Trên thế giới hiện nay có nhiều siêu máy tính và đây được xem như là cuộc đua công nghệ giữa các quốc gia. Khi nghe cụm từ về siêu máy tính điều đầu tiên bạn nghĩ đó là một máy tính to khổng lồ, có tốc độ xử lý vượt xa máy tính thông thường. Vậy thực tế siêu máy tính là gì? Siêu máy tính có cấu tạo như thế nào và được dùng để làm gì? Hãy cùng Vietnix đi tìm giải đáp về chủ đề này ngay sau bài viết bên dưới.
Siêu máy tính là gì?
Siêu máy tính hay còn có tên gọi là Supercomputer là một loại máy tính có tốc độ xử lý vượt trội hơn rất nhiều so với máy tính để bàn hay hay máy tính xách tay. Đây là một thiết bị khổng lồ có khả năng tính toán gấp hàng triệu lần so với máy tính thông thường do đó siêu máy tính không phải là loại được sử dụng để soạn thảo văn bản hay dùng để chơi game.
Tốc độ xử lý của siêu máy tính được tính bằng hàng nghìn teraflop (1 teraflop bằng một nghìn tỷ phép tính/giây) tương đương với tổng tốc độ xử lý của 6000 máy tính tiên tiến nhất hiện nay cộng lại. Vì thế siêu máy tính được dùng vào việc nghiên cứu khoa học và xử lý các tác vụ tính toán phức tạp.
Một máy tính thông thường hoạt động dựa trên nguyên lý xử lý tuần tự, nghĩa là thực hiện lấy dữ liệu (input), sau đó lưu trữ và xử lý dữ liệu và cuối cùng tạo ra một kết quả (output). Trong khi đó siêu máy tính hoạt động theo nguyên lý xử lý song song các tác vụ cùng một thời điểm. Và việc xử lý đồng thời các tác vụ nghĩa là tập trung nhiều việc xử lý cùng một lúc nên siêu máy tính là tập hợp gồm nhiều máy tính làm cho chúng có kích thước khổng lồ.
Lịch sử phát triển của siêu máy tính
- Ngày 15/2/1946: siêu máy tính đầu tiên ENIAC do John Mauchly và J. Presper Eckert thiết kế xây dựng và lắp đặt được ra mắt. Cỗ máy khổng lồ có chiều dài khoảng 25m và nặng 30 tấn.
- 1953: máy tính lớn IBM 701 được phát triển thành công, bán cho cơ quan chính phủ và quân đội khoảng 20 chiếc.
- 1956: IBM phát triển thành công siêu máy tính Stretch phục vụ cho phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos.
- 1964: Mẫu máy tính CDC6600 ra đời với tốc độ giải quyết lên đến 3 triệu phép tính/giây.
- 1960-1970: thế giới có nhiều siêu máy tính như máy tính Atlas của đại học Manchester, IBM 7030 Stretch, hệ thống Nghiên cứu Nguyên tử Livermore (LARC). Các siêu máy tính này nhằm phục vụ chủ yếu cho nhu cầu dự báo thời tiết, nghiên cứu khí động lực học, chế tạo ô tô, máy bay, tên lửa.
- 1980-2000: giai đoạn phát triển siêu máy tính tìm xác suất, mô phỏng 3D và mô hình phóng xạ.
- Thế kỷ 21: là thời đại của siêu máy tính hiện đại và có nhiều tích hợp, ứng dụng cùng với sự phát triển của AI.
Kiến trúc
Siêu máy tính ban đầu được thiết kế theo kỹ thuật tính toán song song, nhỏ gọn để đạt hiệu suất tính toán cao. Kiến trúc của siêu máy tính là tập hợp một số lượng lớn CPU để thực hiện tính toán một tập hợp các phép tính cụ thể trong cùng một thời điểm. Các tính toán được thực hiện song song theo hai cách phổ biến sau:
- Điện toán phân tán: Một mạng máy tính trung tâm (control Node) được hình thành do nhiều máy tính nhỏ trên cả nước được liên kết với nhau. Trong mạng này sẽ có một máy chính chỉ đạo và giao nhiệm vụ cho các máy con xử lý.
- Điện toán tập trung: Là một cụm máy tính (computer cluster) được tạo thành từ nhiều CPU ở gần nhau. Các CPU này nằm trong nhiều máy tính giống nhau, gần nhau gọi là các node và được kết nối để tạo ra một hệ thống lớn, hoàn thiện hơn. Cả hệ thống này được xem như là một siêu máy tính duy nhất và loại này chiếm hơn 80% hệ thống siêu máy tính trên toàn cầu.
