قطره‌هایی که شبیه پنکیک شدن، راز سرعت عجیب سوپرکامپیوتر اروپا رو فاش کردن!

تا حالا اسم ابرکامپیوتر JUPITER به گوشت خورده؟ این غول توی مرکز محاسبات Jülich آلمان مستقره و الان چهارمین ابرکامپیوتر سریع دنیاس. ولی داستانش فقط به سرعت محدود نمیشه؛ سر و کله‌ی دانشگاه جورجیا تک هم تو ماجرا باز شده و کلی اتفاق جذاب افتاده.

یه استادیار به اسم اسپنسر برینگلسون (Spencer Bryngelson) تونست به طور اختصاصی به JUPITER دسترسی پیدا کنه و پروژه جالبش رو روی این سیستم اجرا کنه. این دسترسی از طریق برنامه JUREAP یعنی “برنامه تحقیق و دسترسی اولیه به JUPITER” اتفاق افتاد. کلا این برنامه‌ها فرصت میدن محقق‌ها نرم‌افزارها و پروژه‌هاشون رو روی زیرساخت ابرکامپیوترها تست کنن تا همه‌چیز رو قبل از عمومی شدن سیستم بسنجن.

حالا بریم سر پروژه اصلی که کلی سر و صدا به پا کرد؛ پروژه MFC. هدف این پروژه این بود که ببینن وقتی چندتا قطره آب رو با یه شوک خیلی سریع و شدید (سریع‌تر از صوت!) مواجه می‌کنن، چه بلایی سر این قطره‌ها میاد. شوک موجی یعنی همون ضربه یا موج ناگهانی که با سرعت زیادی حرکت می‌کنه، مثلاً وقتی یک هواپیما صوت رو می‌شکنه.

نتایج شگفت‌انگیز بود: قطره‌ها وقتی بهشون شوک وارد شد، کاملاً له شدن و ظاهرشون شبیه پنکیک شد! تازه، اون قطره‌ها بعد از خوردن شوک، تکه تکه شدن و پشت سرشون حلقه‌هایی از گرداب ساختن. حالا “گردابه” (یا همون vortices) یعنی ساختارهای چرخشی توی سیالات که توی هواپیماها و موشک‌ها می‌تونن حسابی دردسر درست کنن.

این قضیه چرا این‌قدر مهمه؟ چون مهندس‌ها وقتی دارن هواپیما یا فضاپیماهای فوق‌سریع (مثلاً با سرعت‌های مافوق صوت یا هایپرسونیک) طراحی می‌کنن، باید حتماً این اتفاقات رو پیش‌بینی کنن تا اگه مثلاً یه قطره آب یا بخار سر راه باشه، باعث خرابی نشه. هر خطا می‌تونه فاجعه درست کنه!

حالا به لطف همین شبیه‌سازی و نرم‌افزارها، دیگه لازم نیست دائم آزمایش‌های فیزیکی گرون و پرخطر انجام بدن. مثلاً نرم‌افزار MFC روی JUPITER اجرا شد و نشون داد که ابرکامپیوتر چقدر می‌تونه کار رو سریع‌تر و دقیق‌تر ببره جلو. شبیه‌سازی یعنی همین تجربه کردن شرایط عجیب بدون اینکه تو دنیای واقعی خطر کنن — مثلاً تو پزشکی هم با همین شبیه‌سازی‌ها می‌تونن شوک‌درمانی کم‌تهاجمی‌تر برای شکستن سنگ کلیه یا کاهش التهاب بدن طراحی کنن.

خبر خوب اینه که پروژه به قدری خوب اجرا شد که جایزه خاصی بابت عملکرد عالی نرم‌افزار روی JUPITER گرفتن. همه‌ی این موفقیت‌ها باعث شد همکاری بین محقق‌های جورجیا تک و مرکز Jülich به یه پروژه بزرگ‌تر به اسم ExaMFlow برسه. حالا ExaMFlow یعنی پروژه‌ای که هدفش اینه مسائل فیزیکی پیچیده (مولتی‌فیزیک) رو تو مقیاس اگزافلاپ حل کنه، یعنی دستگاه بتونه تو هر ثانیه یک کوینتیلیون! بار حساب و کتاب کنه. فقط تصور کن، یک و جلوی اون هجده تا صفر!

خود JUPITER هم با مصرف انرژی کم و بازده محاسباتی بالا رگه‌های جدیدی تو جهان ابرکامپیوترها باز کرده. این سیستم با مصرف “هر وات برق”، بیشتر از ۶۰ میلیارد عملیات انجام میده! این یعنی بین پنج غول برتر دنیا، کم‌مصرف‌ترین و بهینه‌ترینه.

رتبه‌های بالاتر از JUPITER تو دنیا متعلق به ابرکامپیوترهای اگزاسکیل دیگه‌اس؛ مثل El Capitan تو آمریکا، Frontier تو اوک ریج و Aurora تو آزمایشگاه Argonne. ولی تو اروپا JUPITER بی‌رقیب، پرتجربه‌ترین و سریع‌ترینه.

یکی از بخش‌های جالب ماجرا نقش شرکت NVIDIA بود. تجهیزات اصلی JUPITER یعنی JUWELS Booster و JETI عملاً با فناوری‌های NVIDIA کار می‌کنن. نرم‌افزار برینگلسون روی همین دو ماژول تست شد و نتیجه خیلی بهتر از بقیه سوپرکامپیوترها بود، مخصوصاً نسبت به سیستم‌هایی که گرافیکشون NVIDIA A100 بود. فقط بدونید A100 یکی از اون کارت‌های گرافیک فوق‌العاده قوی برای هوش مصنوعی و شبیه‌سازی هست.

برینلسون و تیمش تو جورجیا تک هم به این مدل کارت گرافیک‌ها در دسترسی داشتن، هم تو خوشه Phoenix، هم چندتا از ابرچیپ‌های Grace Hopper NVIDIA مدل GH200 رو داشتن؛ این چیپ‌ها نسل جدید NUVIDIA هستن که واسه کارهای حجیم محاسباتی (مثل یادگیری عمیق یا شبیه‌سازی علمی سنگین) ساخته شدن.

حالا JUPITER تقریباً ۲۴۰۰۰ تا از همین Grace Hopper Superchipها رو دل خودش داره. این یعنی وقتی تیم ExaMFlow رو این سیستم کار کرد، تجربه قبلی‌شون با سخت‌افزار NVIDIA ارزش افزوده حسابی داشت.

چندتا از دانشمندای NVIDIA هم حضور فعال داشتن؛ Nikolaos Tselepidis و Benedikt Dorschner روند فعالیت سخت‌افزارها رو موقع پروژه نظارت کردن. بچه‌های JSC یعنی لوییس سیفونته، راکش شارما، سونگ کو، و سوهل هرفف هم سهم بزرگی در پیاده‌سازی و اجرای نرم‌افزار MFC روی ماژول‌های اولیه JUPITER داشتن.

آخرش هم باید بگم همه این‌ها نشون میده که وقتی همکاری علمی، سخت‌افزار خفن و ایده‌های جدید کنار هم جمع می‌شن، میشه هم مرزهای علم رو جابجا کرد، هم دنیای شبیه‌سازی و مهندسی رو به سطح بالاتری رسوند. خلاصه اینکه سوپرکامپیوتر JUPITER و قطره‌های له‌شده پنکیکی، با هم تونستن قفل یه عالمه مسئله علمی و مهندسی رو باز کنن!

منبع: +