Summit (суперкомпьютер)

Summit — американский суперкомпьютер, разработанный компанией IBM для Национальной лаборатории Ок-Ридж Министерства энергетики США. На момент ввода в эксплуатацию в 2018 году являлся самой мощной вычислительной системой в мире, превзойдя по производительности китайский Sunway TaihuLight. Summit был спроектирован для решения задач в области искусственного интеллекта, моделирования климата, материаловедения, геномики и физики высоких энергий. Система основана на гибридной архитектуре, сочетающей центральные процессоры IBM POWER9 и графические ускорители NVIDIA Tesla V100.

История создания

Разработка Summit началась в рамках программы Министерства энергетики США CORAL (Collaboration of Oak Ridge, Argonne, and Lawrence Livermore) по созданию суперкомпьютеров экзафлопсного класса. Проект был анонсирован в 2014 году, а контракт на сумму 325 миллионов долларов заключён с IBM, NVIDIA и Mellanox. Сборка системы в здании Национальной лаборатории Ок-Ридж (штат Теннесси) заняла около двух лет. В июне 2018 года Summit был официально запущен, а в ноябре того же года занял первое место в рейтинге TOP500 с пиковой производительностью 200 петафлопс (200 × 10¹⁵ операций с плавающей запятой в секунду). В 2020 году его превзошёл японский суперкомпьютер Fugaku, но Summit оставался в числе лидеров до появления систем Frontier и Aurora.

Архитектура и аппаратное обеспечение

Вычислительные узлы

Summit состоит из 4608 вычислительных узлов (серверов IBM AC922). Каждый узел включает:

• 2 центральных процессора IBM POWER9 (22 ядра, 3,07 ГГц) — всего 9216 процессоров.
• 6 графических ускорителей NVIDIA Tesla V100 (архитектура Volta, 16 ГБ памяти HBM2 каждый) — всего 27 648 GPU.
• 512 ГБ оперативной памяти DDR4 и 96 ГБ высокоскоростной памяти HBM2 на GPU.
• Сеть межсоединений Mellanox EDR InfiniBand (100 Гбит/с) с топологией «неблокирующий толстый дерево».

Общая оперативная память системы составляет более 10 петабайт (10 ПБ), а пиковая производительность достигает 200 петафлопс (FP64) и 3,3 экзафлопс (FP16) при использовании смешанной точности.

Система охлаждения

Summit использует жидкостное охлаждение с прямым контактом (cold plate) для отвода тепла от процессоров и GPU. Вода циркулирует по медным трубкам, проходящим через каждый вычислительный узел. Система потребляет около 13 мегаватт электроэнергии, что делает её одной из самых энергоэффективных среди суперкомпьютеров своего поколения (коэффициент энергоэффективности — 14,7 гигафлопс на ватт).

Хранение данных

Для хранения данных Summit использует параллельную файловую систему IBM Spectrum Scale (GPFS) на базе 250 ПБ флэш-памяти (NVM Express) и 250 ПБ жёстких дисков. Общая пропускная способность подсистемы ввода-вывода составляет 2,5 терабайта в секунду.

Программное обеспечение

Summit работает под управлением операционной системы Red Hat Enterprise Linux (RHEL) с оптимизированным ядром. Основные программные инструменты:

• Компиляторы: IBM XL C/C++/Fortran, GNU Compiler Collection, NVIDIA CUDA.
• Библиотеки: IBM ESSL, NVIDIA cuBLAS, cuDNN, TensorRT.
• Средства управления заданиями: IBM Spectrum LSF (Load Sharing Facility).
• Фреймворки машинного обучения: TensorFlow, PyTorch, Caffe, MXNet, Keras.

Для программирования гибридной архитектуры используется модель MPI + OpenMP + CUDA, а также более высокоуровневые языки, такие как Python с библиотеками NumPy и SciPy.

Применение

Summit используется для решения широкого спектра научных и инженерных задач, требующих огромных вычислительных мощностей.

Искусственный интеллект и машинное обучение

Благодаря тысячам GPU, Summit способен обучать нейронные сети с миллиардами параметров. В 2019 году на нём была обучена модель DeepSpeech для распознавания речи, а также проведены эксперименты по генерации молекул для новых лекарств. В 2020 году система использовалась для моделирования распространения вируса SARS-CoV-2 и поиска потенциальных противовирусных препаратов (например, ремдесивир и фавипиравир).

Моделирование климата и погоды

Summit применяется для климатических симуляций в рамках проекта Energy Exascale Earth System Model (E3SM). В 2019 году на нём была выполнена симуляция урагана «Харви» (2017) с разрешением 3 км, что позволило уточнить прогнозы осадков и ветра.

Материаловедение и химия

С помощью Summit проводятся квантово-химические расчёты (метод функционала плотности, DFT) для разработки новых материалов — от сверхпроводников до катализаторов. В 2020 году на системе была смоделирована структура белка шипа коронавируса, что помогло в разработке вакцин.

Физика высоких энергий

Summit участвует в обработке данных с Большого адронного коллайдера (ЦЕРН) и в моделировании квантовой хромодинамики (QCD). В 2019 году на нём была выполнена симуляция столкновения ядер золота для изучения кварк-глюонной плазмы.

Геномика и биоинформатика

Система используется для анализа геномов (например, проекта «Геном человека»), поиска генетических маркеров заболеваний и разработки персонализированной медицины. В 2018 году на Summit была выполнена сборка генома арабидопсиса (растение) за 1,5 часа вместо нескольких недель на обычных кластерах.

Критика и ограничения

Несмотря на высокую производительность, Summit подвергается критике по нескольким причинам:

• Энергопотребление: 13 МВт электроэнергии — это сопоставимо с потреблением небольшого города. Эксплуатационные расходы составляют около 10 миллионов долларов в год.
• Сложность программирования: гибридная архитектура (CPU + GPU) требует от разработчиков глубоких знаний в области параллельного программирования, что ограничивает круг пользователей.
• Устаревание: к 2024 году Summit уступает по производительности новым экзафлопсным системам (Frontier, Aurora, Fugaku), а также китайским суперкомпьютерам, таким как Tianhe-3.
• Зависимость от NVIDIA: использование проприетарных GPU делает систему уязвимой к изменениям в политике компании (например, ограничениям на экспорт в Китай).

Интересные факты

• Summit занимает площадь около 520 квадратных метров (примерно два теннисных корта).
• Общая длина кабелей в системе превышает 200 километров.
• В 2019 году Summit установил рекорд по скорости обработки данных: 1,88 экзафлопс при использовании смешанной точности (FP16).
• Система названа в честь горы Summit (США), расположенной в штате Теннесси.
• В 2020 году Summit был использован для моделирования поведения 8000 молекул в поиске лекарства от COVID-19, что сократило время расчётов с нескольких лет до нескольких дней.

Источники

• TOP500.org — список самых мощных суперкомпьютеров мира (2018–2020).
• Официальный сайт Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL) — раздел «Summit Supercomputer».
• IBM — техническая документация по системе IBM AC922.
• NVIDIA — материалы по архитектуре Tesla V100 и Volta.
• Статья «Summit: The New Supercomputer at Oak Ridge» в журнале IEEE Computer (2018).
• Отчёт Министерства энергетики США «CORAL: A Collaborative Approach to Exascale Computing» (2014).