Объяснение эксаскалярных вычислений: Как квинтильон вычислений в секунду преобразит науку, промышленность и общество. Узнайте о прорывах, вызовах и глобальной гонке, стоящей за этим технологическим скачком. (2025)

• Введение: Определение эксаскалярных вычислений и их значимость
• Историческая эволюция: От петаскалярных к эксаскалярным вехам
• Ключевые технологии, обеспечивающие эксаскалярные системы
• Основные эксаскалярные проекты и глобальные инициативы
• Применения: Научные открытия, ИИ и влияние на промышленность
• Вызовы: Энергоэффективность, масштабируемость и программные узкие места
• Рост рынка и общественный интерес: Прогнозы и тренды (2024–2030)
• Ведущие организации и сотрудничество (например, DOE, EuroHPC, RIKEN)
• Безопасность, этика и социальные последствия эксаскалярных вычислений
• Перспективы: За пределами эксаскалярных вычислений — зетаскалярные вычисления и путь вперед
• Источники и ссылки

Введение: Определение эксаскалярных вычислений и их значимость

Эксаскалярные вычисления относятся к вычислительным системам, способным выполнять как минимум один эксафлоп, или миллиард миллиардов (10¹⁸) вычислений в секунду. Это представляет собой тысячекратное увеличение по сравнению с петаскалярными системами, которые работают на уровне 10¹⁵ вычислений в секунду. Переход к эксаскалярным вычислениям обозначает ключевую веху в высокопроизводительных вычислениях (HPC), позволяя беспрецедентные достижения в научных исследованиях, инженерии и анализе данных. Эксаскалярные системы предназначены для решения сложных задач, которые в настоящее время выходят за пределы возможностей существующих суперкомпьютеров, таких как детальное моделирование климата, открытие лекарств, симуляции ядерного синтеза и искусственный интеллект в масштабе.

Значимость эксаскалярных вычислений заключается в их преобразующем потенциале в различных областях. Например, в климатической науке эксаскалярные системы могут моделировать климат Земли с гораздо большей разрешающей способностью и точностью, улучшая прогнозы экстремальных погодных явлений и долгосрочных изменений климата. В здравоохранении эксаскалярные вычисления ускоряют симуляцию молекулярных взаимодействий, ускоряя разработку новых лекарств и терапий. В энергетике это позволяет моделировать передовые материалы и ядерные процессы, поддерживая поиск устойчивых энергетических решений. Более того, эксаскалярные платформы критически важны для национальной безопасности, поддерживая криптографию, симуляции обороны и кибербезопасность.

На 2025 год глобальная гонка за достижением и развертыванием эксаскалярных вычислений уже активно идет. Соединенные Штаты, через Министерство энергетики США, являются лидером в этой области, с развертыванием систем, таких как Frontier в Национальной лаборатории Ок-Ридж, которая стала первым в мире публично признанным эксаскалярным суперкомпьютером в 2022 году. Другими крупными игроками являются EuroHPC Joint Undertaking, европейская инициатива, координирующая разработку эксаскалярной инфраструктуры в странах ЕС, и RIKEN в Японии, которая находится на переднем крае исследований и разработки суперкомпьютеров.

Смотря в будущее на ближайшие несколько лет, ожидается, что эксаскалярные вычисления станут более доступными и интегрированными в более широкие научные и промышленные рабочие процессы. Фокус смещается с простого достижения эксаскалярной производительности на оптимизацию энергоэффективности, масштабируемости программного обеспечения и влияния реальных приложений. По мере того как больше эксаскалярных систем будет вводиться в эксплуатацию по всему миру, их влияние распространится за пределы традиционных HPC-центров, стимулируя инновации в области искусственного интеллекта, аналитики больших данных и цифровых двойников. Эпоха эксаскалярных вычислений обещает переопределить границы того, что возможно вычислительно, открывая новые горизонты в науке и технологиях.

