Hoogprestatie-computing: de supercomputers die de wetenschap vooruit rekenen
Hoogprestatie-computing, vaak afgekort als HPC (van het Engelse high performance computing), is het samenvoegen van duizenden tot miljoenen rekeneenheden tot één systeem dat vele malen sneller rekent dan een gewone computer. Waar een laptop een som na de ander uitvoert, splitst een HPC-systeem een groot probleem op in talloze kleine stukjes die tegelijk, dus parallel, worden doorgerekend. Het resultaat is een machine die in seconden werk verzet waar een pc jaren over zou doen.
Een concreet voorbeeld: het voorspellen van morgen het weer vraagt om het doorrekenen van de atmosfeer boven de hele aarde, opgedeeld in miljoenen kleine luchtvakjes, elk met eigen temperatuur, luchtdruk en windsnelheid. Doe je dat op één computer, dan is de voorspelling allang achterhaald voordat de berekening klaar is. Verdeel je het werk over tienduizenden rekenkernen die tegelijk rekenen, dan lukt het binnen een paar uur. Dat is in de kern wat hoogprestatie-computing doet: onmogelijk grote sommen behapbaar maken door ze te verdelen.
Wat is het precies?
De basis van elk HPC-systeem is de node, in feite een volwaardige computer met eigen processor en geheugen. Een supercomputer bestaat uit duizenden van zulke nodes, elk weer opgebouwd uit meerdere cores: de afzonderlijke rekenkernen binnen een processor die onafhankelijk van elkaar berekeningen kunnen uitvoeren. Tel je alle cores van alle nodes bij elkaar op, dan kom je al snel op miljoenen rekenkernen die tegelijk aan hetzelfde probleem werken.
Om te meten hoe snel zo'n systeem is, gebruikt men de eenheid FLOPS: floating point operations per second, oftewel het aantal rekenbewerkingen met kommagetallen dat per seconde wordt uitgevoerd. De snelste machines van dit moment rekenen in de orde van een exaflop, dat is een miljard miljard (10^18) van zulke bewerkingen per seconde. Ter vergelijking: een moderne laptop haalt hooguit enkele biljoenen (10^12) FLOPS.
Al die rekenkracht is nutteloos als de onderdelen niet snel met elkaar kunnen communiceren. Daarom hebben supercomputers een gespecialiseerd interne netwerk, de interconnect, dat data razendsnel tussen nodes uitwisselt. Zonder zo'n snelle verbinding zouden de rekenkernen voortdurend op elkaar moeten wachten, wat de winst van parallel rekenen teniet zou doen.
Tot slot is koeling een technische uitdaging op zich. Miljoenen chips die continu op volle kracht draaien, produceren enorme hoeveelheden warmte. Veel systemen gebruiken daarom vloeistofkoeling, waarbij gekoeld water direct langs de chips wordt geleid, in plaats van de luchtkoeling die in gewone computers volstaat.
Wat wil men ermee bereiken?
Hoogprestatie-computing bestaat omdat sommige vragen alleen met massale rekenkracht te beantwoorden zijn. Klimaatwetenschappers gebruiken supercomputers om te simuleren hoe de aarde opwarmt onder verschillende scenario's, met een detailniveau dat steeds verder toeneemt naarmate de rekenkracht groeit.
In de geneeskunde helpt HPC bij het simuleren van hoe eiwitten vouwen en hoe medicijnmoleculen zich binden aan hun doelwit, waardoor onderzoekers kansrijke kandidaten kunnen selecteren voordat er ook maar één proefbuis wordt gebruikt. Tijdens de coronapandemie werden supercomputers ingezet om snel duizenden bestaande medicijnen te screenen op mogelijke werking tegen het virus.
Een minder bekende maar historisch belangrijke toepassing is het simuleren van kernwapens. Sinds landen als de Verenigde Staten geen fysieke kernproeven meer uitvoeren, gebruiken laboratoria supercomputers om de veroudering en werking van hun bestaande wapenarsenaal te controleren zonder daadwerkelijk te testen.
De laatste jaren komt daar een nieuwe drijfveer bij: het trainen van grote AI-modellen. Dat vergt zoveel rekenkracht dat de grens tussen traditionele HPC-systemen en de datacenters waarin AI wordt getraind steeds verder vervaagt.
