Khi nào siêu máy chủ tầm exa xuất hiện?

Cuộc đua về siêu máy tính đang chuyển sang một đích đến mới: siêu máy tính có khả năng xử lý 1 tỷ tỉ (10¹⁸) phép tính dấu chấm động mỗi giây (1 exaflops). Một hệ thống như vậy sẽ cần đợt tái thiết tổng thể về cách vận hành, cách dữ liệu di chuyển và cách chúng được lập trình. Đây là một quy trình mà có lẽ trong quãng thời gian 8 năm nữa con người chúng ta mới có thể đạt đến được. Nhưng bước đầu, hạt giống cho thành công tương lai đang được phát triển nơi 2 sản phẩm, có thể trong 2 năm tới sẽ xuất hiện.

Trung Quốc và Nhật Bản đều có vẻ như đang tập trung xây dựng một siêu máy tính tầm exa từ nay cho đến năm 2020. Còn với Mỹ, theo các chuyên gia thì có lẽ họ bắt đầu bắt tay xây dựng siêu máy tính exa thực tế đầu tiên sớm nhất là vào năm 2023. Để đạt được mục tiêu đó, các kỹ sư sẽ cần đến 3 thứ. Đầu tiên, họ cần kiến trúc máy tính mới, có khả năng kết hợp chục ngàn CPU và bộ xử lý đồ họa lại. Thứ 2, cần giải quyết được vấn đề chi phí điện năng để di chuyển dữ liệu từ bộ nhớ đến bộ xử lý. Cuối cùng, nhà phát triển phần mềm sẽ phải học cách viết ra chương trình có thể tận dụng kiến trúc ấy.

Phòng lab Lawrence Livermore tại Mỹ, là nơi đặt siêu máy tính Sequoia.

Ở mức độ nào đó, việc này còn tùy vào ngân sách mà quốc gia đầu tư. Nhật hay Trung Quốc đều có thể xây ngay được một hệ thống máy tính exa nhưng đó là điều không khả thi khi xét về chi phí và điện năng mà hệ thống cần để vận hành.

Đơn giản chỉ việc nâng tầm kiến trúc siêu máy tính hiện nay là một quốc gia nào đó có thể tạo được một siêu máy tính exa, nhưng năng lượng mà hệ thống ấy cần tương đương với công suất của một nhà máy điện hạt nhân, tầm gigawatt. Đối với Mỹ, chính phủ nước này hy vọng sẽ sản xuất được siêu máy tính tầm exa ở khía cạnh thực tế hơn, nghĩa là sau năm 2023 họ mới tính đến chuyện này, nghĩa là chi phí cho một siêu máy tính exa lúc ấy sẽ có chi phí khoảng 200 triệu USD và điện năng tiêu tốn sẽ từ 20 đến 30 megawatt (1 megawatt cho một phòng lab tại Mỹ khoảng 1 triệu USD một năm).

Mới đây, bộ năng lượng Mỹ cho biết họ sẽ đầu tư 325 triệu USD cho 2 siêu máy tính, với năng lực tính toán khoảng bằng 1/10 siêu máy tính exa, do IBM, Mellanox, NVIDIA và một số công ty khác cùng phát triển, dự kiến ra mắt vào năm 2017. Hai siêu máy tính này sẽ có tên là Summit và Sierra, dựa trên một kiến trúc mới, thu hẹp quãng đường truyền dữ liệu giữa GPU của NVIDIA và CPU của IBM. Phương pháp này sẽ tối thiểu năng lượng di chuyển dữ liệu giữa lưu trữ bộ nhớ và bộ xử lý, là bước đệm quan trọng để tiến đến siêu máy tính tầm exa.

Điện toán tầm exa sẽ cần thêm nhiều nghiên cứu, phát triển về bộ nhớ và các kết nối cần tiêu thụ ít năng lượng hơn, mới mong cải thiện được năng lực xử lý cho hệ thống. Hơn nữa, siêu máy tính exa có thể cũng cần một số công nghệ khác như silicon photonic, sử dụng tia laser để tạo liên kết dữ liệuđiện năng thấp bên trong hệ thống.

Điện năng và chi phí không chỉ là vấn đề cho việc xây dựng một hệ thống exa thực tế. Rủi ro về hỏng hóc phần cứng tăng cao hơn khi siêu máy tính mới có nhiều linh kiện hơn trước. Chiếc siêu máy tính Sequoia của IBM cứ từ 3,5 đến 7 ngày lại bị hỏng hóc một lần. Đối với một siêu máy tính exa, thời gian này có thể là 30 phút gặp trục trặc 1 lần.

Do vậy, khó có thể có đủ thời gian cho các nhà nghiên cứu chạy giả lập phức tạp cần nhiều thời gian. Nhưng phần mềm có thể tự động khởi động lại chương trình, giúp hệ thống có thể tự phục hồi từ lỗi phần cứng. Như đề cập trên, ứng dụng phần mềm cũng cần có khả năng chạy được hàng trăm ngàn CPU song song nhau. Do vậy lập trình sẽ phức tạp hơn đối với kiến trúc mới, vì còn kèm thêm cả khả năng xử lý GPU. Đó là lý do tại sao NVIDIA và công ty đối tác hiện đang làm việc với Summit và Sierra đã tiếp cận đến hàng ngàn nhà phát triển ứng dụng tại các đại học trên toàn cầu để đào tạo cho họ về các bộ tăng tốc đồ họa.

Ngoài Sierra và Summit, Bộ năng lượng Mỹ cũng vừa đầu tư 100 triệu USD khác để tiến lên điện toán tầm exa. Số tiền này không chỉ đi vào các phòng lab tại Mỹ, mà kiến trúc mới cần cho điện toán exa cần được phổ biến rộng rãi hơn cho các tập đoàn kinh doanh.