Tờ Computerworld, trong cuộc hội nghị siêu máy tính năm 2009, dự đoán siêu máy tính thế hệ mới exascale sẽ được triển khai vào năm 2018. Summit của Mỹ đã biến điều này thành sự thật.

Siêu máy tính (super computer) được nói đến như một hệ thống máy tính có khả năng và tốc độ xử lý cao với các đơn vị teraflop, petaflop và exaflop (exascale computing). Các siêu máy tính hàng đầu được xếp hạng dựa vào một số phép toán điểm động tính được trên mỗi giây, gọi là flop (floating point operations per second) – đơn vị đo tốc độ máy tính giải phương trình toán học.

Một teraflop tương đương với hiệu suất tính toán mỗi giây là 1.000 tỉ flop. Một petaflop tương đương 1.000 teraflop, hoặc một triệu tỉ flop. Vào khoảng cuối 2017, siêu máy tính nhanh nhất thế giới đã đạt tốc độ 10 petaflop - 10 tỉ tỉ phép tính mỗi giây, nhanh hơn máy tính Core i7 Sandy Bridge khoảng 200.000 lần. Và nay thì siêu máy tính được nhắc tới với khả năng siêu tính toán exascale, nghĩa là đề cập đến các hệ thống máy tính có khả năng tính toán ít nhất một exaflop, hoặc một tỉ tỉ phép tính mỗi giây. Một exaflop tương đương 1.000 petaflop hoặc 1.000 tỉ, 1018, mỗi giây.

Tại cuộc hội nghị siêu máy tính năm 2009, tờ Computerworld dự đoán siêu máy tính thế hệ mới exascale sẽ được triển khai vào năm 2018. Điều này đã thành sự thực khi Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge (ORNL) của Mỹ đã thực hiện tính toán 1.8 × 1018 flop trên một siêu máy tính mới để phân tích bộ gien di truyền trong năm 2018. Và như thế, cuộc chiến về tốc độ xử lý của siêu máy tính vẫn tiếp tục với sự so găng không dứt giữa các cường quốc siêu máy tính hàng đầu, trong đó không chỉ có Mỹ và Trung Quốc.

Khi nhà nhà làm siêu máy tính

Năm 2013, hai chiếc siêu máy tính mạnh nhất lúc đó đều của Mỹ là Cray Titan với khả năng xử lý 17,59 petaflop và IBM Sequoia với 17,17 petaflop. Sau đó, Trung Quốc đã công bố siêu máy tính Tianhe-2 với tốc độ xử lý đạt được là 33,86 petaflop, trở thành vua siêu máy tính cho đến năm 2016 thì bị soán ngôi bởi Sunway TaihuLight cũng của Trung Quốc với tốc độ xử lý ấn tượng là 93,01 petaflop. Cũng trong năm này, danh sách mười chiếc siêu máy tính hàng đầu do Top500 – trang web chuyên xếp hạng siêu máy tính toàn cầu – công bố, Thụy Sĩ với siêu máy tính Piz Daint 19,59 petaflop đã đánh bật Titan của Mỹ với 17,59 petaflop ra khỏi vị trí thứ 3 của bảng xếp hạng. Và Gyoukou của Nhật Bản với 19,13 petaflop xếp vị trí thứ 4, còn Titan xếp vị trí thứ 5, Sequoia thứ 6.

Đến tháng 6-2017, bảng xếp hạng các siêu máy tính trên thế giới được công bố với ngôi vị đầu bảng vẫn thuộc về siêu máy tính Sunway TaihuLight của Trung Quốc với tốc độ 93 petaflop. Vị trí thứ hai là siêu máy tính Tianhe-2 (Thiên hà 2) của Trung Quốc với tốc độ 33,9 petaflop. Trong ba năm liên tiếp, Tianhe-2 nằm ở vị trí số một trên bảng xếp hạng cho đến khi bị siêu máy tính TaihuLight chiếm lĩnh vị trị dẫn đầu. Danh sách cũng bao gồm các siêu máy tính Titan, Sequoia, Mira, Cori và Trinity (thuộc họ Cray XC40) của Mỹ, hai siêu máy tính Oakforest-PACS và K Comuter của Nhật Bản. Ngoài Trung Quốc, Nhật Bản và Mỹ, các quốc gia khác như Hàn Quốc, Nga, Úc, New Zealand, Canada… đều có siêu máy tính của mình.

Đầu tháng 6 năm 2018 này, Mỹ tuyên bố đã giành lại được “vương miện” quốc gia sở hữu siêu máy tính mạnh nhất thế giới từ tay Sunway TaihuLight (93 petaflop) của Trung Quốc bằng chiếc Summit với tốc độ xử lý 200 petaflop, tương ứng với 200.000 tỉ phép tính mỗi giây.