Phần cứng
Một siêu máy tính được hoàn thiện từ nhiều CPU, thanh RAM, GPU, tản nhiệt,… và được liên kết với nhau bằng cáp đồng hoặc cáp quang để đảm bảo băng thông tốt hơn. Những năm 1970, siêu máy tính chỉ sử dụng một số bộ xử lý, đến năm 1990 số lượng CPU đã tăng lên hàng nghìn cái và ngày nay số lượng này là hàng chục nghìn.
Phần cứng của siêu máy tính còn có ổ đĩa lưu trữ và ổ cứng HDD, SSD. Tuy nhiên SSD lại không nằm trong máy (DAS-Direct Attached Storage) giống như trên PC, SSD được đặt trong một vị trí riêng (SAN-Storage Area Network) có kết nối mạng riêng. Ngoài ra, GPU cũng được sử dụng để tăng thêm sức mạnh cho siêu máy tính cho mục đích phân tích dữ liệu lớn.
Phần mềm
Hệ điều hành của siêu máy tính phổ biến nhất là Linux, mặc dù cũng có hệ điều hành Windows, BSD nhưng không được sử dụng phổ biến. Siêu máy tính sử dụng các phần mềm để mô phỏng biến đổi khí hậu, tương tác nguyên tử hoặc thực hiện các phép tính toán phức tạp để phục vụ y học, khoa học vũ trụ,….
Ở hầu hết các trường hợp, PVM, MPI được sử dụng cho hệ thống cluster, trong khi đó OpenMP lại được sử dụng cho các bộ nhớ chia sẻ. Thuật toán cũng được tối ưu hóa để tận dụng nhiều CPU và GPU của siêu máy tính, đảm bảo hiệu suất cao nhất cho các tác vụ tính toán phức tạp.
Các loại siêu máy tính
Siêu máy tính có thể được phân thành 2 loại cơ bản, Computer cluster là loại sử dụng một lượng lớn CPU đặt gần nhau theo kiểu điện toán tập trung. Loại thứ 2 là các máy tính nhỏ nằm ở xa (xa về mặt địa lý) và được kết nối với nhau theo kiểu điện toán phân tán. Sau đây là một số loại siêu máy tính mạnh nhất thế giới hiện nay:
- Lassen (18,2 petaflop)
Lassen là một phiên bản siêu máy tính chưa được phân loại của Sierra. Cỗ máy này tăng tốc độ từ 15,4 petaflop lên 18.2 petaflop trong vòng một năm. Lassen có kiến trúc IBM Power9 / NVIDIA V100 GPO.
- SuperMUC-NG Super (19,5 petaflop)
SuperMUC-NG Super là siêu máy tính lớn nhất tại Đức ở trung tâm siêu điện toán Leibniz, có tốc độ 19,5 petaflop. Hiện SuperMUC-NG được chạy trên hệ thống máy chủ IBM iDataPlex với 300TB RAM cùng với công nghệ InfiniBand siêu kết nối, đảm bảo 147.456 lõi xử lý được hoạt động đồng nhất.
- Al Bridging Cloud Infrastructure (19,9 petaflop)
Siêu máy tính Al Bridging Cloud Infrastructure có tốc độ 19,9 petaflop được đặt tại Viện Khoa học và Công Nghệ tiên tiến Quốc gia Nhật Bản. Đây là cỗ máy tiết kiệm năng lượng được thiết lập bởi máy chủ Primergy CX2550, bộ xử lý Xeon Gold và GPU Nvidia Testa V100 với hiệu suất năng lượng 12,05 gigaflop/watt.
- Trinity (20,2 petaflop)
Trinity là một hệ thống Cray XC40, được phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos và Sandia vận hành, tốc độ tối đa mà Trinity đạt được là 20,2 petaflop. Siêu máy tính này sử dụng bộ xử lý Intel Xeon và Xeon Phi, đạt hiệu suất năng lượng là 3.678 gigaflop/watt.
- Piz Daint (21,2 petaflop)
Piz Daint được đặt tại Lugano, trung tâm siêu máy tính Quốc gia Thụy Sĩ. Piz Daint có hệ thống Cray XC50 được trang bị CPU Intel Xeon và GPU NVIDIA Tesla P100, có hiệu suất 21.2 petaflop.
- Frontera (23,5 petaflop)
Siêu máy tính Frontera là tập hợp hệ thống Dell C6420 với bộ xử lý Intel Xeon Platinum 8280, hiệu suất 23,5 petaflop. Máy được đặt tại trung tâm máy tính Texas thuộc Đại học Texas, Austin.
