Kdo má větší superpočítač? Česko se zapojilo do novodobého zbrojení

Výpočetní výkon, počítaný v petaflopech za sekundu, tedy hantýrkou řečeno flopsech, je v 21. století klíčový. Státům umožňuje, aby dokázaly vymyslet ještě pokročilejší technologie, které je udrží na strategických pozicích.

Výhodou tohoto novodobého zbrojení je, že výsledky z výzkumu na superpočítačích se mezi obyčejné lidi dostanou rychleji. Rozhodně rychleji než ty z toho vesmírného. To je dobrá zpráva pro firmy, které si také můžou sáhnout na svůj kousek „procesorového času“.

​Výkon z Česka

Luboš Kolář je vzácný člověk. Specialista firmy Hewlett Packard Enterprise (HPE) je tím, kdo v Česku koordinuje instalace nejvýkonnějších superpočítačů. Mimo to je součástí HPE týmu, který také dohlíží na budování v současnosti nejvýkonnější evropské infrastruktury: superpočítače LUMI. Ten roste ve finském městě Kajaani za polárním kruhem.

„V současnosti asi neexistuje země, která by mohla říct, že má výpočetního výkonu dost. Všichni, nejen výzkumníci, ale i vývojáři ve firmách, mají spoustu otázek, které by šlo počítačům zadat, a další se překotně rodí,“ líčí Kolář.

V Česku stojí vedle vědeckého superpočítače s názvem Karolina v ostravském národním centru IT4Innovations třeba i za tím komerčním v mladoboleslavské Škodě Auto. Zprostředkovaně se tak už mnoho let podílí na budování tamního vývojového centra, kde se nachází největší české komerční datacentrum s výpočetním clustrem (High performance computing, HPC – viz box Rychlé počty vpravo).

Vybudovat něco takového se ve Škodovce nerozhodli ze dne na den. Předcházel tomu postupný mnohaletý vývoj a především moment, kdy už se bylo nutné rozhodnout, jak dál. „Auta se tady vyrábějí skoro 130 let, z toho od určitého momentu za pomoci počítačových technologií a od jiného za pomoci digitálního prototypingu – vytvoříte digitální model a na něm pomocí výpočtů simulujete projevy různých konstrukčních změn, vlastností materiálů a interakce s okolním prostředím během jízdy. To se nejdřív všechno dělo na pracovních stanicích, pak na serverech a někdy od roku 2010 se tady buduje a pravidelně rozšiřuje HPC prostředí založené na výpočetních clusterech,“ líčí Kolář.

Aerodynamický tunel je drahá sranda. Cena takového zařízení dosahuje až stovek milionů eur (řádově miliardy Kč).

​Výpočetní cluster místo tunelu

Na co ale jedna – byť na české poměry velká – fabrika potřebuje takový výkon? Využití HPC tady nejvíc akcelerovaly analýzy proudění vzduchu. Ty se dají dělat klasickou cestou v podobě aerodynamického tunelu, nebo právě cestou digitálního modelování.

„Aerodynamika vozu má mnoho efektů, jeden z nich je, že auto při vyšších rychlostech drží bezpečně na silnici, další, že se okolním prouděním chladí. Různé aspekty mají vliv na takzvaný čelní součinitel odporu a ten zase na spotřebu. V minulosti se hodně diskutovalo o tom, jak ji výrobci podhodnocují, proto to dnes pečlivě kontroluje legislativa, která říká, co všechno je třeba spočítat a následně na vyrobených vozech přesně otestovat,“ naznačuje Kolář.

Aerodynamický tunel, do kterého se vhání obrovské množství vzduchu tak, aby se simulovala jízda automobilu, a sleduje se, jak se vůz za různých podmínek chová, je ale drahá sranda. Cena takového zařízení dosahuje až stovek milionů eur (řádově miliardy Kč). Další náklady generuje výroba fyzických prototypů, jejichž výroba je velmi nákladná a také časově náročná a po dobu vývoje jich musí vzniknout hned několik. Automobilka má navíc obvykle několik produktových řad, což tento přístup dál masivně prodražuje.

„Ve Škoda Auto se rozhodli, že nepostaví „větrný“ tunel, ale místo toho víc investují do IT technologií a digitálních prototypů, které ho dokážou z významné části velmi efektivně nahradit a zároveň vývoj urychlit. Bylo to opravdu revoluční,“ podotýká Kolář. Automobilka si tento směr mohla vybrat i díky členství v nadnárodním koncernu Volkswagen: když už aerodynamický tunel přece jen potřebuje, může své vozy poslat do sesterských německých firem.

Třikrát ročně vyhlašujeme soutěž, do které se může přihlásit kterýkoliv český výzkumník. Získávají pak požadovaný výpočetní čas.

​Výkon k pronájmu

Ne každá firma má ale takové možnosti jako světoznámá mladoboleslavská automobilka. Pokud nechce či nemůže budovat vlastní technologickou laboratoř, má možnost ucházet se o výpočetní čas výzkumných institucí a univerzit. Nad nimi pak v Česku ční právě ostravské IT4Innovations, o kterém už byla řeč. Najdeme ho v městské části Svinov, v areálu Vysoké školy báňské-Technické univerzity Ostrava.

