Hala plná blikajících skříní. Český superstroj umí předpovídat povodně i vyvíjet léky

Kateřina Vítková Kateřina Vítková
27. 7. 2019 16:04
První superpočítač sem byl nainstalován do provizorních kontejnerů už v roce 2013, dnes v porubském areálu sídlí celkem tři. IT4Innovations národní superpočítačové centrum je součástí Vysoké školy báňské - Technické univerzity Ostrava. Za svůj vznik vděčí centrum z velké části evropským fondům.
Část superpočítače Salomon v ostravském IT4Innovations národním superpočítačovém centru.
Část superpočítače Salomon v ostravském IT4Innovations národním superpočítačovém centru. | Foto: IT4Innovations národní superpočítačové centrum
Superpočítač Salomon v Ostravě. | Foto: IT4Innovations národní superpočítačové centrum
IT4Innovations národní superpočítačové centrum v Ostravě. | Foto: IT4Innovations národní superpočítačové centrum
Superpočítač Anselm v Ostravě. | Foto: IT4Innovations národní superpočítačové centrum
Superpočítač Anselm v Ostravě. | Foto: IT4Innovations národní superpočítačové centrum
Superpočítač Anselm v Ostravě. | Foto: IT4Innovations národní superpočítačové centrum
Superpočítač Anselm v Ostravě. | Foto: IT4Innovations národní superpočítačové centrum
Superpočítač Anselm v Ostravě. | Foto: IT4Innovations národní superpočítačové centrum
Superpočítač Salomon v Ostravě. | Foto: IT4Innovations národní superpočítačové centrum
Superpočítač Salomon v Ostravě. | Foto: IT4Innovations národní superpočítačové centrum
Superpočítač Salomon v Ostravě. | Foto: IT4Innovations národní superpočítačové centrum
Superpočítač Anselm v Ostravě. | Foto: IT4Innovations národní superpočítačové centrum
DGX-2. | Foto: IT4Innovations národní superpočítačové centrum
DGX-2, ilustrace. | Foto: IT4Innovations národní superpočítačové centrum
Pevnostní výpočet části letadlového motoru. | Foto: IT4Innovations národní superpočítačové centrum
Teplotní výpočet ventilu. | Foto: IT4Innovations národní superpočítačové centrum
Výzkum, vrtací hlavice. | Foto: IT4Innovations národní superpočítačové centrum

"Pomáhají třeba při řešení výzkumných úloh z oblasti materiálového inženýrství, ale umí namodelovat i šíření povodňové vlny," říkají v dvojrozhovoru pro Aktuálně.cz ředitel úseku superpočítačových služeb Branislav Jansík a šéf úseku výzkumu a vývoje Tomáš Kozubek.

Když se řekne superpočítač, co si pod tím mám představit?
Branislav Jansík: Superpočítač vypadá jako řada velkých skříní s blikajícími světly. Uvnitř jsou nejmodernější procesory, nejrychlejší paměti a disky, které vzájemně propojuje ultrarychlá síť. Propojení a spolupráce jednotlivých částí vytváří výpočetní sílu a kapacitu, která daleko převyšuje běžné počítače.

V národním superpočítačovém centru v Ostravě máte superpočítačů hned několik. Jaké to jsou?
Branislav Jansík: Aktuálně disponujeme třemi hlavními výpočetními systémy. Nejstarší z roku 2013 je superpočítač Anselm s teoretickým výkonem 94 TFlop/s, který právě prochází modernizací. Druhým je velký superpočítač Salomon s teoretickým výkonem 2 PFlop/s z roku 2015 (v té době byl 40. nejvýkonnějším superpočítačem na světě, pozn. red.) A od letošního jara máme také k dispozici pro naše uživatele specializovaný systém pro výpočty umělé inteligence NVIDIA DGX-2.

Jak si vaše superpočítače stojí v porovnání s technologiemi jinde ve světě?
Branislav Jansík: Ve spolupráci s evropskou iniciativou EuroHPC, která sdružuje významná evropská superpočítačová centra, pracujeme na pořízení dalšího velkého superpočítače, který uvedeme do provozu v roce 2020. Předpokládáme, že tento nový superpočítač se zařadí do první dvacítky v Evropě a bude v první padesátce nevýkonnějších superpočítačů světa. Stejně jako byl Salomon v roce svého zprovoznění.