- Milky Way 2A (61,4 petaflop)
Milky Way 2A được lắp đặt tại trung tâm siêu máy tính Quốc gia Quảng Châu, Trung Quốc do Đại học Công nghệ Quốc phòng Trung Quốc phát triển. Siêu máy tính này được cấp năng lượng từ 5 triệu lõi của bộ xử lý Intel Xeon E5-2692v2 và Matrix-2000 đạt hiệu suất 61,4 petaflop và hiệu suất năng lượng 3,325 gigaflop/watt.
- Sunway TaihuLight (93 petaflop)
Sunway TaihuLight đặt tại trung tâm siêu máy tính Quốc gia Vô Tích, Trung Quốc có hiệu suất HPL là 93 petaflop. Siêu máy tính Sunway TaihuLight không được trang bị chip tăng tốc mà được dựa trên 40.960 bộ xử lý Sunway 26010 (mỗi bộ có 260 lõi), hiệu suất năng lượng 6.051 gigaflop/watt.
- Sierra (94,6 petaflop)
Siêu máy tính Sierra do IBM thiết kế cho phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore ở California, với hiệu suất 94,6 petaflop. Siêu máy tính Sierra được cấp bởi bộ xử lý IBM Power9 với 1.572.480 lõi và 1.382.400 lõi của bộ tăng tốc Nvidia Volta.
- Summit (187,66 petaflop)
Siêu máy tính Summit được trang bị bởi bộ xử lý IBM Power9 với 2.282.544 lõi và bộ xử lý Nvidia Volta GV100 với 2.090.880 lõi. Hiệu suất lý thuyết là 187,66 petaflop và hiệu suất năng lượng là 11.324 gigaflop/watt.
- Fugaku (442 petaflop)
Siêu máy tính Fugaku do Công ty Công nghiệp Fujitsu và Viện nghiên cứu khoa học Riken phát triển và được lắp đặt tại Kobe, Nhật Bản. Fugaku được xây dựng dựa trên cấu trúc ARM hệ mới nhất, thực hiện 415 triệu phép tính mỗi giấy nhanh gấp 2.8 lần Summit.
Ai nên sử dụng siêu máy tính?
Đã là siêu máy tính thì chắc chắn không được dùng cho các cá nhân hay tổ chức nhỏ thông thường, siêu máy tính được sử dụng cho các nhà nghiên cứu khoa học. Đó có thể là các nghiên cứu các phương pháp mô phỏng phản ứng của mặt trời, nghiên cứu hệ thống vật lý động cơ máy bay, tên lửa, nghiên cứu về khí hậu Trái Đất, địa chất hay nghiên cứu về hệ thống mạch máu ở người,… Sở dĩ như thế bởi công việc nghiên cứu đòi hỏi người nghiên cứu phải đưa ra các quyết định hay chính sách dựa trên kết quả tính toán chính xác được phát hiện.
Vai trò của siêu máy tính trong các lĩnh vực khác nhau
Siêu máy tính đã trở thành một cỗ máy khổng lồ cực kỳ quan trọng trong nghiên cứu khoa học và các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi giải quyết các vấn đề phức tạp cùng khả năng xử lý các tính toán cao. Ứng dụng của siêu máy tính qua các thời kỳ như sau:
- Thập niên 70, siêu máy tính được dùng để mô phỏng khí hậu, đưa ra các dự báo về thời tiết, nghiên cứu khí động lực học, chế tạo tên lửa, máy bay, ô tô.
- Thập niên 80, siêu máy tính được ứng dụng để tìm xác suất, mô phỏng chống phóng xạ.
- Thập niên 90, siêu máy tính được ứng dụng để bẻ khóa mật mã bằng hình thức brute force.
- Những năm 2000, siêu máy tính được ứng dụng để lập mô hình 3D để mô hình hóa thử nghiệm bom hạt nhân nhằm tính toán những thiệt hại xảy ra.
- Ngày nay siêu máy tính được ứng dụng để nghiên cứu môi trường lượng tử, quan sát vũ trụ, ứng dụng trong y khoa,…
Ứng dụng thực tiễn của siêu máy tính
Dưới đây là một số ứng dụng thực tiễn của siêu máy tính như:
- Nghiên cứu biến đổi khí hậu, mô phỏng động đất, dự báo thời tiết.
- Phân tích xác suất, mô phỏng mô hình phóng xạ.
- Sinh học lượng tử, phân tử tế bào.
- Nghiên cứu thiên văn học.
- Tái tạo vụ nổ Bigbang.
- Nghiên cứu trí tuệ nhân tạo AI.
- Mô phỏng não bộ người.
So sánh siêu máy tính với máy tính thông thường
- Máy tính thông thường: Có thiết kế để bất kỳ ai cũng có thể sử dụng được. Máy tính thông thường gồm có hệ điều hành và giao diện thân thiện với người dùng, người dùng có thể truy cập và thực hiện các thao tác đơn giản.
