У міру того як наші пристрої стають все більше зав’язані на інтернеті, а ми поступово відходимо від парадигми персональних комп’ютерів, суперкомп’ютери все менше і менше здаються нам громіздкими і божевільними пристроями з тисячами охолоджуючих боксів і впорядкованим нагромадженням процесорів. Але гігантські паралельні системи — які схожі на ці самі старі суперкомп’ютери — все ще розробляються.

Більшість з нас знає, що таке закон Мура, який за своєю суттю свідчить, що потужність комп’ютерних чіпів подвоюється кожні півтора-два роки. Це відноситься не тільки до наших комп’ютерів і смартфонів. Всі наші електронні пристрої йдуть шляхом удосконалення: швидкість обробки зростає, чутливість датчиків, пам’ять і навіть пікселі екрану або камери стають краще і краще. Чіпи можуть поліпшуватися і зменшуватися до неймовірних меж, поки квантові ефекти не почнуть вносити дисонанс. Деякі експерти вважають, що протягом 50 найближчих років закон Мура все ж обмежить і сповільнить розвиток комп’ютерних чіпів. Не дивно, що найбільші виробники чіпів вже зараз починають шукати альтернативу.

Наші телефони та планшети ще довго можуть дивувати нас подвоюється кожні два роки потужністю, але за лаштунками є речі, які вимагають більше — «хмари», суперкомп’ютери, найдрібніші обчислювальні системи. Давайте спробуємо припустити, яким шляхом підуть суперкомп’ютери майбутнього і як це відіб’ється на загальній обчислювальної потужності нашої планети.

Екзафлопс і далі

Мініатюризація компонентів чіпа — це тільки півсправи. По інший бік медалі, суперкомпьютерам потрібна спеціальна збірка для більшої потужності. У 2008 році IBM Roadrunner подолав межу в один петафлопс: один квадрильйон операцій в секунду. (Флопс означає «кількість операцій з плаваючою комою в секунду», і це стандарт, який ми використовуємо, говорячи про суперкомп’ютерах, які використовуються для наукових розрахунків).

У науковому поданні петафлопс вимірюється в 10 ^ 15 операцій в секунду. Екзафлопсний комп’ютер — який з’явиться в 2019 році, за різними прогнозами — буде мати продуктивність в 10 ^ 18, в тисячу разів більше, ніж петафлопсние комп’ютери, які ми спостерігаємо сьогодні. Для порівняння: найпотужніший з 500 найшвидших суперкомп’ютерів у світі станом на 2014 рік «Тяньхе-1А» володіє продуктивністю менше 60 петафлопс. До 2030 року суперкомп’ютери повинні набрати продуктивність в зеттафлопс, або 10 ^ 21 операцій в секунду, а потім і йоттафлопс, або 10 ^ 24.

Що ці цифри насправді означають? Передбачається, що повна імітація комп’ютерного мозку стане можливою до 2025 року, а зеттафлопсовие комп’ютери зможуть точно передбачати всю погоду на планеті за два тижні.

Зелені суперкомп’ютери

У будь-якої потужності є своя ціна. Якщо кулер вашого комп’ютера коли-небудь ламався або ви сиділи з ноутбуком на колінах, ви знаєте, чого варто потужність: комп’ютери нагріваються в процесі роботи. Насправді, одна з основних проблем розробників суперкомп’ютерів пов’язана з пошуком розумного шляху встановлення і використання могутніх машин без збоїв або шкоди для планети. Зрештою, одне з головних призначень моделювання погодних умов буде направлено на управління викидами оксиду вуглецю, так що було б не дуже розумно додавати кліматологам проблем у процесі вирішення цих завдань.

Комп’ютер працює вкрай погано, якщо перегрівається. Будь-яка комп’ютерна система корисна настільки, наскільки вона працює у свої найгірші дні, тому охолодження гарячих мікросхем представляє великий інтерес для інженерів. Більше половини енергії, використовуваної суперкомпьютерами, йде на охолодження. І екологічні проблеми вже викликають серйозну стурбованість у світлі підвищення продуктивності комп’ютерів. Зелені рішення та енергоефективність давно стали основою кожного проекту суперкомп’ютера.

Від охолодження «безкоштовним повітрям» — тобто інженери намагаються підвести зовнішнє повітря до системи — до апаратних конструкцій, що збільшують площу поверхні системи, вчені намагаються бути максимально інноваційними з метою підвищення ефективності охолодження суперкомп’ютерів. Однією з найбільш цікавих ідей, які намагаються впровадити, є охолодження системи рідиною, яка буде збирати тепло у міру перебігу по трубах в самому комп’ютері. Проекти, які входять в топ-500 найпотужніших суперкомп’ютерів, сприймають це дуже серйозно.

