По мере того как наши устройства становятся все больше завязаны на интернете, а мы постепенно отходим от парадигмы персональных компьютеров, суперкомпьютеры все меньше и меньше кажутся нам громоздкими и безумными устройствами с тысячами охлаждающих боксов и упорядоченным нагромождением процессоров. Но гигантские параллельные системы — которые похожи на эти самые старые суперкомпьютеры — все еще разрабатываются.
Большинство из нас знает, что такое закон Мура, который по своей сути гласит, что мощность компьютерных чипов удваивается каждые полтора-два года. Это относится не только к нашим компьютерам и смартфонам. Все наши электронные устройства идут по пути усовершенствования: скорость обработки растет, чувствительность датчиков, память и даже пиксели экрана или камеры становятся лучше и лучше. Чипы могут улучшаться и уменьшаться до невообразимых пределов, пока квантовые эффекты не начнут вносить диссонанс. Некоторые эксперты считают, что в течение 50 ближайших лет закон Мура все же ограничит и замедлит развитие компьютерных чипов. Неудивительно, что крупнейшие производители чипов уже сейчас начинают искать альтернативу.
Наши телефоны и планшеты еще долго могут удивлять нас удваивающейся каждые два года мощностью, но за кулисами есть вещи, которые требуют больше — «облака», суперкомпьютеры, мельчайшие вычислительные системы. Давайте попробуем предположить, по какому пути пойдут суперкомпьютеры будущего и как это отразится на общей вычислительной мощи нашей планеты.
Экзафлопс и дальше
Миниатюризация компонентов чипа — это только полдела. По другую сторону медали, суперкомпьютерам нужна специальная сборка для пущей мощности. В 2008 году IBM Roadrunner преодолел предел в один петафлопс: один квадриллион операций в секунду. (Флопс означает «количество операций с плавающей запятой в секунду», и это стандарт, который мы используем, говоря о суперкомпьютерах, которые используются для научных расчетов).
В научном представлении петафлопс измеряется в 10^15 операций в секунду. Экзафлопсный компьютер — который появится в 2019 году, по разным прогнозам — будет иметь производительность в 10^18, в тысячу раз больше, чем петафлопсные компьютеры, которые мы наблюдаем сегодня. Для сравнения: самый мощный из 500 самых быстрых суперкомпьютеров в мире по состоянию на 2014 год «Тяньхэ-1А» обладает производительностью меньше 60 петафлопс. К 2030 году суперкомпьютеры должны набрать производительность в зеттафлопс, или 10^21 операций в секунду, а потом и йоттафлопс, или 10^24.
Что эти цифры на самом деле означают? Предполагается, что полная имитация компьютерного мозга станет возможной к 2025 году, а зеттафлопсовые компьютеры смогут точно предсказывать всю погоду на планете за две недели.
Зеленые суперкомпьютеры
У любой мощности есть своя цена. Если кулер вашего компьютера когда-нибудь ломался или вы сидели с ноутбуком на коленях, вы знаете, чего стоит мощность: компьютеры нагреваются в процессе работы. На самом деле, одна из основных проблем разработчиков суперкомпьютеров связана с поиском разумного пути установки и использования могучих машин без сбоев или ущерба для планеты. В конце концов, одно из главных назначений моделирования погодных условий будет направлено на управление выбросами оксида углерода, так что было бы не очень разумно прибавлять климатологам проблем в процессе решения этих задач.
Компьютер работает крайне плохо, если перегревается. Любая компьютерная система полезна настолько, насколько она работает в свои худшие дни, поэтому охлаждение горячих микросхем представляет крупный интерес для инженеров. Более половины энергии, используемой суперкомпьютерами, уходит на охлаждение. И экологические проблемы уже вызывают серьезную обеспокоенность в свете повышения производительности компьютеров. Зеленые решения и энергоэффективность давно стали основой каждого проекта суперкомпьютера.
От охлаждения «бесплатным воздухом» — то есть инженеры пытаются подвести внешний воздух к системе — до аппаратных конструкций, увеличивающих площадь поверхности системы, ученые пытаются быть максимально инновационными с целью повышения эффективности охлаждения суперкомпьютеров. Одной из наиболее интересных идей, которые пытаются внедрить, является охлаждение системы жидкостью, которая будет собирать тепло по мере течения по трубам в самом компьютере. Проекты, которые входят в топ-500 самых мощных суперкомпьютеров, воспринимают это очень серьезно.
