Siêu máy tính

Siêu máy tính Cray XT5 Kraken, được quản lý bởi đại học Tennessee, Hoa Kỳ, với hơn 99 nghìn lõi xử lý, mỗi lõi có 1 gigabyte bộ nhớ

Siêu máy tính (tiếng Anh supercomputer) là hệ thống các bộ xử lý kết hợp theo một kiến trúc đặc biệt với các phần mềm phù hợp để tạo nên sức mạnh vượt xa về hiệu năng và tốc độ tính toán so với máy tính thông thường. Các bộ xử lý được sử dụng trong các siêu máy tính bao gồm cả các bộ xử lý trung tâm (CPU) và các bộ xử lý khác như các bộ xử lý đồ họa (GPU), bộ xử lý tăng tốc (APU)...

Có thể tạo ra siêu máy tính từ nhiều máy tính được nối với nhau và chạy các phần mềm đặc biệt. Những vấn đề lớn được chia nhỏ ra để sau đó có thể giải quyết cùng một lúc nhằm vượt qua các hạn chế vật lý củ̉a máy tính thông thường. Khi tăng tần số hoạt động của linh kiện điện tử sẽ làm tăng tiêu thụ điện năng và phát tán thêm nhiệt, gây mất ổn định, do đó người ta chế tạo ra các bộ xử lí đa lõi (vd. Intel Xeon, AMD Opteron) và cách làm mát phức tạp (vd. bằng heli hoá lỏng).

Siêu máy tính hiện đại thường sử dụng kiến trúc song song với các bộ xử lý, hệ điều hành và các phần mềm ứng dụng cho phép tính toán và thực hiện đồng thời các tiến trình ở một hoặc vài dạng mức khác nhau: mức bit, mức chỉ thị, dạng song song dữ liệu hoặc song song tác vụ. Song song dữ liệu là song song hoá xuyên suốt nhiều bộ xử lý trong môi trường tính toán song song; tập trung vào việc phân phối dữ liệu qua các nút khác nhau, các nút này hoạt động song song trên dữ liệu. Nó có thể được áp dụng trên các cấu trúc dữ liệu thông thường như mảng và ma trận bằng cách làm việc song song trên từng phần tử. Ngược lại, song song tác vụ (còn gọi là song song chức năng và song song điều khiển) là một dạng song song hoá của mã máy tính xuyên suốt nhiều bộ xử lý trong môi trường tính toán song song. Song song tác vụ tập trung vào việc phân phối các tác vụ - được thực hiện đồng thời bởi các quy trình hoặc luồng - trên các bộ xử lý khác nhau. Một loại song song tác vụ phổ biến gọi là "nối ống" (pipelining) bao gồm việc di chuyển một tập dữ liệu đơn lẻ thông qua một loạt các tác vụ riêng biệt trong đó mỗi tác vụ có thể thực thi độc lập với các tác vụ khác.

Đã từng có khá nhiều siêu máy tính ra đời. Ví dụ máy Atlas năm 1962 có thể thực hiện 1MIPS (MIPS: triệu chỉ thị/giây). Năm 1976, máy Cray-1 của Phòng thí nghiệm quốc gia Mỹ tại Los Alamos đạt 250 triệu FLOPS (FLOPS: phép tính dấu phảy động/giây). Năm 2013, máy Tianhe-2 ở Đại học Quốc gia Công nghệ Quốc phòng Trung Quốc đưa tốc độ lên 33.862 nghìn tỉ FLOPS. Được chế tạo bởi 1.300 kĩ sư, Tianhe-2 trị giá 390 triệu USD, gồm 80.000 bộ xử lý Intel Xeon 2,2 GHz chạy trên nền hệ điều hành Linux, bộ nhớ RAM lớn 1.375 TiB, công suất điện 17, 8 MW. Năm 2021, siêu máy tính số một trong danh sách TOP500 là Fugaku trị giá khoảng 1 tỷ USD được lắp đặt tại Trung tâm Khoa học Tính toán RIKEN ở Kobe, Nhật Bản. Fugaku là một tổ hợp kết nối 158.976 CPU riêng lẻ, dựa trên hệ thống chip A64FX 48 lõi của Fujitsu. Theo công bố chính thức, gói hiệu suất cao HPL (High Performance Linpack) của Fugaku đạt mức 415,5 petaflop – mạnh hơn gần gấp 3 lần so với Summit của IBM đã nhiều năm giữ vị trí số 1 trên toàn cầu với chỉ số 148,8 petaflop. Hiệu suất cực đại của Fugaku còn có thể lên tới 1.000 petaflop, tức là giúp nó tiến vào giới hạn exaflop (triệu tỷ flop), một tiêu chuẩn tương lai của siêu máy tính.

Cho đến cuối thế kỉ XX, khách hàng của siêu máy tính chủ yếu là một số công ty rất lớn và các cơ quan chính phủ, đặc biệt trong lĩnh vực quốc phòng. Khi đó siêu máy tính thường được sử dụng trong những nhiệm vụ đòi hỏi xử lý khối lượng dữ liệu cực lớn, vd. dự báo thời tiết xuyên biên giới và nghiên cứu vũ khí chiến lược. Hiện nay, các nhà chế tạo siêu máy tính đang hướng tới cả những khách hàng có các hoạt động khác như phân tích thị trường chứng khoán, thiết kế ô tô, máy bay, tạo các hiệu ứng đặc biệt cho phim và các tác phẩm nghệ thuật phức tạp, v.v.

Tài liệu tham khảo

1. Carlos R. Morrison, Build Supercomputers with Raspberry Pi 3, Publisher: Packt Publishing, 2017. ISBN-10: 1787282589, ISBN-13: 978-1787282582
2. Veljko MilutinovicMilos, KotlarMarko, StojanovicIgor, DundicNemanja, TrifunovicZoran Babovic, DataFlow Supercomputing Essentials, Publisher: Springer, 1st ed.2017. ASIN: B0787XRRRW
3. Voevodin Vladimir, Sobolev Sergey (Eds.), Supercomputing, Moscow, Third Russian Supercomputing Days, Revised Selected Papers, Publisher: Springer International Publishing, 2017. ISBN-13: 978-3-319-71255-0