Историческая эволюция: От петаскалярных к эксаскалярным вехам

Путь от петаскалярных к эксаскалярным вычислениям отмечает преобразующую эпоху в высокопроизводительных вычислениях (HPC), характеризующуюся экспоненциальным ростом вычислительной мощности и способностью решать ранее неразрешимые научные и инженерные задачи. Порог петаскалярных вычислений — один квадриллион (10¹⁵) операций с плавающей запятой в секунду (FLOPS) — был впервые преодолён в 2008 году с развертыванием системы IBM Roadrunner в Национальной лаборатории Лос-Аламос, веха, которая заложила основу для новой эпохи научных открытий.

В течение следующего десятилетия глобальные инвестиции в инфраструктуру HPC ускорились, при этом Соединенные Штаты, Китай, Япония и Европейский Союз стали лидерами в гонке к эксаскалярным вычислениям. Эксаскалярный эталон, определяемый как один квинтильон (10¹⁸) FLOPS, стал стратегической целью для этих стран, обещая прорывы в таких областях, как моделирование климата, геномика, материаловедение и искусственный интеллект.

Первая работающая эксаскалярная система, Frontier, была официально запущена в Национальной лаборатории Ок-Ридж в 2022 году, достигнув пиковой производительности более 1.1 эксаFLOPS и заняв первое место в списке TOP500 суперкомпьютеров. Национальная лаборатория Ок-Ридж управляется Министерством энергетики США и сыграла ключевую роль в продвижении возможностей HPC. Архитектура Frontier, основанная на процессорах и графических процессорах AMD, продемонстрировала целесообразность крупномасштабных гетерогенных вычислений, установив шаблон для будущих систем.

После Frontier ожидается, что система Aurora Министерства энергетики США в Национальной лаборатории Аргон и El Capitan в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора достигнут или превзойдут эксаскалярную производительность к 2025 году, еще больше укрепляя лидерство США в этой области. Тем временем, сообщается, что Китай разработал системы класса эксаскалярных вычислений, такие как Sunway OceanLight и Tianhe-3, хотя официальные публичные эталоны остаются ограниченными. Суперкомпьютер Японии Fugaku, разработанный RIKEN и Fujitsu, также приблизился к эксаскалярной производительности, особенно в специализированных эталонах приложений, и продолжает оставаться мировым лидером в области научных вычислений (RIKEN).

Смотря вперед к 2025 году и далее, ожидается, что эпоха эксаскалярных вычислений будет способствовать инновациям в аппаратном обеспечении, программном обеспечении и энергоэффективности. Европейский Союз через EuroHPC Joint Undertaking инвестирует в местные эксаскалярные системы, стремясь укрепить научный суверенитет и конкурентоспособность (EuroHPC Joint Undertaking). Поскольку эксаскалярные вычисления становятся более доступными, ожидается, что они катализируют достижения в области искусственного интеллекта, цифровых двойников и аналитики данных в реальном времени, кардинально изменяя ландшафты исследований и промышленности по всему миру.

Ключевые технологии, обеспечивающие эксаскалярные системы

Эксаскалярные вычисления, определяемые как способность выполнять как минимум один эксафлоп (10¹⁸ операций с плавающей запятой в секунду), являются преобразующей вехой в высокопроизводительных вычислениях (HPC). На 2025 год реализация эксаскалярных систем поддерживается несколькими ключевыми технологическими достижениями, каждое из которых решает огромные вычислительные, энергетические и проблемы перемещения данных, присущие этому масштабу.

Современные архитектуры процессоров: Сердце эксаскалярных систем заключается в гетерогенных архитектурах процессоров. Современные эксаскалярные суперкомпьютеры, такие как «Frontier» и «Aurora» в США, используют комбинацию высокопроизводительных ЦП и энергоэффективных ГП. Эти системы используют индивидуально разработанные кремниевые чипы, такие как процессоры AMD EPYC и графические процессоры Instinct в Frontier, чтобы максимизировать параллелизм и пропускную способность при управлении потреблением энергии. Ожидается, что тенденция к проектированию на основе чиплетов и 3D-стаков будет ускоряться, позволяя повысить плотность и улучшить пропускную способность соединений в ближайшие годы (AMD).

