ابررایانه فرانتیر Frontier، که به نام OLCF-5 نیز شناخته می‌شود، نقطه عطفی در تاریخ محاسبات با کارایی بالا (HPC) است. این ابررایانه، که در آزمایشگاه ملی اوک ریج (ORNL) در تنسی، ایالات متحده مستقر است، اولین سیستم اگزافلاپی جهان بود که در سال 2022 عملیاتی شد. ابرکامپیوتر فرانتیر با قدرت پردازشی بی‌سابقه خود، عصر جدیدی از محاسبات اگزافلاپ را آغاز کرد و امکان حل مسائل علمی پیچیده در زمینه‌هایی مانند فیزیک، ژنتیک و هواشناسی را فراهم ساخته است. ابرار صنعتی به بررسی کامل و مقایسه فرانتیر با سایر ابررایانه‌های برتر جهان می‌پردازد.
هر آنچه باید درباره ابررایانه Frontier بدانید
فرانتیر، ساخته‌شده توسط Hewlett Packard Enterprise (HPE) و AMD، اولین ابررایانه‌ای است که در سال 2022 به سطح اگزافلاپ (یک کوینتیلیون عملیات ممیز شناور در ثانیه) دست یافت. این سیستم، که در مرکز محاسباتی اوک ریج (OLCF) قرار دارد، برای تحقیقات علمی باز طراحی شده و از فناوری‌های پیشرفته مانند پردازنده‌های AMD Epyc و شتاب‌دهنده‌های Instinct MI250X بهره می‌برد. ابررایانه فرانتیر با هزینه‌ای حدود 600 میلیون دلار ساخته شد و در ژوئن 2022 در صدر فهرست TOP500 قرار گرفت. اگرچه در نوامبر 2024 توسط ابررایانه El Capitan از رتبه اول به دوم تنزل یافت، همچنان یکی از کارآمدترین و قدرتمندترین سیستم‌های جهان است.
مشخصات فنی ابر کامپیوتر فرانتیر
ابرکامپیوتر فرانتیر از 74 کابینت HPE Cray EX تشکیل شده که هر یک 8000 پوند وزن دارند و مساحتی بیش از 4000 فوت مربع را اشغال می‌کنند. این سیستم شامل 9408 گره (node) است که هر گره دارای یک پردازنده AMD Epyc 7A53 “Trento” با 64 هسته (606208 هسته در کل) و چهار شتاب‌دهنده AMD Instinct MI250X (8335360 هسته GPU) است. فرانتیر 9.2 پتابایت حافظه (نیمی HBM و نیمی DDR4) دارد و از شبکه HPE Slingshot-11 با 90 مایل کابل استفاده می‌کند. توان مصرفی آن در اوج 29 مگاوات و در حالت عادی 21 مگاوات است. عملکرد آن در بنچمارک HPL به 1.206 اگزافلاپ و در HPL-AI به 6.88 اگزافلاپ رسیده است.
مکان استقرار ابرکامپیوتر فرانتیر
فرانتیر در مرکز محاسباتی اوک ریج (OLCF) در آزمایشگاه ملی اوک ریج، تنسی، ایالات متحده مستقر است. ORNL یکی از پیشروترین مراکز تحقیقاتی وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) است و سابقه‌ای طولانی در میزبانی ابررایانه‌ها، از جمله Summit (OLCF-4) و Titan دارد. موقعیت استراتژیک ORNL امکان دسترسی به زیرساخت‌های پیشرفته، از جمله سیستم‌های خنک‌کننده مایع با ظرفیت 6000 گالن آب در دقیقه و شبکه برق پایدار را فراهم می‌کند. این مرکز به محققان جهانی اجازه می‌دهد از طریق برنامه‌هایی مانند INCITE به فرانتیر دسترسی داشته باشند.
مفهوم اگزافلاپ چیست؟
اگزافلاپ به توانایی انجام یک کوینتیلیون (10^18) عملیات ممیز شناور در ثانیه اشاره دارد. برای درک مقیاس، یک اگزافلاپ برابر با یک میلیون ترافلاپ یا یک میلیارد گیگافلاپ است. به گفته ORNL، اگر هر فرد روی زمین در هر ثانیه یک محاسبه انجام دهد، 4 سال طول می‌کشد تا به یک اگزافلاپ برسد. این سطح از قدرت پردازشی امکان شبیه‌سازی‌های پیچیده‌ای را فراهم می‌کند که پیش‌تر غیرممکن بودند، مانند مدل‌سازی کل چرخه عمر یک رآکتور هسته‌ای یا شبیه‌سازی دینامیک کهکشان‌ها. اگزافلاپ نشان‌دهنده جهشی بزرگ در محاسبات علمی است.
