Bóng tối bên trong những hệ thống siêu máy tính

Dù siêu máy tính ngày càng trở nên mạnh mẽ, nhưng đồng thời cũng tiêu tốn một lượng điện năng lớn, nếu không có phương pháp tiếp cận mới, khả năng của các hệ thống này sẽ gặp khó khăn trong việc tiến xa hơn.

Kể từ năm 1964, khi CDC 6600 xuất hiện, một cuộc đua hiệu suất toàn cầu đã bắt đầu, mục tiêu của nó là cải thiện hiệu suất của siêu máy tính bằng mọi giá.

Với sự tiến bộ trong lĩnh vực tính toán, lưu trữ, mạng lưới và phần mềm, hiệu suất của các siêu máy tính hàng đầu đã tăng gấp hàng nghìn tỷ lần từ thời điểm CDC 6600 ra đời cho đến nay, từ hàng triệu phép tính mỗi giây đến hàng quintillions phép tính mỗi giây.

Frontier của Mỹ hiện đang là siêu máy tính hàng đầu với khả năng tính toán 1,102 exaFLOPS. Tuy nhiên, những siêu máy tính mạnh mẽ hơn đang được phát triển và sẽ ra mắt trong tương lai.

Tuy nhiên, việc gia tăng hiệu suất tính toán cũng đồng nghĩa với việc tiêu thụ năng lượng ngày càng tăng. Nếu hoạt động ở công suất tối đa, Frontier có thể tiêu tốn đến 40 MW điện năng, tương đương với 400.000 máy tính PC.

Tuy nhiên, bây giờ, khi yêu cầu giảm phát thải trở nên rõ ràng hơn và chi phí năng lượng tăng cao, ngành công nghiệp siêu máy tính đang phải đánh giá lại mục tiêu của mình.

Hiệu suất năng lượng liên quan chặt chẽ đến hiệu năng

Đại học Cambridge là một trong những tổ chức đầu tiên quan tâm đến vấn đề này và họ đang phát triển nhiều siêu máy tính với thiết kế tập trung vào hiệu quả năng lượng.

Ví dụ, Wilkes3, mặc dù chỉ đứng thứ 100 về hiệu suất của siêu máy tính nhưng lại đứng thứ 3 trên bảng xếp hạng Green500, đo lường hiệu năng theo mỗi Watt tiêu thụ.

Tiến sĩ Paul Calleja, giám đốc Nghiên cứu Máy tính tại Đại học Cambridge, nói: “Chúng tôi không quan tâm đến các hệ thống lớn vì chúng chỉ phù hợp cho một số giải pháp cụ thể. Tuy nhiên, công nghệ bên trong chúng có thể được sử dụng rộng rãi và giúp các hệ thống khác, mặc dù chạy chậm hơn, nhưng lại tiết kiệm năng lượng nhiều hơn.”

Những biến động gần đây về chi phí năng lượng toàn cầu làm cho việc vận hành các siêu máy tính trở nên đắt đỏ hơn, đặc biệt là với các hệ thống hiệu năng exascale.

Với Wilkes3, Đại học Cambridge đã thực hiện một số điều chỉnh để nâng cao hiệu suất năng lượng của nó. Ví dụ, họ có thể giảm tần số cho một số bộ phận cụ thể khi hoạt động, dựa vào công việc đang thực hiện, giúp giảm tiêu thụ điện năng lên đến 20-30%.

Tuy nhiên, điều này không giải quyết vấn đề hoàn toàn. Tiến sĩ Calleja lưu ý: “Việc giảm tần số có thể giảm tiêu thụ năng lượng hơn so với hiệu năng, nhưng cũng làm cho thời gian hoàn thành nhiệm vụ dài hơn. Vì vậy, chúng ta cần giảm tiêu thụ năng lượng không chỉ khi hoạt động mà còn mỗi nhiệm vụ.”

Phần mềm là trọng tâm

Không chỉ là việc điều chỉnh cấu hình phần cứng cho từng loại công việc cụ thể, còn có các điều chỉnh về phần mềm, lưu trữ và hệ thống liên quan như hệ thống làm mát và thiết kế tủ lạnh. Tuy nhiên, theo tiến sĩ Calleja, điểm quan trọng nhất để cải thiện hiệu quả năng lượng là phần mềm.

“Không phải là vấn đề về phần cứng, mà là về hiệu quả của ứng dụng. Điều này sẽ là một điểm quan trọng để phát triển tiếp.” Ông nói. “Các hệ thống exascale hiện đại đều dựa trên kiến trúc GPU và có ít ứng dụng có thể chạy hiệu quả trên các hệ thống GPU.”

Đây là một vấn đề lâu dài. Những nhà sản xuất siêu máy tính thường chỉ quan tâm đến phần cứng vì, như tiến sĩ Calleja nói: “Đó là điều dễ dàng, bạn chỉ cần mua một con chip nhanh hơn. Bạn không phải suy nghĩ nhiều về điều đó.”

“Khi Định luật Moore đã không còn áp dụng với việc bộ xử lý tăng gấp đôi sau mỗi 18 tháng, chúng ta cần phải cập nhật phần mềm để tăng hiệu suất. Đó là thời điểm để điều chỉnh phần mềm.”

Ông Calleja đã ca ngợi Intel về điều này. Trong bối cảnh phần cứng máy chủ ngày càng đa dạng với nhiều nhà cung cấp, việc đảm bảo tính tương thích phần mềm trở nên phức tạp hơn, nhưng Intel đang phát triển một giải pháp để giải quyết vấn đề này.

“Điều độc đáo về Intel là họ đầu tư nhiều vào hệ sinh thái API, giúp ứng dụng tương thích với nhiều loại chip khác nhau. Đó là loại công cụ mà chúng tôi cần, để các ứng dụng trong tương lai có thể tận dụng những tiến bộ mới.”

Một tương lai Zettascale

Với sự xuất hiện của công nghệ exascale, sự chú ý của cộng đồng siêu máy tính dần dần chuyển sang mục tiêu mới: zettascale – mức hiệu năng gấp hàng nghìn lần so với hiệu năng exascale hiện tại.

“Zettascale sẽ là mục tiêu tiếp theo của chúng ta.” Ông Calleja nói. “Đây sẽ là bước tiến mới cho các công nghệ cần thiết để đạt được những tiến bộ tiếp theo về điện toán, điều mà hiện tại vẫn còn là không thể.”

“Các siêu máy tính nhanh nhất hiện nay có giá cả rất đắt đỏ so với những gì bạn có thể thu được từ chúng trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học. Tuy nhiên, chúng vô cùng quan trọng vì chúng là minh chứng cho khả năng của con người và đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy ngành công nghiệp tiến lên.”

Để phát triển các hệ thống với hiệu suất zettaFLOPS - mạnh mẽ hơn hàng nghìn lần so với các hệ thống hiện tại - và đạt được sự bền vững và lâu dài, ngành công nghiệp này sẽ phải dựa vào sự sáng tạo. Mặc dù không có mối liên kết chặt chẽ giữa hiệu suất và hiệu quả năng lượng, nhưng vẫn tồn tại một sự cân bằng vàng giữa hiệu suất và tiêu thụ năng lượng, mang lại những lợi ích phù hợp với chi phí phát thải của các siêu máy tính HPC.

Dù việc đạt được con số cụ thể trong thực tế sẽ tốn nhiều thời gian và công sức, nhưng việc theo đuổi ý tưởng này trong mỗi bước phát triển là hướng đi đúng đắn trong tương lai.

Nguồn: TechRadar