Звернення до проблем екології та ефективності не тільки корисно для нашої планети, а й необхідно для роботи машин. Можливо, це не найцікавіший пункт в нашому списку, тому давайте підемо далі.

Штучний мозок

Давайте поговоримо про те, що має статися в період між 2025 і 2030 роками, коли суперкомп’ютери зможуть картографувати людський мозок. У 1996 році вчений з Сіракузького університету оцінив, що наші мізки володіють пам’яттю від 1 до 10 терабайт, в середньому близько 3. Звичайно, надзвичайно доречним буде зазначити, що наші мізки працюють не так, як комп’ютери. Але протягом наступних 20 років комп’ютери повинні запрацювати як наші мізки.

Точно так само, як суперкомп’ютери надзвичайно корисні в картографуванні генома людини, вирішенні медичних проблем і в іншому, точні моделі людського мозку істотно полегшать діагностику, лікування і розуміння складнощів людської думки та емоцій. У поєднанні з технологією візуалізації, лікарі зможуть виявляти проблемні зони, моделювати різні форми лікування і навіть дістатися до коренів багатьох питань, які мучать нас з початку часів. Імплантуються і прищеплений чіпи та інші технології допоможуть спостерігати і навіть змінювати рівень серотоніну та інших нейромедіаторів для поліпшення настрою і загального емоційного стану, а неправильна робота окремих ділянок мозку в процесі травм, наприклад, і зовсім може бути викорінена.

Крім успіхів в медицині, які обіцяють нам суперкомп’ютери, є також питання штучного інтелекту. Вже зараз комп’ютери середньої продуктивності можуть навчитися деяким можливостям штучного інтелекту, серед яких розумна система добірки рекомендацій книг і телевізійних програм — саме менше. Уявіть собі інтернет-лікаря, який зможе замінити собою справжнього лікаря і навіть цілий консиліум кращих лікарів світу.

Погодні системи і складні моделі

До 2030 року, як передбачається, зеттафлопние суперкомп’ютери зможуть точно змоделювати цілу погодну систему Землі за два тижні. Ми маємо на увазі 100-відсотково точну модель всієї нашої планети і екосфери, з місцевими та глобальними прогнозами, доступними після натискання кнопки. Якщо не говорити про очевидно корисних речах — пророкувань стихійних лих, наприклад — уявіть, що ваш відпустку або весілля не будуть зіпсовані погодою, оскільки ви будете знати її за кілька тижнів вперед.

Клімат Землі — настільки складна система, що її часто обговорюють у зв’язку з теорією хаосу, складність якої деякі з нас навіть і уявити не можуть. Питання про те, чи може помах крила метелика в Бразилії викликати торнадо в Техасі, перестане існувати. Коротше кажучи, складно навіть уявити більш складну систему великого масштабу, ніж погода нашої планети.

Виробництво продуктів і сільське господарство, вплив погоди на інші масштабні наукові проекти (полярні експедиції або запуск космічних апаратів), пророкування стихійних лих — це тільки кілька рятівних варіантів, які запропонує нам обчислювальна потужність.

І звичайно, погодна система — це тільки верхівка айсберга. Якщо ви зможете ідеально уявити погодні умови, ви так само просто зможете відтворити будь-яку складну і велику систему.

Імітація світу

Більшість з нас знайомі з онлайн-іграми і може пригадати, коли симулятори життя типу Second Life або The Sims були в моді. Віртуальна реальність завжди була улюбленим сюжетом наукової фантастики. Але якщо ви помножите її на можливості суперкомп’ютерів, ігри та віртуальне середовище можуть стати більше, ніж просто розвагою.

Хоча розробка такою собі «Матриці», безумовно, буде вражати, перенесення наших повсякденних культурних і соціальних змін з метою спостереження за ними та прогнозування, можуть бути вкрай корисні для нашого нестабільного суспільства. Уявіть, як спростяться питання міського планування, забудови нових районів, нерівномірного розподілу продуктів харчування і ресурсів.

Суперкомп’ютери НЕ будуть гадати на кавовій гущі: вони отримуватимуть інформацію з усіх можливих джерел — від останніх твітів в топі до використання енергетичної мережі на даний момент — і створювати моделі, які допоможуть регулювати не тільки поточні чинники, а й майбутні плани. Дефіцит газу, електрики, води, планомірне використання цих ресурсів і забезпечення енергією масштабних подій на зразок Олімпіади перестануть хвилювати людей.

З бездротовим інтернетом, який захопив країни і весь світ, якісна модель нашого світу в один прекрасний момент не відрізнятиметься від світу, в якому ми живемо. Тільки зараз ми починаємо втілювати в життя всі ці можливості, які не були б доступні без суперкомп’ютерів.