Výkon superpočítačů

  • Výkon nejrychlejších výpočetních systémů na světě je měřen v jednotkách Flop/s pomocí benchmarku Linpack. Flop/s označují počet operací v plovoucí řádce za sekundu.
  • Teoretický výpočetní výkon systému Anselm o hodnotě 94 TFlop/s tedy vypovídá o tom, že systém zvládne 94 bilionů operací za sekundu. Salomon má dokonce 2 PFlop/s, tj. 2 biliardy operací za sekundu.
  • Nejnovější superpočítač v ostravském centru NVIDIA DGX-2 by podle ředitele úseku superpočítačových služeb Branislava Jansíka ve výše popsaném benchmarku dosahoval až 130 TFlop/s a v případě výpočtů umělé inteligence, kde se uplatňuje jiný způsob měření, až 2 PFlop/s.

Superpočítač řeší výzkumné úlohy, předpoví i počasí

Superpočítače toho tedy zvládnou mnohem víc než i ty nejvýkonnější běžné počítače, se kterými se obyčejný člověk každodenně potkává. Jak široká je ale škála jejich skutečného využití?
Branislav Jansík: Každodenním nejznámějším příkladem je předpověď počasí. Dále se uplatňují například při návrhu nových materiálů nebo nových výrobků, optimalizaci výrobních procesů a při vývoji léčiv. Usnadňují také pochopení komplikovaných systémů a umožňují předpovědět jejich další vývoj - třeba v ekonomice nebo co se týče zásob podzemní vody a vydatnosti vodních zdrojů. Superpočítače se uplatní všude tam, kde by to jinak bylo v podstatě nemožné, velmi nákladné nebo by klasické metody trvaly velmi dlouhou dobu.

K čemu konkrétně využíváte superpočítače ve vašem ostravském centru?
Tomáš Kozubek: Slouží především pro řešení výzkumných úloh z oblasti materiálového inženýrství, chemie a biověd, ale využívá je i komerční sféra. Naše výpočetní systémy slouží například k rozsáhlým datovým analýzám, ve virtuálním designu a prototypingu (např. při tvorbě virtuálních dvojčat).

Dále vytváříme modely za účelem vývoje nových materiálů, léků nebo paliva pro jaderné elektrárny. Modelování slouží také ke zkvalitnění vybraných parametrů letadel, k simulaci klimatu nebo ke studiu planet v naší sluneční soustavě i mimo ni.

Modelování také pomáhá při vývoji nových technik pro ultrazvukové operace a stimulace mozku, při optimalizaci lithium-kovových baterií nebo ve výzkumu termojaderné fúze atd. Až bude nainstalován nový výpočetní systém, očekáváme, že přibudou i případy v oblasti umělé inteligence.

Když se podíváme na vaše výzkumné programy, zaujalo mě například IT pro řešení krizových situací. Pokud to chápu správně, jste schopní například namodelovat, jak se bude šířit třeba povodeň nebo požáry. Jak taková modelace vypadá a jak jí lze využít v praxi?
Tomáš Kozubek: Zaměřujeme se na metody pro modelování a předpověď povodní, šíření znečištění, dopravy a pohybu osob a na jejich vzájemné propojení.

Detailní srážkově-odtokový model nám například umožňuje na základě údajů o srážkách a nasycení půdy vypočíst průtoky v řekách i rozlivy v reálném čase. Dopravní modely a simulátory nám následně napočtou a zobrazí změnu dopravní situace v případě, že povodeň uzavře některé komunikace. A mobilní data umožňují posoudit rozložení osob v prostoru, předvídat jejich pohyb, hodnotit stupeň jejich ohrožení a plánovat evakuaci.

To jsou informace důležité zejména pro záchranné sbory. Naši zahraniční spolupracovníci pracují rovněž na modelech šíření lesních požárů.

Co dál zvládne superpočítač?

