Fugaku

Fugaku — это суперкомпьютер, разработанный японским институтом RIKEN (Центр вычислительных наук) и компанией Fujitsu. На момент запуска в 2020 году он являлся самым мощным суперкомпьютером в мире по версии рейтинга TOP500, занимая первое место с июня 2020 по ноябрь 2021 года. Fugaku предназначен для решения широкого круга научных и инженерных задач, включая моделирование климата, разработку лекарств, материаловедение и исследования в области искусственного интеллекта.

История создания

Проект Fugaku был запущен в 2014 году как часть японской национальной программы по развитию высокопроизводительных вычислений. Основной целью было создание суперкомпьютера, способного превзойти по производительности предшественника — суперкомпьютер K computer, который также был разработан RIKEN и Fujitsu. Fugaku проектировался как преемник, способный достичь пиковой производительности порядка 1 эксафлопса (10¹⁸ операций с плавающей запятой в секунду), хотя официально он не позиционировался как эксафлопсная система.

Разработка велась в сотрудничестве с японскими университетами и исследовательскими институтами. Сборка началась в 2019 году в городе Кобе, в центре вычислительных наук RIKEN. В апреле 2020 года система была запущена в тестовом режиме, а в июне того же года официально признана самой быстрой в мире. Полноценная эксплуатация началась в марте 2021 года.

Архитектура и технические характеристики

Fugaku построен на базе процессоров собственной разработки Fujitsu — A64FX. Это 48-ядерный ARM-процессор (архитектура ARMv8.2-A) с поддержкой 512-битных векторных инструкций Scalable Vector Extension (SVE). Каждый процессор также включает в себя 32 ГБ оперативной памяти HBM2 (High Bandwidth Memory 2), интегрированной в один корпус.

Основные характеристики

Система использует межсоединение Tofu-D — шестое поколение собственной сети Fujitsu, обеспечивающее высокую пропускную способность и низкую задержку между узлами. Сеть построена по топологии 6D-тор, что позволяет эффективно распределять нагрузку.

Программное обеспечение

Fugaku работает под управлением операционной системы на базе Linux (специализированная сборка от Fujitsu). Пользователям доступны стандартные среды программирования (C/C++, Fortran) с поддержкой параллельных моделей MPI, OpenMP и OpenACC. Для работы с искусственным интеллектом реализована поддержка фреймворков PyTorch, TensorFlow и Chainer.

Достижения и рейтинги

Fugaku занимал первое место в рейтинге TOP500 с июня 2020 по ноябрь 2021 года. В ноябре 2020 года он также возглавил рейтинг HPCG (High Performance Conjugate Gradient), который измеряет производительность на задачах с разреженными матрицами, и рейтинг HPL-AI (High Performance Linpack for AI), оценивающий производительность в задачах искусственного интеллекта. Fugaku сохранял лидерство в этих рейтингах до появления суперкомпьютеров Frontier (США) и Aurora (США) в 2022–2023 годах.

По состоянию на 2024 год Fugaku занимает 4-е место в мире по производительности (TOP500), уступая Frontier, Aurora и Eagle (США). Однако он остаётся крупнейшей системой на архитектуре ARM и одной из самых энергоэффективных среди суперкомпьютеров эксафлопсного класса.

Применение

Fugaku используется для решения широкого спектра научных и прикладных задач, как в Японии, так и в международных проектах.

Моделирование климата и погоды

Одним из ключевых направлений является прогнозирование погоды и моделирование климата. С помощью Fugaku проводятся симуляции атмосферных процессов, включая тайфуны и цунами, с высоким пространственным разрешением. В 2020 году на Fugaku была выполнена одна из самых детальных симуляций распространения коронавируса в воздушной среде.

Разработка лекарств и медицинские исследования

Система активно применяется для молекулярного моделирования и поиска новых лекарственных соединений. В частности, на Fugaku проводились расчёты по созданию вакцин и противовирусных препаратов против COVID-19, а также исследования в области онкологии и нейродегенеративных заболеваний.

Материаловедение

В материаловедении Fugaku используется для моделирования свойств новых материалов, включая сверхпроводники, полимеры и наноматериалы. Это позволяет ускорить разработку более эффективных батарей, катализаторов и конструкционных материалов.

Искусственный интеллект

Fugaku поддерживает обучение крупных нейронных сетей, включая модели глубокого обучения и обработку естественного языка. В 2021 году на системе была обучена одна из крупнейших языковых моделей того времени — GPT-3-подобная модель с 1,3 триллиона параметров (совместный проект RIKEN и Fujitsu).

Фундаментальная наука

Система используется для моделирования физических процессов, включая квантовую хромодинамику, астрофизику (симуляции формирования галактик) и ядерную физику.

Энергоэффективность и экология

Fugaku потребляет около 28,3 МВт электроэнергии, что делает его одним из наиболее энергоэффективных суперкомпьютеров в своём классе. Система оснащена системой жидкостного охлаждения, которая отводит тепло от процессоров через медные пластины и воду. Энергоэффективность Fugaku составляет около 14,6 гигафлопс на ватт (по тесту HPL), что соответствует уровню современных эксафлопсных систем.

Критика и ограничения

Несмотря на высокую производительность, Fugaku подвергался критике за относительно низкую пиковую производительность по сравнению с системами на базе GPU (например, Frontier). Fugaku использует только процессоры общего назначения (CPU), что делает его менее эффективным для некоторых задач глубокого обучения, где графические ускорители (GPU) традиционно превосходят CPU. Кроме того, стоимость проекта оценивается в 110 миллиардов иен (около 1 миллиарда долларов США), что вызвало дискуссии о целесообразности таких инвестиций в условиях ограниченного бюджета.

Будущее

Планируется, что Fugaku будет эксплуатироваться до 2030 года. В 2024 году RIKEN объявил о начале разработки следующего поколения суперкомпьютера — Post-Fugaku, который должен достичь производительности порядка 1–2 эксафлопс и быть запущен в 2030-х годах. В рамках этого проекта рассматривается использование процессоров на архитектуре ARM следующего поколения, а также интеграция графических ускорителей.

Источники

• RIKEN Center for Computational Science. «Fugaku Supercomputer». Официальный сайт.
• TOP500.org. «June 2020 — November 2021 Rankings».
• Fujitsu. «Fugaku: Japan’s Next-Generation Supercomputer». Технический документ.
• HPCG Benchmark. «Fugaku Performance Results».
• Nature. «Fugaku: A New Era for Supercomputing in Japan». 2020.
• IEEE Spectrum. «Inside Fugaku, the World’s Fastest Supercomputer». 2021.