Память с высокой пропускной способностью и соединения: Пропускная способность памяти и задержка являются критическими узкими местами на эксаскалярном уровне. Чтобы решить эту проблему, эксаскалярные системы используют технологии памяти с высокой пропускной способностью (HBM) и современные соединения. Например, использование стандартов HBM2e и новых HBM3, наряду с проприетарными соединениями, такими как Infinity Fabric от AMD и NVLink от NVIDIA, облегчает быстрое перемещение данных между вычислительными узлами и ускорителями. Ожидается, что внедрение оптических соединений и кремниевой фотоники дополнительно снизит задержку и потребление энергии по мере масштабирования систем за пределами 2025 года (NVIDIA).

Энергоэффективность и охлаждение: Потребление энергии является определяющим ограничением для эксаскалярных вычислений. Инновации в динамическом регулировании напряжения и частоты, продвинутом управлении энергией и системах жидкостного охлаждения необходимы для поддержания потребления энергии в пределах практических ограничений. Проекты эксаскалярных вычислений Министерства энергетики США установили цели для энергетических оболочек систем ниже 40 мегаватт, стимулируя исследования в области более эффективного аппаратного обеспечения и решений для охлаждения (Министерство энергетики США).

Экосистема программного обеспечения и модели программирования: Эксаскалярные системы требуют надежных стеков программного обеспечения, способных использовать огромный параллелизм. Инициативы с открытым исходным кодом, такие как Проект эксаскалярных вычислений, разрабатывают новые модели программирования, производительные библиотеки и масштабируемые среды выполнения. Основное внимание уделяется тому, чтобы научные приложения эффективно использовали гетерогенное аппаратное обеспечение, при этом продолжается работа по параллелизму на основе задач, интеграции ИИ и устойчивости к сбоям, которая ожидается в зрелой стадии к концу 2020-х годов (Проект эксаскалярных вычислений).

Смотря вперед, слияние ИИ и HPC, достижения в квантово-вдохновленных алгоритмах и продолжающийся совместный дизайн аппаратного и программного обеспечения будут определять эволюцию эксаскалярных технологий, обеспечивая, чтобы эти системы оставались на переднем крае научных открытий и инноваций.

Основные эксаскалярные проекты и глобальные инициативы

Эксаскалярные вычисления, определяемые как способность выполнять как минимум один эксафлоп (10¹⁸ операций с плавающей запятой в секунду), представляют собой преобразующий скачок в высокопроизводительных вычислениях (HPC). На 2025 год несколько крупных эксаскалярных проектов и глобальных инициатив формируют ландшафт, движимые национальными стратегиями, научными амбициями и промышленными потребностями.

В Соединенных Штатах Министерство энергетики США (DOE) возглавило Проект эксаскалярных вычислений (ECP), многолетнюю инициативу по разработке эксаскалярных систем и программного обеспечения. Национальная лаборатория Ок-Ридж (ORNL) DOE запустила Frontier в 2022 году, первый в мире публично признанный эксаскалярный суперкомпьютер, достигнувший более 1.1 эксафлопа по эталону LINPACK. Frontier предназначен для поддержки широкого спектра научных приложений, от моделирования климата до материаловедения, и ожидается, что он останется центральным ресурсом для исследований в США на протяжении десятилетия. Национальная лаборатория Аргон DOE развертывает Aurora, еще одну эксаскалярную систему, с акцентом на искусственный интеллект и ресурсоемкие рабочие нагрузки. Эти системы являются частью более широкой стратегии США по поддержанию лидерства в HPC и поддержке национальной безопасности, энергетики и научных открытий.

Китай также добился значительных успехов, с несколькими эксаскалярными системами, которые, как сообщается, работают с 2021 года, включая суперкомпьютеры Sunway OceanLight и Tianhe-3. Хотя подробные данные о производительности менее доступны для общественности, считается, что эти системы конкурентоспособны с их западными аналогами и являются частью стратегического плана Китая по достижению технологической самодостаточности и глобального лидерства в суперкомпьютинге. Национальный фонд естественных наук Китая и другие государственные учреждения координируют эти усилия, поддерживая как инновации в аппаратном обеспечении, так и разработку приложений.

