eksaskalowej, chociaż szczegóły pozostają w dużej mierze nieujawnione. Krajowa Fundacja Nauki Naturalnej Chin oraz wiodące uniwersytety są uważane za kluczowe w tych wysiłkach, koncentrując się zarówno na innowacjach sprzętowych, jak i rozwoju aplikacji.

Patrząc w przyszłość, w ciągu kilku następnych lat zobaczymy intensyfikację współpracy między tymi organizacjami, z wspólnymi inicjatywami badawczymi, wspólnymi ekosystemami oprogramowania i programami szkoleniowymi przekraczającymi granice. Zbieżność obliczeń eksaskalowych z sztuczną inteligencją i analizą danych ma napędzać nowe odkrycia naukowe i zastosowania przemysłowe, wzmacniając strategiczne znaczenie tych wiodących organizacji i ich ram współpracy.

Bezpieczeństwo, etyka i społeczne implikacje obliczeń eksaskalowych

Pojawienie się obliczeń eksaskalowych—systemów zdolnych do wykonania przynajmniej jednego eksaflopa, czyli miliarda miliardów (10¹⁸) obliczeń na sekundę—wnosi transformacyjny potencjał w nauce, przemyśle i społeczeństwie. Jednak w miarę jak systemy eksaskalowe stają się operacyjne w 2025 roku i później, wprowadzają również złożone wyzwania w zakresie bezpieczeństwa, etyki i wpływu społecznego.

Bezpieczeństwo jest kluczową kwestią dla obliczeń eksaskalowych. Ogromna skala i wzajemne powiązania tych systemów, często rozproszonych w wielu lokalizacjach i obejmujących międzynarodowe współprace, zwiększają powierzchnię ataku na zagrożenia cybernetyczne. Oczekuje się, że platformy eksaskalowe będą przetwarzać wrażliwe dane w dziedzinach takich jak opieka zdrowotna, energia i bezpieczeństwo narodowe, co czyni je atrakcyjnymi celami dla aktorów państwowych i niepaństwowych. Organizacje takie jak Departament Energii USA (DOE), który prowadzi projekt Exascale Computing, priorytetowo traktują solidne ramy cyberbezpieczeństwa, w tym zaawansowane szyfrowanie, wykrywanie anomalii w czasie rzeczywistym i bezpieczne architektury sprzętowe. Inicjatywy eksaskalowe DOE kładą nacisk na ciągłe monitorowanie i szybkie protokoły reagowania, aby zminimalizować ryzyko związane z naruszeniami danych i włamaniami do systemów.

Rozważania etyczne również znajdują się na czołowej pozycji, gdy obliczenia eksaskalowe umożliwiają bezprecedensowe możliwości analizy danych i symulacji. Zdolność do modelowania złożonych zjawisk—od zmian klimatycznych po genomikę—rodzi pytania dotyczące prywatności danych, zgody i potencjalnego nadużycia analityki predykcyjnej. Na przykład, sztuczna inteligencja napędzana eksaskalowo mogłaby być wykorzystywana do nadzoru lub wpływania na opinię publiczną w skali. Instytucje takie jak Unia Europejska aktywnie opracowują ramy regulacyjne, aby zapewnić odpowiedzialne wykorzystanie obliczeń o wysokiej wydajności, kładąc nacisk na przejrzystość, odpowiedzialność i ochronę praw indywidualnych.

Społeczne implikacje obliczeń eksaskalowych są głębokie. Z jednej strony te systemy obiecują przełomy w medycynie, efektywności energetycznej i prognozowaniu katastrof, potencjalnie poprawiając jakość życia na całym świecie. Z drugiej strony ryzykują pogłębienie cyfrowych podziałów, ponieważ tylko nieliczne narody i organizacje dysponują zasobami do budowy i obsługi infrastruktury eksaskalowej. Ta koncentracja mocy obliczeniowej może wzmacniać istniejące nierówności w badaniach naukowych i rozwoju gospodarczym. Międzynarodowe współprace, takie jak te wspierane przez EuroHPC Joint Undertaking, mają na celu demokratyzację dostępu do zasobów eksaskalowych i promowanie wspólnych korzyści.