- Siêu máy tính: Siêu máy tính được cấu thành từ nhiều khối máy tính liên kết với nhau để tạo ra một bộ máy thống nhất. Siêu máy tính được sử dụng cho các lĩnh vực đòi hỏi có tính phân tích nâng cao như khoa học, vật lý,… Một siêu máy tính có dung lượng bộ nhớ khổng lồ là tập hợp vài trăm máy tính nhỏ, mỗi máy tính nhỏ được cấu hình cực kỳ mạnh mẽ.
Câu hỏi thường gặp
Các hãng siêu máy tính nổi tiếng
Các hãng siêu máy tính nổi tiếng trên thế giới có thể kể đến đó là: IBM, HP, Cray, Dell, NEC, Intel, Lenovo, Acer, Oracle, Fujitsu,….
Liệu có thể kết hợp nhiều máy tính để bàn thành một siêu máy tính hay không?
Đây là một vấn để cũng đã được nghiên cứu trong và ngoài nước tuy nhiên vẫn chưa có kết quả trả lời chính xác cho câu hỏi này. Kết nối máy tính bàn với nhau sẽ được truyền qua dây LAN và dây LAN có độ trễ khi truyền dữ liệu giữa các máy dẫn đến việc tính toán bị chậm hơn khi không có kết nối.
Siêu máy tính mạnh nhất thế giới là loại nào?
Tại mỗi thời điểm cụ thể sẽ có một siêu máy tính mạnh nhất, bởi vì sự phát triển mỗi ngày của công nghệ. Các siêu máy tính mới sẽ có cấu hình mạnh hơn so với siêu máy tính trước đó. Top 5 siêu máy tính mạnh nhất thế giới hiện nay là Frontier, Fugaku, LUMI, Submit, Sierra.
Siêu máy tính Việt Nam là loại nào?
Siêu máy tính Việt Nam là NVIDIA DGX A100 được sử dụng trong các viện nghiên cứu, Siêu máy tính HPC được sử dụng để giải các bài toán khoa học. Và siêu máy tính NVIDIA DGX SuperPOD đã được lắp đặt tại VinAI. Việc lắp đặt siêu máy tính này ở Việt Nam nhằm phục vụ cho công việc nghiên cứu xe điện tự hành, chăm sóc sức khỏe con người, dịch vụ người tiêu dùng.
Siêu máy tính lượng tử là gì?
Siêu máy tính lượng tử là một máy tính sử dụng trực tiếp các hiệu ứng cơ học lượng tử như tính chồng chập, vướng víu lượng tử để thực hiện các phép tính toán. Máy tính lượng tử có phần cứng khác biệt hoàn toàn so với máy tính thông thường dựa trên tranzitor.
Siêu máy tính Frontier có sức mạnh như thế nào?
Siêu máy tính Frontier có sức mạnh hàng đầu thế giới vì được trang bị chip AMD Trento. Siêu máy tính Frontier đạt hiệu năng đỉnh điểm là 1.69 Exaflop, Frontier kết nối với hệ thống lưu trữ dung lượng lên đến 700 petabyte, băng thông 75 TB/s. Metadata được lưu vào 480 ổ SSD với tổng dung lượng 10PB, 47.700 ổ cứng PMR cung cấp dung lượng 679PB.
Siêu máy tính Summit bắt nguồn từ đâu?
Siêu máy tính Submit ở Hoa Kỳ và được đặt tại trung tâm nghiên cứu Oak Ridge. Submit sử dụng kiến trúc Power9 và GPU NVIDIA đạt hiệu suất đáng kinh ngạc, tốc độ tính toán lên đến 200 petaflops.
Máy tính lớn là gì?
Máy tính lớn là máy tính có kích thước lớn, có thể nhận lên đến hàng ngàn lệnh cùng một lúc. Máy tính lớn dùng để chạy các ứng dụng lớn và xử lý khối lượng dữ liệu lớn như thực hiện điều tra dân số, thống kê doanh nghiệp, khách hàng hay các giao thức thương mại. Máy tính lớn thường được sử dụng cho các ngân hàng, công ty bảo hiểm,…
Lời kết
Bài viết trên đây đã giải thích khái niệm về siêu máy tính là gì và những ứng dụng thực tiễn của siêu máy tính trong xã hội. Với sự cải tiến và phát triển không ngừng của siêu máy tính chắc chắn sẽ đưa con người khám phá ra nhiều bí mật khoa học công nghệ trong tương lai. Hy vọng qua bài viết bạn đã nhận ra được tầm quan trọng của siêu máy tính và những ảnh hưởng của chúng đến sự phát triển toàn diện của xã hội.