В Европе Европейская инициатива по высокопроизводительным вычислениям (EuroHPC JU) является государственно-частным партнерством, созданным для разработки суперкомпьютерской экосистемы мирового класса. EuroHPC JU контролирует развертывание JUPITER в Forschungszentrum Jülich в Германии, который ожидается как первый эксаскалярный суперкомпьютер Европы к 2025 году. JUPITER будет поддерживать исследования в области климатической науки, медицины и инженерии и является частью более широких европейских усилий по обеспечению цифрового суверенитета и конкурентоспособности.

Япония продолжает инвестировать в эксаскалярные исследования через RIKEN Центр вычислительных наук, который управляет суперкомпьютером Fugaku. Хотя Fugaku не является эксаскалярной системой в строгом смысле, он достиг высоких глобальных рейтингов и служит платформой для исследований и разработок класса эксаскалярных вычислений. Дорожная карта Японии включает дальнейшие инвестиции в архитектуры следующего поколения и приложения.

Смотря вперед, в ближайшие годы ожидается расширение эксаскалярных возможностей, с новыми системами, запланированными в Индии, Южной Корее и других регионах. Ожидается, что эти инициативы будут способствовать достижениям в области искусственного интеллекта, моделирования климата, открытия лекарств и многого другого, одновременно поднимая новые вызовы в области энергоэффективности, масштабируемости программного обеспечения и международного сотрудничества.

Применения: Научные открытия, ИИ и влияние на промышленность

Эксаскалярные вычисления, определяемые как системы, способные выполнять как минимум один эксафлоп (10¹⁸ операций с плавающей запятой в секунду), быстро преобразуют ландшафт научных открытий, искусственного интеллекта (ИИ) и промышленной инновации. На 2025 год развертывание эксаскалярных суперкомпьютеров позволяет достигать прорывов в различных областях, имея значительные последствия как для исследований, так и для промышленности.

В научных исследованиях эксаскалярные системы ускоряют прогресс в таких областях, как моделирование климата, геномика и материаловедение. Например, Национальная лаборатория Ок-Ридж (ORNL) в Соединенных Штатах управляет суперкомпьютером «Frontier», который превысил порог эксаскалярных вычислений в 2022 году. Frontier используется для симуляции сложных климатических систем с беспрецедентным разрешением, моделирования поведения новых материалов на атомном уровне и анализа массивных геномных наборов данных для продвижения прецизионной медицины. Ожидается, что эти возможности углубятся в ближайшие годы, поскольку исследователи используют эксаскалярную мощность для решения ранее неразрешимых проблем.

Искусственный интеллект является еще одной областью, переживающей парадигмальный сдвиг благодаря эксаскалярным вычислениям. Способность обучать и развертывать крупномасштабные модели ИИ — такие как те, которые используются в обработке естественного языка, открытии лекарств и автономных системах — зависит от огромных вычислительных ресурсов. Эксаскалярные платформы, такие как те, которые разработаны Национальной лабораторией Лос-Аламос и Национальной лабораторией Аргон, используются для обучения моделей ИИ следующего поколения с миллиардами параметров, что позволяет делать более точные прогнозы и ускорять циклы инноваций. Ожидается, что эти достижения будут способствовать новым приложениям в области здравоохранения, энергетики и национальной безопасности до 2025 года и далее.

Промышленное влияние эксаскалярных вычислений также становится все более очевидным. Такие сектора, как аэрокосмическая, автомобильная и энергетическая, используют эксаскалярные симуляции для оптимизации проектирования продуктов, улучшения производственных процессов и повышения безопасности. Например, компании сотрудничают с национальными лабораториями для симуляции динамики жидкости для более эффективных самолетов, моделирования сгорания для более чистых двигателей и анализа сейсмических данных для улучшенной разведки нефти и газа. Министерство энергетики США (DOE), ключевой двигатель инициатив эксаскалярных вычислений, содействует государственно-частным партнерствам, чтобы гарантировать, что эти возможности приводят к экономическим и социальным выгодам.

Смотря вперед, ожидается, что продолжающееся расширение инфраструктуры эксаскалярных вычислений и разработка программного обеспечения, готового к эксаскалярным вычислениям, еще больше демократизируют доступ к высокопроизводительным вычислениям. Поскольку все больше стран и организаций инвестируют в эксаскалярные системы, в ближайшие годы, вероятно, произойдет множество научных открытий, прорывов в области ИИ и промышленных инноваций, поддерживаемых этой преобразующей технологией.