Voorbeelden uit de praktijk
Frontier, gebouwd door Hewlett Packard Enterprise (HPE) en in 2022 in gebruik genomen bij het Oak Ridge National Laboratory in de Amerikaanse staat Tennessee, was het eerste erkende exascale-systeem ter wereld: de eerste supercomputer die aantoonbaar meer dan een exaflop haalde op een erkende benchmarktest.
Fugaku, ontwikkeld door Riken en Fujitsu en operationeel sinds 2020 in Kobe, Japan, gebruikt geen gangbare rekenchips maar aangepaste ARM-processoren en gold jarenlang als een van de krachtigste en meest energiezuinige machines ter wereld.
LUMI, geopend in 2022 in Kajaani, Finland, is een van de vlaggenschipsystemen van het Europese EuroHPC-initiatief en wordt onder meer gebruikt door onderzoekers uit meerdere EU-lidstaten, ook Nederlandse groepen kunnen er rekentijd op aanvragen.
El Capitan, in 2024 in gebruik genomen bij het Lawrence Livermore National Laboratory in Californië, is bedoeld voor kernwapensimulaties en behoort tot de snelste systemen ter wereld; exacte prestatiecijfers en rangschikking kunnen wijzigen naarmate nieuwe benchmarkresultaten verschijnen.
Summit, de voorganger van Frontier bij Oak Ridge en actief sinds 2018, was destijds de krachtigste supercomputer ter wereld en liet voor het eerst zien hoe grafische chips (GPU's), oorspronkelijk ontwikkeld voor games, ook wetenschappelijke berekeningen enorm konden versnellen.
Hoe ver is de techniek?
Het exascale-tijdperk is inmiddels realiteit: sinds 2022 zijn er meerdere systemen die de grens van een exaflop hebben doorbroken. Welke machine op enig moment de snelste ter wereld is, wordt twee keer per jaar vastgelegd in de Top500, een ranglijst die is gebaseerd op een gestandaardiseerde rekentest en die door de sector algemeen als referentie wordt gebruikt.
De grootste rem op verdere groei is niet langer de techniek zelf, maar het energieverbruik. De krachtigste systemen verbruiken tientallen megawatts, vergelijkbaar met het stroomverbruik van een kleine stad, en dat verbruik groeit sneller dan de beschikbare capaciteit van elektriciteitsnetten op veel locaties toelaat.
Onderzoekers spreken inmiddels over de volgende stap, zettascale, duizend keer sneller dan de huidige exascale-systemen, maar er bestaat geen consensus over wanneer dat haalbaar is; schattingen in de sector lopen uiteen van het begin van de jaren 2030 tot aanzienlijk later, mede afhankelijk van doorbraken in chipefficiëntie en koeltechniek.
Een andere blijvende uitdaging is software: het schrijven van programma's die daadwerkelijk efficiënt gebruikmaken van miljoenen parallelle rekenkernen is technisch lastig, en niet elk wetenschappelijk probleem laat zich even goed opdelen in onafhankelijke stukjes.
Wie werken eraan?
De Verenigde Staten voeren via het Department of Energy een netwerk van nationale laboratoria aan die tot de wereldtop van HPC behoren, waaronder Oak Ridge National Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory en Los Alamos National Laboratory.
Japan investeert via onderzoeksinstituut Riken al decennia in supercomputing en heeft met systemen als de eerdere K computer en Fugaku herhaaldelijk internationaal toonaangevende machines gebouwd.
De Europese Unie bundelt de krachten van lidstaten via de EuroHPC Joint Undertaking, een samenwerkingsverband dat gezamenlijk investeert in Europese supercomputers zoals LUMI, om te voorkomen dat Europa volledig afhankelijk wordt van rekencapaciteit elders.
China heeft in het verleden herhaaldelijk de Top500-lijst aangevoerd met systemen als Sunway TaihuLight en Tianhe-2, maar heeft de laatste jaren opvallend weinig nieuwe systemen laten benchmarken voor de internationale ranglijst, waardoor onduidelijk is welke rekencapaciteit het land momenteel daadwerkelijk operationeel heeft.
Op de achtergrond leveren enkele grote technologiebedrijven de bouwstenen: HPE (dat eerder branchegenoot Cray overnam) bouwt veel van de grootste systemen, terwijl chipmakers als NVIDIA, AMD en Intel de processoren en grafische chips leveren waarop deze machines draaien.