  • optimalizační úlohy z oblasti strojírenství, např. optimalizaci účinnosti čerpadel a turbín, optimalizaci chlazení elektromotoru a návrh kraniálních ortéz s optimálními parametry
  • v oblasti nanotechnologií se podle ředitele úseku výzkumu a vývoje Tomáše Kozubka IT4Innovations zaměřuje na návrh nových materiálů, vývoj speciálních povrchů pro nanooptiku a modelování a návrh nanokompozitů
  • v IT se jedná o analýzy velkých objemů dat s využitím umělé inteligence s aplikacemi např. v medicíně, logistice, Smart Cities, Smart Grids a vědách o Zemi
  • detekce nežádoucích deformací dopravní infrastruktury
  • detekce sesuvů půdy z družicových dat
  • výzkum a vývoj platforem pro efektivní spouštění úloh na superpočítači (např. platforma pro masivně paralelní zpracování sekvencí DNA)
  • bezpečnost v sítích a internet věcí

Škála, čím se v centru zabýváte, je tedy široká. Kdo konkrétně se na vás obrací?
Tomáš Kozubek: S žádostí o výpočetní čas se na centrum IT4Innovations obrací převážně vědci a výzkumníci z českých univerzit, výzkumných institucí a akademie věd. Účastníme se také celé řady mezinárodních projektů, na kterých spolupracujeme s partnery z vědecké i průmyslové sféry.

Dále rozvíjíme úspěšnou spolupráci s privátními podniky. Najdeme i příklady spolupráce se státem, kupříkladu s hasičskými sbory, nemocnicemi nebo třeba s Úřadem pro hospodářskou úpravu lesů.

Vědci z univerzit, institucí a akademie mají s využitím superpočítačů zkušenosti a většinou přesně vědí, co chtějí počítat a jak postupovat. Převážně jim stačí základní IT podpora. V případě mezinárodních projektů, průmyslu nebo státních složek má spolupráce často formu tzv. kolaborativního výzkumu, kde ve spolupráci s partnery společně stanovujeme, jak postupovat a pomáháme i s realizací výpočtů.

Zmínili jste i komerční sféru…
Tomáš Kozubek: Část výpočetní kapacity našeho centra využíváme ke spolupráci s průmyslovými partnery z různých odvětví. Máme statut digitálního inovačního hubu registrovaného Evropskou komisí a snažíme se napomáhat digitalizaci české společnosti. Firmy si výpočetní čas našich superpočítačů mohou pronajmout nebo mohou využít odborné znalosti našich expertů.

Z jakého odvětví firmy, o kterých je tu řeč, pocházejí?
Tomáš Kozubek: Firmy, které naše služby využívají, spadají převážně do strojírenství. Kupříkladu jde o vývoj výpočetních modelů v oblasti hutního průmyslu, optimalizace chlazení elektromotoru a účinnosti čerpadel či vývoj vlakových sedadel. Dále pak odvětví informačních technologií, kde jde například o řízení skladových zásob, aplikace rozsáhlých datových analýz a umělé inteligence. Spolupracujeme i s firmami z oblasti zdravotnictví, geologie, geodézie, ale i z oblasti životního prostředí. Zde jmenujme např. vývoj služby pro oblast hydrologického modelování.

Menší superpočítač má každá univerzita

Je vaše superpočítačové centrum IT4Innovations vzácnost, nebo je možné na další taková v dnešní na technologiích založené době narazit vcelku běžně?
Tomáš Kozubek: Superpočítačová centra nejsou ve světě žádnou výjimkou. Menší superpočítač provozuje téměř každá univerzita, včetně těch českých. Velká superpočítačová centra provozují prakticky všechny vyspělé země světa, případně i některé velké firmy zejména v automobilovém, leteckém, energetickém či ropném průmyslu.

Jak se superpočítačové centrum ocitlo zrovna v Česku, potažmo při Technické univerzitě v Ostravě?
Tomáš Kozubek: Národní superpočítačové centrum bylo založeno na VŠB - Technické univerzitě v Ostravě, protože zde působila a dodnes působí silná skupina odborníků v aplikované matematice a informatice se zaměřením na vývoj masivně paralelních řešičů pro řešení inženýrských úloh a zpracování velkých objemů dat s využitím metod umělé inteligence na superpočítačích.

Tito lidé, v čele se současným hejtmanem a bývalým rektorem VŠB ­- Technické univerzity v Ostravě Ivo Vondrákem, vytvořili silnou vizi, vypracovali kompetitivní a fundovaný projekt národního superpočítačového centra společně s dalšími partnery projektu Vysokým učením technickým v Brně, Ostravskou univerzitou, Slezskou univerzitou v Opavě a Ústavem geoniky Akademie věd ČR, a přilákali další odborníky.