Вызовы: Энергоэффективность, масштабируемость и программные узкие места

Эксаскалярные вычисления, определяемые как системы, способные выполнять как минимум один эксафлоп (10¹⁸ операций с плавающей запятой в секунду), представляют собой преобразующий скачок в вычислительной мощности. Однако, по мере того как первые эксаскалярные системы начинают работать, а другие планируются к развертыванию в 2025 году и позже, область сталкивается с серьезными вызовами в области энергоэффективности, масштабируемости и программной инфраструктуры.

Энергоэффективность: Энергетические требования эксаскалярных систем являются основной проблемой. Ранние прогнозы оценивали, что эксаскалярные компьютеры могут потребовать сотни мегаватт, но недавние достижения снизили это значение до диапазона 20–40 мегаватт. Например, система Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) Frontier, которая стала первым в мире публично оцененным эксаскалярным суперкомпьютером в 2022 году, работает на уровне около 21 мегаватта. Несмотря на эти улучшения, потребление энергии остается ограничивающим фактором для более широкого развертывания, поскольку затраты на электроэнергию и охлаждение значительны, а устойчивость становится все более актуальным приоритетом для исследовательских учреждений и правительств. Усилия по решению этой проблемы включают разработку более эффективных процессоров, современных технологий охлаждения и стратегий динамического управления энергией от таких организаций, как Intel, AMD и NVIDIA.

Масштабируемость: Достижение эффективного масштабирования на миллионах вычислительных ядер является еще одной серьезной проблемой. Эксаскалярные системы, такие как Frontier и предстоящая Aurora в Национальной лаборатории Аргон, состоят из десятков тысяч узлов, каждый из которых имеет несколько ЦП и ГП. Обеспечение того, чтобы приложения могли эффективно использовать этот огромный параллелизм без узких мест, не является тривиальной задачей. Сетевые соединения, иерархии памяти и перемещение данных становятся критическими факторами. Проект TOP500, который ранжирует суперкомпьютеры по всему миру, подчеркивает, что даже самые быстрые системы часто достигают только небольшой доли своей теоретической пиковой производительности из-за этих проблем масштабируемости.

Программные узкие места: Экосистема программного обеспечения для эксаскалярных вычислений все еще находится в стадии формирования. Устаревшие научные коды часто требуют значительного переработки или полного redesign, чтобы использовать гетерогенные архитектуры (сочетающие ЦП, ГП и специализированные ускорители) современных эксаскалярных машин. Модели программирования, такие как MPI и OpenMP, расширяются, в то время как новые парадигмы, такие как SYCL и Kokkos, набирают популярность. Проект эксаскалярных вычислений (ECP), инициатива Министерства энергетики США, активно инвестирует в разработку масштабируемых алгоритмов, библиотек и инструментов для решения этих узких мест. Однако сложность отладки, настройки производительности и обеспечения портативности на различных аппаратных платформах остается значительным барьером для исследователей и разработчиков.

Смотря вперед к 2025 году и последующим годам, решение этих проблем будет критически важным для реализации всех научных и социальных преимуществ эксаскалярных вычислений. Продолжение сотрудничества между производителями аппаратного обеспечения, исследовательскими лабораториями и глобальным научным сообществом будет иметь решающее значение для преодоления этих препятствий и обеспечения следующего поколения прорывов в таких областях, как моделирование климата и искусственный интеллект.

Рост рынка и общественный интерес: Прогнозы и тренды (2024–2030)

Эксаскалярные вычисления, определяемые как системы, способные выполнять как минимум один эксафлоп (10¹⁸ операций с плавающей запятой в секунду), вступают в решающую фазу роста рынка и общественного вовлечения на 2025 год. Развертывание первых эксаскалярных суперкомпьютеров — таких как «Frontier» и «Aurora» в Соединенных Штатах — вызвало всплеск как государственного, так и промышленного инвестирования. Эти системы, разработанные и эксплуатируемые Национальной лабораторией Ок-Ридж и Национальной лабораторией Аргон соответственно, не только являются технологическими вехами, но и служат эталонами для глобальной конкурентоспособности в высокопроизводительных вычислениях (HPC).