Vesmírné závody 2.0

Profimedia.cz

Kdysi to byly světové velmoci typu USA, Rusko či Čína, kdo soutěžil v dobývání vesmíru. Dvacátá a třicátá léta 21. století však přinesly změnu: dobývání kosmu se stalo kratochvílí největších světových miliardářů. V čele majitel Space X a Tesly Elon Musk, který má v souvislosti se svým netradičním podnikáním i notný smysl pro show. Když například v roce 2017 vypustil na oběžnou dráhu kolem Slunce raketu Falcon Heavy, vrátil lidstvu ztracený pocit, že žijeme v budoucnosti. Při té příležitosti jsme odemkli článek z tištěného Finmagu věnovaný mužům, kteří přebrali od států štafetu v dobývání vesmíru.

Od té doby jsme ale zase postoupili. Teprve loni jsme totiž byli svědky skutečných vesmírných závodů, které pomohly rozlousknout hádanku, kdo se jako první dostane do vesmíru na palubě vlastní lodi. Pokud tedy připustíme americký výklad, že vesmír začíná už 50 mil, tedy 80 kilometrů nad hladinou moře, tak to byl Richard Branson, zakladatel a hlavní akcionář firmy Virgin Galactic. S tím ovšem nesouhlasil Jeff Bezos, majitel Amazonu a další z účastníků honby za kosmem. Nakonec to vlastně vypadalo, jako by si spíš dva stárnoucí miliardáři poměřovali pindíky.

Ale pozoor. Soutěž o to, kdo bude první miliardář, který ve vlastní raketě vyletí do vesmíru, ve skutečnosti ovládl úplně někdo jiný. Tu opravdu velkou hru zatím vyhrává Elon Musk.

Za zdmi moderní šedé budovy se tady ukrývá to nejvýkonnější, čemu se v Česku dají složité výpočty zadat. Zdejší superpočítač je petascalový, což znamená, že za jedinou sekundu zvládne 10¹⁵ operací. Tedy jednu biliardu (odtud předpona peta), to je milion miliard. Primárně ho (z víc než 90 procent) využívají vědci. Prostor mají ale i soukromé firmy.

„Třikrát ročně vyhlašujeme soutěž, do které se může přihlásit kterýkoliv český výzkumník. Z předložených projektů pak vybíráme ty nejkvalitnější, které získávají požadovaný výpočetní čas,“ vysvětluje mluvčí instituce Zuzana Červenková. V průměru prý ročně podpoří 150 výpočetních projektů z nejrůznějších vědních disciplín.

Co se tady přesně „počítá“? Úlohy z oblasti zpracování a analýzy rozsáhlých dat, strojového učení, vývoje paralelních škálovatelných algoritmů, řešení náročných inženýrských úloh, pokročilé vizualizace, virtuální reality nebo modelování pro nanotechnologie a vývoje nových materiálů. Nové informace by měly vést například ke zlepšení předpovědí počasí, rozvoji ekologičtějších energetických infrastruktur či přizpůsobení terapie potřebám pacienta.

Mimo to tady už například operátor T-Mobile z anonymizovaných dat analyzoval snížení mobility Čechů v průběhu covidové pandemie. Společnost Ullmanna zase vytěžovala data, která vedou k vývoji zemědělského plečkovacího stroje, který umožňuje kontrolu plevele na poli díky rozpoznání cílové plodiny pomocí strojového učení. Výsledkem je snížení používání chemických postřiků.

A firma Bonmedix zase s pomocí superpočítače vyvinula řešení, které pomáhá ve snímcích sítnic rychleji diagnostikovat problémy pacientů.

Nezdá se to, ale v Česku už máme v superpočítání historii a vybudované různé stupně superpočítačové infrastruktury.

​Učíme se výzkumu

Část z toho stojí na pomezí komerce a vědy. Takové společné projekty podporuje třeba Technologická agentura České republiky. I podle Luboše Koláře se Češi ještě musí naučit výzkumné úkoly zadávat. Nebo se do nich vůbec pouštět.

„Firmy buď mají problém a hledají odborníka, který jim ho s využitím superpočítače pomůže vyřešit, nebo samy vědí, co by mu zadaly, ale nemají techniku k dispozici, a tak se o ni ucházejí. Není to ale v takové míře jako jinde. Například automobilka Porsche při vývoji nových vozů využívá v Německu obdobné centrum, jako je to v Ostravě,“ dává příklad Kolář.

Se souhlasem Jana Švejnara

Být průměrný už nestačí, investujme do lidí, říká ekonom Švejnar

Česko nemá tolik nerostných surovin, aby na ně mohlo sázet při dalším růstu ekonomiky. Ten pravý potenciál země se proto skrývá v samotných lidech, lidském kapitálu. Jen investice do špičkového vzdělání, výzkumu a vědy nám prý může přinést podobnou životní úroveň jako v Německu či Rakousku. Být průměrní už zkrátka nestačí, říká ekonom Jan Švejnar.