Patrząc w przyszłość, odpowiedzialne zarządzanie obliczeniami eksaskalowymi będzie wymagało ciągłego dialogu między rządami, przemysłem, akademią a społeczeństwem obywatelskim. Ustanowienie globalnych norm dotyczących bezpieczeństwa, etyki i równego dostępu będzie kluczowe, aby wykorzystać pełny potencjał systemów eksaskalowych, jednocześnie chroniąc wartości społeczne w 2025 roku i latach następnych.

Perspektywy na przyszłość: Po eksaskali—zettaskala i droga naprzód

W miarę jak najszybsze superkomputery eksaskalowe na świecie zaczynają działać, globalna społeczność obliczeń o wysokiej wydajności (HPC) już kieruje swoje spojrzenia na następny krok: obliczenia zettaskalowe. Systemy eksaskalowe, zdolne do wykonania przynajmniej jednego eksaflopa (10¹⁸ operacji zmiennoprzecinkowych na sekundę), stanowią transformacyjny kamień milowy, ale ambicja osiągnięcia zettaskali—10²¹ flops—sygnalizuje nową erę możliwości obliczeniowych. Oczekuje się, że okres od 2025 roku będzie charakteryzował się zarówno dojrzewaniem platform eksaskalowych, jak i podstawowymi badaniami wymaganymi do przełomów w zettaskali.

W 2025 roku systemy eksaskalowe, takie jak amerykańskie „Frontier” i „Aurora”, są operacyjne, a „El Capitan” ma do nich dołączyć, wszystko pod nadzorem Departamentu Energii USA. Te maszyny nie tylko napędzają odkrycia naukowe w dziedzinach takich jak modelowanie klimatu, nauka o materiałach i sztuczna inteligencja, ale także ujawniają techniczne i energetyczne wyzwania, które muszą zostać pokonane, aby osiągnąć zettaskalę. Na przykład, „Frontier” zużywa ponad 20 megawatów energii, co podkreśla pilną potrzebę bardziej energooszczędnych architektur i rozwiązań chłodzących.

Droga do zettaskali jest wytyczana przez dużych międzynarodowych graczy. Europejska Inicjatywa Wysokiej Wydajności Obliczeniowej (EuroHPC JU) koordynuje wysiłki w Europie, aby rozwijać infrastrukturę HPC nowej generacji, a jej mapa drogowa obejmuje ambicje zettaskalowe. Podobnie Chiny i Japonia intensywnie inwestują w krajowe technologie procesorowe i architektury systemów, dążąc do utrzymania przywództwa w globalnym wyścigu superkomputerowym.

Kluczowe wyzwania techniczne dla zettaskali obejmują nie tylko efektywność energetyczną, ale także przesył danych, przepustowość pamięci i niezawodność systemów na niespotykaną dotąd skalę. Badania nad nowymi materiałami, 3D stacking, fotonowymi interfejsami i zaawansowanym chłodzeniem są prowadzone w wiodących laboratoriach i partnerach przemysłowych. Organizacje takie jak Oak Ridge National Laboratory i Intel Corporation aktywnie badają te możliwości, z projektami współpracy ukierunkowanymi zarówno na innowacje sprzętowe, jak i oprogramowanie.

Patrząc w przyszłość, większość ekspertów zgadza się, że obliczenia zettaskalowe nie będą prawdopodobnie zrealizowane przed wczesnymi latami 2030-tymi, biorąc pod uwagę wielkość wyzwań. Jednak era eksaskali (2025–2030) będzie służyć jako krytyczne pole testowe dla technologii i modeli programowania, które będą podstawą systemów zettaskalowych. Zbieżność HPC i sztucznej inteligencji, a także rosnące znaczenie badań nad komputerami kwantowymi, również będą kształtować trajektorię superkomputingu po eksaskali.

• Systemy eksaskalowe w 2025 roku są podstawą dla badań i rozwoju zettaskali.
• Efektywność energetyczna i niezawodność systemów to główne przeszkody.
• Międzynarodowa współpraca i konkurencja przyspieszają innowacje.
• Zettaskala to cel długoterminowy, z wczesnymi kamieniami milowymi oczekiwanymi po 2030 roku.

Źródła i odniesienia

• 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