Ожидается, что рынок эксаскалярных вычислений будет испытывать устойчивый рост до 2030 года, движимый растущим спросом со стороны таких секторов, как моделирование климата, открытие лекарств, искусственный интеллект и передовое производство. Министерство энергетики США продолжает придавать приоритет эксаскалярным инициативам, с продолжающимся финансированием исследований, разработки аппаратного обеспечения и экосистем программного обеспечения. Параллельно Европейский Союз через EuroHPC Joint Undertaking ускоряет свой собственный план эксаскалярных вычислений, стремясь развернуть как минимум две эксаскалярные системы к 2025–2026 годам, чтобы укрепить цифровой суверенитет и научное лидерство Европы.

Азия также является значительным игроком, с проектами эксаскалярных вычислений в Китае — такими как системы «Sunway» и «Tianhe» — которые, как сообщается, достигают эксаскалярной производительности, хотя детали остаются строго конфиденциальными. Японские RIKEN и Национальный институт передовых промышленных наук и технологий продвигают свои собственные исследования класса эксаскалярных вычислений, основываясь на успехе суперкомпьютера «Fugaku».

Общественный интерес к эксаскалярным вычислениям растет, особенно по мере того, как их приложения становятся более заметными в таких областях, как ответ на пандемию, переход к устойчивой энергетике и устойчивость к климатическим изменениям. Государства все чаще рассматривают эксаскалярные вычисления как стратегический актив, связывая их с национальной безопасностью, экономической конкурентоспособностью и научной инновацией. Это отражается в политических документах, объявлениях о финансировании и международном сотрудничестве.

Смотря вперед к 2030 году, ожидается, что рынок эксаскалярных вычислений будет разнообразным, с облачными эксаскалярными услугами и гибридными архитектурами, делающими эти возможности более доступными для промышленности и академической среды. Ожидается, что слияние эксаскалярных вычислений с искусственным интеллектом и квантовыми технологиями еще больше расширит их влияние. Поскольку все больше стран и организаций инвестируют в эксаскалярную инфраструктуру, глобальный ландшафт, вероятно, увидит усиление конкуренции, новые партнерства и более широкую демократизацию суперкомпьютерной мощности.

Ведущие организации и сотрудничество (например, DOE, EuroHPC, RIKEN)

Эксаскалярные вычисления, определяемые как системы, способные выполнять как минимум один эксафлоп (10¹⁸ операций с плавающей запятой в секунду), являются глобальным начинанием, движимым крупными государственными и исследовательскими организациями. На 2025 год лидерство в разработке эксаскалярных вычислений сосредоточено среди нескольких ключевых субъектов, каждый из которых содействует сотрудничеству, охватывающему континенты и дисциплины.

В Соединенных Штатах Министерство энергетики США (DOE) находится на переднем крае. Через свой Проект эксаскалярных вычислений (ECP) DOE координирует усилия своих национальных лабораторий, включая Национальную лабораторию Ок-Ридж (ORNL), Национальную лабораторию Аргон (ANL) и Национальную лабораторию Лоуренса Ливермора (LLNL). Лидерство DOE было закреплено с развертыванием «Frontier» в ORNL, первого в мире публично признанного эксаскалярного суперкомпьютера, и «Aurora» в ANL, оба будут запущены к 2024 году. Эти системы не только являются технологическими вехами, но и служат платформами для научного сотрудничества, поддерживая исследования в области моделирования климата, материаловедения и искусственного интеллекта.

Европейские амбиции в области эксаскалярных вычислений координируются Европейской инициативой по высокопроизводительным вычислениям (EuroHPC JU), государственно-частным партнерством, в которое входят Европейский Союз, европейские страны и промышленность. Миссия EuroHPC JU заключается в разработке экосистемы суперкомпьютеров мирового класса в Европе. К 2025 году система «JUPITER» в Германии ожидается как первый эксаскалярный суперкомпьютер Европы, с дополнительными системами, запланированными в других государствах-членах. EuroHPC JU содействует сотрудничеству между исследовательскими институтами, промышленностью и национальными правительствами, стремясь обеспечить европейский технологический суверенитет и конкурентоспособность в области высокопроизводительных вычислений.