Na druhou stranu podle něj ale není důvod propadat pocitu, že nám to v Česku moc nejde. Vedle ostravského superpočítačového centra máme další regionální centra osazená menší výpočetní kapacitou (pod hlavičkou národní e-infrastruktury pro vědu a výzkum, e-INFRA CZ), všechna propojena výkonnou komunikační sítí. V porovnání se sousedními státy si tak stojíme víc než dobře. Polsko má také výpočetní centra s podobnými zařízeními, jaké stojí v Ostravě, také propojená robustní sítí. Slovensko zatím ničím v podobném rozsahu nedisponuje, i když má velké plány. A třeba v Maďarsku aktuálně probíhá dodávka superpočítače zhruba poloviční velikosti toho ostravského.

„Nezdá se to, ale v Česku máme výhodu, že už máme v superpočítání historii a vybudované různé stupně superpočítačové infrastruktury, síť mezi jednotlivými centry i expertní týmy pro provoz a podporu uživatelů. Máme ve světě dobrou technickou pověst, ostatně proto si tady mezinárodní firmy zakládají svá vývojová centra. Což je důležité, protože bez toho všeho zemi založenou na znalostní ekonomice, která nebude jen montovnou, nevybudujeme,“ přibližuje Kolář.

A přidává hokejovou analogii: Aby měla země tým olympijských vítězů, potřebuje pod ním pyramidu se širokými stupni, která stojí ve spodní části na velkém množství mladých hokejistů.

Nejde jen o to držet krok technologicky, ale také o to vytvářet příznivé podmínky tak, aby nám lidé neutíkali jinam...

​Superpočítač LUMI

Pozice Česka se dá ilustrovat aktivitami v mezinárodních projektech. Jako země patříme do konsorcia kolem superpočítače LUMI, nejvýkonnějšího evropského stroje, který společně budují severské země, Belgie, Estonsko, Polsko, Švýcarsko a právě my. Až bude hotovo, parametry bude mít impozantní: počítá se s výkonem až 550 Pflop/s, takže už mu patří přízvisko pre-exascale. V praxi to znamená, že tento superpočítač zvládne výpočty v tempu 10¹⁸ operací za sekundu.

Evropa se tak jeho prostřednictvím (a prostřednictvím dalších menších strojů budovaných napříč kontinentem) snaží držet krok s dalšími mocnostmi. Pod hlavičkou projektu EuroHPC, který superpočítače spolufinancuje, se pokouší řešit dostupnost výpočetního výkonu pro evropskou vědu a výzkum, a tak i nezávislost kontinentu na některých technologiích vyvíjených v jiných regionech.

Oslava technologií aneb Superpočítač LUMI

Juha Torvinen, CSC

Fade Creative

Další obrázky v galerii (10)

Superpočítač LUMI, který vzniká ve Finsku, je tak trochu i oslavou toho, jak rychle se technologie posunují. Spadá do generace superpočítačů exaflopové éry, to znamená, že je potřeba ho vystavět úplně jinak, než ty předchozí. Pokud by se šlo cestou propojení klasických serverů, bylo by na 1 exaflopový systém potřeba 200 až 300 tisíc takových serverů, což by zabralo několik hektarů plochy a jenom na vysokorychlostní propojení serverů by byla nutná investice v řádu 100 milionů dolarů. A to není ani řeč o tom, kolik peněz by stála elektřina, která by to celé napájela a chladila. Díky technologickému zdokonalování ale nakonec moderní exaflopový systém zabere „jen“ stovky m².

„Hlavně Spojené státy zažívají v tomto ohledu ohromný boom, exascalových infrastruktur mají ve fázi instalace či její připravy hned několik. Druhým ohromným centrem je Čína. Vzájemně se tak přetlačují v tom, kdo dokáže víc. V závěsu za nimi běží Japonsko a pak s mírným odstupem Evropa ,“ přidává souvislosti Kolář. „Stejně jako v případě Česka, tak i v případě celé Evropy platí, že musíme držet krok a posilovat konkurenceschopnost a soběstačnost,“ podotýká.

Jako příklad takové „soběstačné“ komodity může sloužit vývoj evropského procesoru, do kterého začala Evropská komise před časem investovat. I když se tedy dá mluvit o zbrojení, jde spíš o to intelektuální. „Nejde jen o to držet krok technologicky, ale také o to vytvářet příznivé podmínky tak, aby nám lidé neutíkali jinam, za oceán, ale mohli realizovat svoje myšlenky tady na kontinentu,“ doplňuje další linku Kolář. Linku, kterou můžou následně využít i firmy. Když se Česko podílí na budování finského superpočítače, znamená to, že má i přístup k jeho kapacitám.

Věda na Finmagu:

• Hajič: Dnešní „umělá inteligence“ vůbec není inteligence
• Vesmír slaví 150 let. Svět se mění a my s ním, říká šéfredaktor kultovního časopisu
• Špičková medicína se nedá dělat od–do, říká přední český hematolog
• Covid-necovid, průmyslová revoluce je tu. Nahradí nás algoritmy?
• Umělou inteligencí zachraňuje životy. A to jsem chtěl být popelář, říká mladý vědec