Обращение к проблемам экологии и эффективности не только полезно для нашей планеты, но и необходимо для работы машин. Возможно, это не самый интересный пункт в нашем списке, поэтому давайте пойдем дальше.
Искусственный мозг
Давайте поговорим о том, что должно произойти в период между 2025 и 2030 годами, когда суперкомпьютеры смогут картографировать человеческий мозг. В 1996 году ученый из Сиракузского университета оценил, что наши мозги обладают памятью от 1 до 10 терабайт, в среднем около 3. Конечно, чрезвычайно уместным будет отметить, что наши мозги работают не так, как компьютеры. Но в течение следующих 20 лет компьютеры должны заработать как наши мозги.
Точно так же, как суперкомпьютеры чрезвычайно полезны в картографировании генома человека, решении медицинских проблем и в другом, точные модели человеческого мозга существенно облегчат диагностику, лечение и понимание сложностей человеческой мысли и эмоций. В сочетании с технологией визуализации, врачи смогут выявлять проблемные зоны, моделировать различные формы лечения и даже добраться до корней многих вопросов, которые мучают нас с начала времен. Имплантируемые и прививаемые чипы и другие технологии помогут наблюдать и даже изменять уровень серотонина и других нейромедиаторов для улучшения настроения и общего эмоционального состояния, а неправильная работа отдельных участков мозга в процессе травм, например, и вовсе может быть искоренена.
Помимо успехов в медицине, которые обещают нам суперкомпьютеры, есть также вопрос искусственного интеллекта. Уже сейчас компьютеры средней производительности могут научиться некоторым возможностям искусственного интеллекта, среди которых умная система подборки рекомендаций книг и телевизионных программ — самое меньшее. Представьте себе интернет-врача, который сможет заменить собой настоящего врача и даже целый консилиум лучших врачей мира.
Погодные системы и сложные модели
К 2030 году, как предполагается, зеттафлопные суперкомпьютеры смогут точно смоделировать целую погодную систему Земли за две недели. Мы имеем в виду 100-процентно точную модель всей нашей планеты и экосферы, с местными и глобальными прогнозами, доступными по нажатию кнопки. Если не говорить об очевидно полезных вещах — предсказаний стихийных бедствий, например — представьте, что ваш отпуск или свадьба не будут испорчены погодой, поскольку вы будете знать ее за несколько недель вперед.
Климат Земли — настолько сложная система, что ее часто обсуждают в связи с теорией хаоса, сложность которой некоторые из нас даже и представить не могут. Вопрос о том, может ли взмах крыла бабочки в Бразилии вызвать торнадо в Техасе, перестанет существовать. Короче говоря, сложно даже представить более сложную систему большого масштаба, нежели погода нашей планеты.
Производство продуктов и сельское хозяйство, влияние погоды на другие масштабные научные проекты (полярные экспедиции или запуск космических аппаратов), предсказание стихийных бедствий — это только несколько спасительных вариантов, которые предложит нам вычислительная мощность.
И конечно, погодная система — это только верхушка айсберга. Если вы сможете идеально представить погодные условия, вы так же просто сможете воссоздать любую сложную и большую систему.
Имитация мира
Большинство из нас знакомы с онлайн-играми и может вспомнить, когда симуляторы жизни типа Second Life или The Sims были в моде. Виртуальная реальность всегда была любимым сюжетом научной фантастики. Но если вы умножите ее на возможности суперкомпьютеров, игры и виртуальная среда могут стать больше, чем просто развлечением.
Хотя разработка этакой «Матрицы», безусловно, будет впечатлять, перенос наших повседневных культурных и социальных изменений с целью наблюдения за ними и прогнозирования, могут быть крайне полезны для нашего нестабильного общества. Представьте, как упростятся вопросы городского планирования, застройки новых районов, неравномерного распределения продуктов питания и ресурсов.
Суперкомпьютеры не будут гадать на кофейной гуще: они будут получать информацию из всех возможных источников — от последних твитов в топе до использования энергетической сети на данный момент — и создавать модели, которые помогут регулировать не только текущие факторы, но и будущие планы. Дефицит газа, электричества, воды, планомерное использование этих ресурсов и обеспечение энергией масштабных событий вроде Олимпиады перестанут волновать людей.
С беспроводным интернетом, который захватил страны и весь мир, качественная модель нашего мира в один прекрасный момент не будет отличаться от мира, в котором мы живем. Только сейчас мы начинаем воплощать в жизнь все эти возможности, которые не были бы доступны без суперкомпьютеров.