В Азии исследовательский институт RIKEN в Японии, в партнерстве с Fujitsu, стал лидером в области инноваций суперкомпьютеров. Их система «Fugaku», работающая с 2020 года, была самым быстрым суперкомпьютером в мире до его превышения американскими эксаскалярными системами. RIKEN продолжает инвестировать в архитектуры следующего поколения, планируя эксаскалярные преемники, которые подчеркивают энергоэффективность и универсальность приложений. Эти усилия поддерживаются Министерством образования, культуры, спорта, науки и технологий Японии (MEXT), обеспечивая соответствие с национальными приоритетами исследований.

Китай также является значительным игроком, с несколькими учреждениями, как сообщается, работающими с эксаскалярными системами, хотя детали остаются в значительной степени недоступными. Национальный фонд естественных наук Китая и ведущие университеты, как полагают, играют центральную роль в этих усилиях, сосредоточив внимание как на инновациях в аппаратном обеспечении, так и на разработке приложений.

Смотря вперед, в ближайшие годы ожидается усиление сотрудничества между этими организациями, с совместными исследовательскими инициативами, общими экосистемами программного обеспечения и транснациональными программами обучения. Ожидается, что слияние эксаскалярных вычислений с искусственным интеллектом и аналитикой данных будет способствовать новым научным открытиям и промышленным приложениям, укрепляя стратегическое значение этих ведущих организаций и их совместных рамок.

Безопасность, этика и социальные последствия эксаскалярных вычислений

Появление эксаскалярных вычислений — систем, способных выполнять как минимум один эксафлоп, или миллиард миллиардов (10¹⁸) вычислений в секунду — открывает преобразующий потенциал в науке, промышленности и обществе. Однако, по мере того как эксаскалярные системы начинают работать в 2025 году и далее, они также вводят сложные проблемы в области безопасности, этики и социального воздействия.

Безопасность является первоочередной проблемой для эксаскалярных вычислений. Огромный масштаб и взаимосвязанность этих систем, часто распределенных по нескольким площадкам и включающих международные сотрудничества, увеличивают поверхность атаки для киберугроз. Ожидается, что эксаскалярные платформы будут обрабатывать конфиденциальные данные в таких областях, как здравоохранение, энергетика и национальная безопасность, что делает их привлекательными целями как для государственных, так и для недосударственных акторов. Организации, такие как Министерство энергетики США (DOE), которое возглавляет Проект эксаскалярных вычислений, приоритизируют надежные рамки кибербезопасности, включая современные методы шифрования, обнаружение аномалий в реальном времени и безопасные аппаратные архитектуры. Инициативы DOE в области эксаскалярных вычислений подчеркивают непрерывный мониторинг и протоколы быстрого реагирования для снижения рисков, связанных с утечками данных и вторжениями в систему.

Этические соображения также находятся на переднем плане, поскольку эксаскалярные вычисления обеспечивают беспрецедентные возможности для анализа данных и симуляции. Способность моделировать сложные явления — от изменения климата до геномики — поднимает вопросы о конфиденциальности данных, согласии и потенциальном злоупотреблении предсказательной аналитикой. Например, искусственный интеллект, работающий на эксаскалярной мощности, может быть использован для наблюдения или влияния на общественное мнение в масштабе. Такие институты, как Европейский Союз, активно разрабатывают нормативные рамки для обеспечения ответственного использования высокопроизводительных вычислений, подчеркивая прозрачность, подотчетность и защиту прав личности.

Социальные последствия эксаскалярных вычислений глубоки. С одной стороны, эти системы обещают прорывы в медицине, энергоэффективности и предсказании катастроф, потенциально улучшая качество жизни по всему миру. С другой стороны, они рискуют усугубить цифровые разрывы, поскольку только несколько стран и организаций обладают ресурсами для создания и эксплуатации эксаскалярной инфраструктуры. Эта концентрация вычислительной мощности может усилить существующие неравенства в научных исследованиях и экономическом развитии. Международные сотрудничества, такие как те, которые поддерживаются EuroHPC Joint Undertaking, стремятся демократизировать доступ к эксаскалярным ресурсам и продвигать общие выгоды.