پردازنده‌های مورد استفاده در ابر کامپیوتر فرانتیر
ابررایانه فرانتیر از پردازنده‌های AMD Epyc 7713 “Trento” با 64 هسته و فرکانس 2 گیگاهرتز (9408 پردازنده، 606208 هسته) و شتاب‌دهنده‌های AMD Instinct MI250X (37888 واحد، 8335360 هسته) استفاده می‌کند. این ترکیب CPU و GPU امکان پردازش موازی عظیم را فراهم می‌کند که برای بنچمارک‌های HPL و HPL-AI حیاتی است. پردازنده‌های Epyc بهینه‌شده برای HPC و شتاب‌دهنده‌های MI250X با معماری CDNA 2، عملکردی تا 1.69 اگزافلاپ در اوج و 6.88 اگزافلاپ در محاسبات ترکیبی ارائه می‌دهند. این معماری فرانتیر را به سریع‌ترین سیستم هوش مصنوعی جهان نیز تبدیل کرده است.
چرا Frontier سریع‌ترین سوپرکامپیوتر تاریخ است؟
فرانتیر در ژوئن 2022 با دستیابی به 1.102 اگزافلاپ در بنچمارک HPL، عنوان سریع‌ترین ابررایانه تاریخ را کسب کرد و Fugaku ژاپن (442 پتافلاپ) را پشت سر گذاشت. این عملکرد بیش از مجموع 7 ابررایانه بعدی در فهرست TOP500 بود. عوامل کلیدی شامل معماری HPE Cray EX، پردازنده‌های AMD بهینه‌شده، شبکه Slingshot-11 و سیستم ذخیره‌سازی Orion با ظرفیت 700 پتابایت و سرعت 5 ترابایت بر ثانیه است. ابرکامپیوتر فرانتیر همچنین در بنچمارک HPL-AI با 6.88 اگزافلاپ پیشتاز بود، که آن را برای کاربردهای هوش مصنوعی ایده‌آل می‌کند.
قدرت پردازشی یک اگزافلاپ یعنی چه؟
یک اگزافلاپ به معنای انجام 10^18 عملیات ممیز شناور در ثانیه است، که معادل یک میلیارد میلیارد محاسبه است. برای مقایسه، یک رایانه رومیزی معمولی در محدوده صدها گیگافلاپ (10^11) عمل می‌کند. این قدرت پردازشی امکان شبیه‌سازی‌های بی‌سابقه‌ای را فراهم می‌کند، مانند مدل‌سازی دقیق فرآیندهای مولکولی برای کشف دارو یا پیش‌بینی آب‌وهوای جهانی با دقت بالا. فرانتیر با 1.206 اگزافلاپ، می‌تواند محاسباتی را که روی Summit (148 پتافلاپ) ماه‌ها طول می‌کشید، در چند ثانیه انجام دهد.
چطور Frontier جهان را به عصر Exascale وارد کرد؟
ابرکامپیوتر فرانتیر با دستیابی به 1.102 اگزافلاپ در می 2022، اولین ابررایانه‌ای بود که به‌طور رسمی سد اگزافلاپ را شکست و عصر اگزافلاپ را آغاز کرد. این موفقیت نتیجه همکاری ORNL، HPE و AMD بود که چالش‌های مصرف انرژی (کاهش از 150-500 مگاوات پیش‌بینی‌شده به 21 مگاوات) و زنجیره تأمین در دوران همه‌گیری را برطرف کردند. فرانتیر با کارایی 52.927 گیگافلاپ بر وات، در فهرست Green500 نیز رتبه‌بندی شد. این دستاورد راه را برای سیستم‌های اگزافلاپی دیگر مانند Aurora و El Capitan هموار کرد.
کاربردهای علمی Frontier در فیزیک، ژنتیک و هواشناسی
فرانتیر در فیزیک امکان شبیه‌سازی انفجار ستارگان، دینامیک کهکشان‌ها و خواص ذرات زیراتمی را فراهم می‌کند. در ژنتیک، این ابررایانه مدل‌سازی فرآیندهای مولکولی را برای کشف ژن‌های مرتبط با بیماری‌ها و توسعه داروهای شخصی‌سازی‌شده تسریع می‌کند. در هواشناسی، فرانتیر پیش‌بینی‌های اقلیمی با دقت بالا و شبیه‌سازی‌های بلندمدت آب‌وهوا را امکان‌پذیر می‌سازد، که برای مقابله با تغییرات اقلیمی حیاتی است. همچنین در انرژی، مدل‌سازی رآکتورهای همجوشی و بهینه‌سازی مواد جدید را پشتیبانی می‌کند.