Sdílení zkušeností

Kromě EuroHPC je IT4Innovations členem celoevropské výzkumné infrastruktury PRACE (Partnership for Research and Advanced Computing in Europe), Evropské technologické platformy pro vysoko-výkonnostní výpočty ETP4HPC, BDVA (Big Data Value Association) a EUDAT CDI (EUDAT Collaborative Data Infrastructure).

Tyto aktivity centra IT4Innovations podle šéfa úseku výzkumu a vývoje Tomáše Kozubka poskytují platformu ke spolupráci a propojují odborníky na HPC (High-Performance Computing) a HPDA (High-Performance Data Analysis) napříč členskými zeměmi.

Evropa v superpočítačových technologiích zaostává

Evropská unie ve vývoji superpočítačů oproti Číně, Spojeným státům a Japonsku zaostává. Jak velký je ten rozdíl?
Branislav Jansík: Rozdíl je opravdu markantní. Přibližně 39 procent celkové superpočítačové kapacity je instalováno ve Spojených státech, 30 procent v Číně a necelých 19 procent v Evropě. Nejvýkonnější superpočítač v USA má výkon přibližně 149 PFlop/s, nejvýkonnější čínský 93 PFlop/s, zatímco nejvýkonnější superpočítač v Evropě, umístěný ve švýcarském městě Lugano, má výkon jen 21 PFlop/s.

Dalším významným problémem je, že technologie, na nichž jsou superpočítače postaveny, jsou většinou ve vlastnictví společností ze Spojených států, Japonska a Číny.

Snaží se Brusel tento rozdíl stahovat?
Branislav Jansík: Evropská unie si uvědomuje, že investice do superpočítačů ve finále přinášejí technologickou i ekonomickou převahu, proto se rozhodla prostřednictvím iniciativy EuroHPC tento negativní trend zvrátit. Aktivity EuroHPC směrují k tomu, aby nejvýkonnější evropské superpočítače byly srovnatelné s těmi ve Spojených státech a v Číně. Evropská Procesorová Inciativa EPI podporována v rámci EuroHPC má za cíl vrátit Evropě nezávislost v oblasti vývoje a využití procesorů pro superpočítače.

Vaše centrum se do iniciativy EuroHPC zapojilo. Cílem projektu je mimo jiné vytvořit i superpočítač, který zvládne neuvěřitelných tri­lion operací za sekundu. K čemu to je dobré?
Branislav Jansík: První pilíř iniciativy má za cíl vyvinout tzv. exascalový superpočítač, který by byl vystavěn na čistě evropských technologiích. Takový výkon je důležitý, protože některé simulace na počítačích s menším výkonem provést prostě nelze.

V současnosti se připravuje instalace předchůdců takového systému, tzv. pre-exascale superpočítače, které budou výkonnostně na úrovni stovek PFlop/s. My se na přípravě jednoho takového superpočítače podílíme společně s Belgií, Dánskem, Estonskem, Finskem, Norskem, Polskem, Švédskem a Švýcarskem. Výsledný systém by měl být instalován ve Finsku vzhledem k ekonomické výhodnosti na jeho provozní náklady.

Kromě toho se plánuje pořízení i menších EuroHPC superpočítačů, tzv. petascale systémů s cílem posílit instalovaný výkon a vytvořit vhodné podhoubí v Evropě. Výkon se bude pohybovat řádově v desítkách PFlop/s. A právě jeden z těchto systémů bude již příští rok v provozu u nás ve IT4Innovations.

Jak pomohly peníze z evropských fondů

V rámci Operačního programu Výzkum a vývoj pro inovace získalo v letech 2010 až 2015 podle Tomáše Kozubka superpočítačové centrum IT4Innovations na své vybudování cca 1,3 miliardy korun. Další prostředky připadly partnerům projektu. Za tyto peníze se pořídily superpočítače, software, budova s datovým sálem, technologie napájení a chlazení superpočítačů.

Mimo tento projekt centrum v minulém programovém období čerpalo další prostředky z EU zejména z Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost (přibližně 100 milionů Kč).

V rámci současného programového období centrum úspěšně předložilo několik projektů, největším z nich je projekt za 503 milionů korun za účelem obnovy a modernizace výpočetní infrastruktury a výzkumu s využitím superpočítačů, který je financován z Operačního programu Výzkum, vývoj a vzdělávání.

Centrum patří mezi česká pracoviště, která se nejaktivněji zapojují do řešení projektů v rámci prestižního evropského rámcového programu Horizont 2020, říká Kozubek.

 

Právě se děje

Další zprávy