Frontier

Frontier — это суперкомпьютер, разработанный компаниями Hewlett Packard Enterprise (HPE) и Cray для Министерства энергетики США (DOE) и Национального управления ядерной безопасности (NNSA). На момент ввода в эксплуатацию в 2022 году Frontier стал первым в мире экзафлопсным суперкомпьютером, способным выполнять более 1,1 квинтиллиона (1,1×10¹⁸) операций с плавающей запятой в секунду (Экзафлопс). Система установлена в Окриджской национальной лаборатории (ORNL) в штате Теннесси, США.

История создания

Предпосылки и финансирование

Разработка Frontier была начата в рамках программы Exascale Computing Project (ECP), инициированной Министерством энергетики США в 2016 году. Целью программы являлось создание суперкомпьютеров нового поколения, способных решать задачи, недоступные для систем предыдущего поколения (петафлопсного уровня). Контракт на строительство Frontier был заключён с HPE и Cray (приобретена HPE в 2019 году) в 2019 году. Общая стоимость проекта оценивается в 600 миллионов долларов США, включая разработку, строительство и эксплуатацию в течение пяти лет.

Строительство и запуск

Сборка системы началась в 2021 году в Окриджской национальной лаборатории. Frontier был официально представлен 30 мая 2022 года, когда проект TOP500 (рейтинг самых мощных суперкомпьютеров мира) подтвердил его производительность в 1,102 Эксфлопс (пиковая — 1,686 Эксфлопс). В июне 2022 года Frontier занял первое место в рейтинге TOP500, опередив предыдущего лидера — японский суперкомпьютер Fugaku (415,5 Петафлопс). В последующие обновления рейтинга (ноябрь 2022, июнь 2023, ноябрь 2023) Frontier сохранял лидерство, демонстрируя стабильный рост производительности до 1,206 Эксфлопс.

Технические характеристики

Архитектура и компоненты

Frontier построен на архитектуре HPE Cray EX, которая объединяет вычислительные узлы с помощью высокоскоростной сети Cray Slingshot. Система состоит из 74 узлов-стоек (cabinets), каждый из которых содержит 64 вычислительных узла. Общее количество узлов — 9 408.

Каждый вычислительный узел включает:

• Процессоры: 1 процессор AMD EPYC 7A53 (Trento) с 64 ядрами (архитектура Zen 3).
• Ускорители: 4 графических процессора AMD Instinct MI250X (архитектура CDNA 2), каждый из которых содержит 220 вычислительных блоков (Compute Units) и 128 ГБ памяти HBM2e.
• Память: 512 ГБ оперативной памяти DDR4 на узел (общая — 4,8 ПБ).

Производительность

• Пиковая производительность: 1,686 Эксфлопс (FP64).
• Достигнутая производительность (Linpack): 1,206 Эксфлопс (по состоянию на ноябрь 2023).
• Энергопотребление: около 21 МВт (мегаватт) при пиковой нагрузке, что даёт энергоэффективность около 52,2 гигафлопс на ватт (по данным HPL-AI Mixed Precision Benchmark).
• Сеть: Cray Slingshot с пропускной способностью 200 Гбит/с на порт.
• Система хранения данных: 700 ПБ (петабайт) на базе файловой системы Lustre.

Охлаждение

Для отвода тепла используется система жидкостного охлаждения с прямым контактом (direct-to-chip cooling), которая циркулирует охлаждающую жидкость через медные пластины, контактирующие с процессорами и ускорителями. Это позволяет поддерживать температуру компонентов в пределах 60–70 °C при высокой плотности тепловыделения (до 50 кВт на стойку).

Применение

Научные задачи

Frontier предназначен для решения задач, требующих огромных вычислительных мощностей, в области:

• Моделирование климата: создание высокодетализированных моделей атмосферы, океанов и ледников для прогнозирования изменений климата с разрешением до 1 км.
• Материаловедение: моделирование поведения материалов на атомном уровне для разработки новых сплавов, катализаторов и полупроводников.
• Астрофизика: симуляция эволюции галактик, чёрных дыр и нейтронных звёзд, включая моделирование слияния нейтронных звёзд с гравитационно-волновыми эффектами.
• Биология и медицина: молекулярное моделирование белков, вирусов (включая SARS-CoV-2) и разработка новых лекарственных препаратов.
• Ядерная энергетика: симуляция процессов в ядерных реакторах и термоядерных установках (например, ITER).

Вклад в национальную безопасность

Как часть программы NNSA, Frontier используется для моделирования ядерных взрывов и оценки безопасности ядерного арсенала США без проведения реальных испытаний. Это включает симуляцию цепных реакций, распространения ударных волн и радиационного воздействия.

Сравнение с другими суперкомпьютерами

Критика и ограничения

Энергопотребление и экология

Несмотря на высокую энергоэффективность, Frontier потребляет около 21 МВт электроэнергии, что сопоставимо с потреблением небольшого города (около 15 000 домов). Это вызывает критику со стороны экологов, указывающих на углеродный след суперкомпьютеров, особенно в условиях, когда электроэнергия в регионе частично вырабатывается из ископаемого топлива.

Сложность программирования

Экзафлопсные системы требуют переписывания алгоритмов для эффективного использования тысяч графических процессоров. Многие научные коды, оптимизированные для процессоров, не могут быть напрямую перенесены на Frontier без значительной адаптации, что замедляет внедрение системы в некоторых областях.

Доступность

Frontier является ресурсом ограниченного доступа: исследования проводятся только по заявкам, одобренным ORNL, и в основном для проектов, финансируемых Министерством энергетики США. Это ограничивает его использование для коммерческих или международных проектов, не связанных с американскими интересами.

Будущее развитие

В 2024–2025 годах ожидается ввод в эксплуатацию суперкомпьютера El Capitan (Ливерморская национальная лаборатория, США), который, по заявлениям разработчиков, может достичь производительности 2 Эксфлопс. Frontier, вероятно, уступит лидерство в рейтинге TOP500, но останется ключевым инструментом для научных исследований. В России работы по созданию экзафлопсных систем ведутся в рамках проекта «Экзафлопсный вычислительный комплекс» (ЭВК), однако на 2024 год ни одна российская система не достигла петафлопсного уровня (наиболее мощная — «Червоненкис» в МГУ, около 0,1 Петафлопс).

Источники

• TOP500 List — June 2022, November 2023.
• Oak Ridge National Laboratory: «Frontier: The World’s First Exascale Supercomputer» (2022).
• Hewlett Packard Enterprise: «HPE Cray EX Supercomputer Architecture» (2021).
• Министерство энергетики США: «Exascale Computing Project Overview» (2020).
• AMD: «AMD Instinct MI250X Accelerator Technical Specifications» (2022).