Смотря вперед, ответственное управление эксаскалярными вычислениями потребует постоянного диалога между правительствами, промышленностью, академической средой и гражданским обществом. Установление глобальных норм для безопасности, этики и равного доступа будет крайне важно для использования полного потенциала эксаскалярных систем, одновременно защищая социальные ценности в 2025 году и в последующие годы.

Перспективы: За пределами эксаскалярных вычислений — зетаскалярные вычисления и путь вперед

По мере того как первые эксаскалярные суперкомпьютеры начинают работать, глобальное сообщество высокопроизводительных вычислений (HPC) уже нацелено на следующий рубеж: зетаскалярные вычисления. Эксаскалярные системы, способные выполнять как минимум один эксафлоп (10¹⁸ операций с плавающей запятой в секунду), являются преобразующей вехой, но стремление достичь зетаскалярных вычислений — 10²¹ флопс — сигнализирует о новой эпохе вычислительной способности. Период с 2025 года и далее ожидается, что будет отмечен как созреванием эксаскалярных платформ, так и фундаментальными исследованиями, необходимыми для прорывов в области зетаскалярных вычислений.

В 2025 году эксаскалярные системы, такие как «Frontier» и «Aurora» в США, будут функционировать, и ожидается, что к ним присоединится «El Capitan», все под управлением Министерства энергетики США. Эти машины не только продвигают научные открытия в таких областях, как моделирование климата, материаловедение и искусственный интеллект, но также выявляют технические и энергетические проблемы, которые необходимо преодолеть для достижения зетаскалярных вычислений. Например, «Frontier» потребляет более 20 мегаватт энергии, подчеркивая настоятельную необходимость в более энергоэффективных архитектурах и решениях для охлаждения.

Путь к зетаскалярным вычислениям прокладывают крупные международные игроки. Европейская инициатива по высокопроизводительным вычислениям (EuroHPC JU) координирует усилия по всей Европе для разработки инфраструктуры HPC следующего поколения, с дорожной картой, включающей зетаскалярные амбиции. Аналогично, Китай и Япония активно инвестируют в местные технологии процессоров и архитектуры систем, стремясь сохранить лидерство в глобальной гонке суперкомпьютеров.

Ключевые технические проблемы для зетаскалярных вычислений включают не только энергоэффективность, но и перемещение данных, пропускную способность памяти и надежность систем на беспрецедентных масштабах. Исследования новых материалов, 3D-стаканья чипов, фотонных соединений и современных технологий охлаждения ведутся в ведущих лабораториях и среди промышленных партнеров. Такие организации, как Национальная лаборатория Ок-Ридж и корпорация Intel, активно исследуют эти направления, с совместными проектами, нацеленными как на инновации в аппаратном обеспечении, так и на программное обеспечение.

Смотря вперед, большинство экспертов согласны с тем, что зетаскалярные вычисления вряд ли будут реализованы до начала 2030-х годов, учитывая масштаб проблем. Однако эпоха эксаскалярных вычислений (2025–2030) послужит критической испытательной площадкой для технологий и моделей программирования, которые будут лежать в основе зетаскалярных систем. Слияние HPC и искусственного интеллекта, а также растущее значение исследований в области квантовых вычислений также будут определять траекторию суперкомпьютинга за пределами эксаскалярных вычислений.

• Эксаскалярные системы в 2025 году являются основой для исследований и разработок в области зетаскалярных вычислений.
• Энергоэффективность и надежность систем являются первоочередными препятствиями.
• Международное сотрудничество и конкуренция ускоряют инновации.
• Зетаскалярные вычисления являются долгосрочной целью, с ранними вехами, ожидаемыми после 2030 года.

Источники и ссылки

• RIKEN
• Национальная лаборатория Ок-Ридж
• EuroHPC Joint Undertaking
• NVIDIA
• Национальная лаборатория Ок-Ридж
• Национальная лаборатория Лос-Аламос
• TOP500
• Национальный институт передовых промышленных наук и технологий
• Национальная лаборатория Лоуренса Ливермора
• Fujitsu
• Европейский Союз