مقایسه ابرکامپیوتر فرانتیر Frontier با دیگر ابررایانه‌های برتر جهان
فرانتیر با 1.206 اگزافلاپ (نوامبر 2024) در رتبه دوم TOP500 پس از El Capitan (1.742 اگزافلاپ) قرار دارد. Aurora (1.012 اگزافلاپ، آرگون، ایالات متحده) سومین سیستم اگزافلاپی است. Eagle (561.2 پتافلاپ، مایکروسافت) و Fugaku (442 پتافلاپ، ژاپن) در رتبه‌های بعدی هستند. LUMI (379.7 پتافلاپ، فنلاند) و Summit (148.6 پتافلاپ، ORNL) نیز قابل‌توجه‌اند. فرانتیر در مقایسه با Fugaku بیش از دو برابر سریع‌تر است و کارایی انرژی بهتری نسبت به بسیاری از رقبا دارد، اما El Capitan با معماری پیشرفته‌تر آن را پشت سر گذاشته است.
معماری و طراحی سیستم
فرانتیر از معماری HPE Cray EX استفاده می‌کند که برای مقیاس‌پذیری و عملکرد بهینه طراحی شده است. هر کابینت شامل گره‌هایی با یک CPU و چهار GPU است که از طریق شبکه Slingshot-11 متصل شده‌اند. سیستم ذخیره‌سازی Orion با 700 پتابایت ظرفیت و سرعت خواندن 75 ترابایت بر ثانیه، بزرگ‌ترین فایل‌سیستم موازی جهان است. خنک‌کننده مایع با پمپ‌های عظیم، دمای 9408 گره را کنترل می‌کند و مصرف انرژی را بهینه می‌سازد. این طراحی فرانتیر را برای محاسبات علمی و هوش مصنوعی ایده‌آل کرده است.
توسعه فرانتیر با چالش‌هایی مانند محدودیت‌های زنجیره تأمین در دوران همه‌گیری و نیاز به کاهش مصرف انرژی مواجه بود. در حالی که پیش‌بینی‌ها مصرف 150-500 مگاوات را نشان می‌داد، تیم ORNL و HPE مصرف را به 21 مگاوات کاهش داد. نصب 74 کابینت و 90 مایل کابل نیز به هماهنگی پیچیده‌ای نیاز داشت. با این حال، همکاری نزدیک با AMD و استفاده از فناوری‌های جدید مانند MI250X، این موانع را برطرف کرد و فرانتیر را به اولین سیستم اگزافلاپی جهان تبدیل نمود.
تأثیر فرانتیر بر تحقیقات جهانی
فرانتیر از طریق برنامه INCITE به محققان جهانی دسترسی می‌دهد و پروژه‌هایی مانند شبیه‌سازی کهکشان‌ها، مدل‌سازی پروتئین‌ها برای درمان بیماری‌ها و پیش‌بینی‌های اقلیمی را پشتیبانی می‌کند. این ابررایانه به ایالات متحده کمک کرد تا رهبری خود در HPC را بازپس گیرد، در حالی که رقبایی مانند چین (با سیستم‌های اگزافلاپی غیررسمی) و ژاپن نیز در حال پیشرفت‌اند. ابرکامپیوتر فرانتیر همچنین با کدهای بهینه‌شده برای هوش مصنوعی، ابزارهایی را برای جامعه علمی فراهم کرده که در سیستم‌های دیگر قابل‌اجرا هستند.
کارایی انرژی و رتبه‌بندی Green500
فرانتیر در ژوئن 2022 با 62.68 گیگافلاپ بر وات در صدر فهرست Green500 قرار گرفت، اما در نوامبر 2024 با 52.927 گیگافلاپ بر وات به رتبه سیزدهم سقوط کرد. سیستم تست و توسعه (Frontier TDS) با 62.86 گیگافلاپ بر وات همچنان یکی از کارآمدترین‌هاست. خنک‌کننده مایع و معماری AMD به کاهش مصرف انرژی کمک کرده‌اند، اما سیستم‌هایی مانند Henri (Flatiron Institute) کارایی بالاتری دارند. این کارایی برای کاهش هزینه‌های عملیاتی و اثرات زیست‌محیطی حیاتی است.
نقش ابرکامپیوتر فرانتیر در رقابت جهانی
ابرکامپیوتر فرانتیر ایالات متحده را در رقابت جهانی HPC پیشرو کرد، اما گزارش‌ها حاکی از وجود دو سیستم اگزافلاپی در چین (Sunway OceanLight و Tianhe-3) است که به TOP500 گزارش نشده‌اند. این موضوع، همراه با پیشرفت اروپا (LUMI، Leonardo) و ژاپن (Fugaku)، رقابت را تشدید کرده است. با این حال، نرم‌افزارهای بهینه‌شده فرانتیر و دسترسی باز آن به محققان، مزیت رقابتی ایجاد کرده است. El Capitan و Aurora نیز نشان‌دهنده تداوم رهبری ایالات متحده هستند.
منبع: ابرار صنعتی