Siêu máy tính thế hệ mới Exascale

Summit là siêu máy tính thế hệ mới (exascale) của Mỹ, nhanh gấp bảy lần Titan, gồm 4.608 máy chủ với hơn 9.000 bộ vi xử lý IBM Power9 22 lõi và hơn 27.000 GPU Tesla V100 của Nvidia. Hệ thống làm mát tiêu tốn hơn 15.000 lít nước mỗi phút và mức năng lượng cung cấp cho Summit hoạt động đủ dùng cho 8.100 hộ gia đình ở nước này. Summit sử dụng các công nghệ máy học (learning machine) và học sâu (deep learning) – các nhánh thuộc trí tuệ nhân tạo – để nghiên cứu sức khỏe, vật lý và lập ra các mô hình khí hậu cũng như trong một số các lĩnh vực khác. Trong một giờ, Summit giải quyết được một vấn đề mà một máy tính để bàn phải mất tới 30 năm để thực hiện.

Top500.org, ngày 6-8, dẫn nguồn báo chí địa phương của Trung Quốc cho hay hai mẫu siêu máy tính thế hệ mới (exascale) của nước này đã được vận hành thử nghiệm. Một trong hai nguyên mẫu đó là Tianhe-3 và siêu máy tính exascale. Các nguyên mẫu này được xác định là không sử dụng nền tảng x86. Công ty sản xuất chip Hygon của Trung Quốc – thông qua một hợp đồng được cấp giấy phép sử dụng sáng chế về vi kiến trúc Zen EPYC thế hệ đầu tiên của AMD – vào tháng trước đã thông báo đang sản xuất những con chip, giúp loại bỏ những điểm hạn chế của siêu máy tính chạy bằng x86. Như vậy khả năng những siêu máy tính exascale sử dụng bộ vi xử lý do Trung Quốc sản xuất là rất cao và chúng được thiết kế nhằm phục vụ cho các nghiên cứu khoa học trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là lĩnh vực y tế. Theo các nhà phát triển, siêu máy tính thế hệ mới này có thể rút ngắn các quá trình nghiên cứu khoa học diễn ra trong vài năm xuống chỉ còn vài tuần. Cũng theo Top500, Nhật Bản cũng đang cho hoàn thiện hai nguyên mẫu siêu máy tính mới và hệ thống điện toán đám mây với sự hiện diện của công nghệ trí tuệ nhân tạo. Điều này hứa hẹn sự thay đổi thú vị trong bảng xếp hạng siêu máy tính của Top500 vào cuối tháng 11 tới.

Siêu máy tính thế hệ mới exascale được xem là một thành tựu đáng kể trong kỹ thuật máy tính và Mỹ đang hướng tới việc xây dựng một hệ sinh thái siêu tính toán exascale đầy đủ năng lực cho các dự án nghiên cứu vào năm 2021 và Summit là một minh chứng, bước tiến quan trọng để hướng tới điều đó. Summit sắp tới còn dùng cho các dự án phân tích các ngôi sao mới, bệnh ung thư có liên quan đến bộ gen người, bệnh Alzheimer hay bệnh tim, nhận diện các dấu hiệu sinh học và môi trường từ việc phân tích khối dữ liệu sức khỏe khổng lồ thu thập được và mô phỏng chúng.

Nguyên mẫu siêu máy tính được cho là Tianhe-3 của Trung Quốc.

Tiềm năng rộng lớn

Siêu máy tính trước đây chỉ được hiểu mơ hồ như một chiếc máy tính khổng lồ với thiết kế cấu hình rất mạnh và được các quốc gia như Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản dùng để thể hiện sức mạnh công nghệ, sức mạnh chính trị của họ hơn là để mô phỏng vũ trụ, tự nhiên phục vụ cho các nghiên cứu khoa học.

Tại Mỹ, siêu máy tính đến nay đã được dùng để mô phỏng động cơ phản lực hiện đại giúp cải thiện việc sử dụng hiệu quả nhiên liệu, hay xác định trữ lượng dầu mỏ ở Vịnh Mexico nhằm giảm sự phụ thuộc của Mỹ vào dầu mỏ nước ngoài. Siêu máy tính cũng được dùng để tạo ra một mô hình chi tiết về vi-rút viêm gan C, từ đó giúp phát triển các liệu pháp mới để ngăn ngừa và điều trị bệnh gan ở người. Siêu máy tính cũng được dùng để phát triển các mô hình thời tiết mới giúp các nhà khí tượng học dự đoán các cơn bão và lốc xoáy nguy hiểm. Ngoài ra, quân đội được cho là đang dùng siêu máy tính để chạy các mô phỏng các cuộc thử nghiệm phá hoại, tấn công trực tiếp và các cuộc trình diễn quân sự mẫu trên máy tính…

Nay với sự tiến bộ kỹ thuật về bộ vi xử lý, vật liệu và các công nghệ có liên quan, mới nhất là công nghệ trí tuệ nhân tạo, siêu máy tính hiện rõ nét hơn với những tiềm năng ứng dụng hữu ích cho con người. Siêu máy tính ngày nay không chỉ tập trung vào các hoạt động dự báo thời tiết, nghiên cứu về sự biến đổi khí hậu mà còn phục vụ cho các nghiên cứu bệnh nan y, tìm kiếm các nguồn dược phẩm mới, chăm sóc sức khỏe, môi trường, thiết kế máy bay và cả phát triển vũ khí hạt nhân. Và cuộc chiến về siêu máy tính với các quốc gia như Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản và các quốc gia khác ở châu Á, châu Âu để xây dựng những siêu máy tính tốt hơn sẽ khó mà dừng lại.