RIKEN співпрацює з Fujitsu та NVIDIA над суперкомп'ютером «FugakuNEXT»

За заявою RIKEN, компанія співпрацює з Fujitsu та NVIDIA з метою запуску міжнародної ініціативи з розробки нового флагманського суперкомп'ютера Японії — наступника поточного суперкомп'ютера «Fugaku» (кодова назва розробки: «FugakuNEXT»). Вперше в японських флагманських суперкомп'ютерних системах як прискорювачі будуть використовуватися графічні процесори (GPU), а компанія NVIDIA очолить розробку інфраструктури GPU. Компанія Fujitsu, яка вже співпрацює з RIKEN, очолить розробку базової конструкції всієї системи, обчислювальних вузлів і центральних процесорів (CPU). Як основа для інфраструктури високопродуктивних обчислень (HPC), три організації будуть співпрацювати над створенням «платформи AI-HPC» для вирішення завдань за допомогою обчислень.

FugakuNEXT, який планується ввести в експлуатацію приблизно у 2030 році, повинен забезпечити не тільки продуктивність моделювання, якої досягали попередні суперкомп'ютери, але й провідні у світі можливості як в моделюванні, так і в AI, причому ці дві функції будуть тісно інтегровані в єдину «AI-HPC платформу». З цією метою FugakuNEXT розширить технології CPU, розроблені для Fugaku, одночасно інтегруючи GPU як прискорювачі, з метою максимізації продуктивності виконання як для моделювання, так і для AI-додатків. Водночас для постійного досягнення наукових результатів за допомогою обчислювальної інфраструктури нового покоління, все більшого значення набуває не тільки розвиток апаратних технологій, але й комплексні інновації в області програмного забезпечення та алгоритмів.

У цьому проєкті три організації об'єднають сильні сторони RIKEN у галузі програмного забезпечення та алгоритмів, досвід Fujitsu у галузі технологій CPU та системної інтеграції, а також технології GPU та екосистему NVIDIA. Завдяки цій співпраці компанії прагнуть розробити висококонкурентну систему та створити глобальну екосистему шляхом впровадження на міжнародному ринку. Крім того, FugakuNEXT прагне до стократного підвищення продуктивності додатків порівняно з Fugaku, маючи на меті поширити ці досягнення по всьому світу. Крім того, завдяки спільним зусиллям Японії та США у розробці FugakuNEXT, проєкт прагне створити «платформу AI-HPC» як новий глобальний стандарт та значно прискорити «AI для науки» — автоматизацію та вдосконалення дослідницьких процесів, таких як формування та перевірка гіпотез. Розробка цієї «платформи AI-HPC» світового класу сприятиме підвищенню конкурентоспроможності вітчизняних технологій на світовому ринку та зміцненню стратегічної незамінності Японії в інформаційній галузі та технологіях напівпровідників, тим самим посилюючи її промислову конкурентоспроможність.

Fugaku забезпечив приблизно сорокакратне підвищення продуктивності апаратного забезпечення порівняно з його попередником, «комп'ютером K», завдяки застосуванню найсучасніших на той час технологій напівпровідників та високопродуктивної пам'яті. Крім того, завдяки лідерству RIKEN у вдосконаленні та оптимізації додатків, продуктивність була збільшена приблизно втричі, що дозволило досягти загального приросту продуктивності додатків, який перевищив ціль у стократне поліпшення для певних додатків. Однак в останні роки уповільнення приросту продуктивності та енергоефективності від напівпровідникової технологічної обробки ускладнює досягнення значного поліпшення продуктивності апаратного забезпечення. Тому, крім вдосконалення апаратного забезпечення, необхідні нові підходи, що базуються на інноваціях у програмному забезпеченні та алгоритмах.

FugakuNEXT сприятиме зміцненню інфраструктури напівпровідників та обчислювальної техніки Японії, забезпечуючи при цьому національний суверенітет у галузі передових технологій штучного інтелекту та обчислювальних платформ. Водночас він має на меті створити глобальну екосистему, як в апаратному, так і в програмному забезпеченні, шляхом впровадження на міжнародному ринку. З погляду апаратного забезпечення, система буде оснащена наступником універсального процесора «FUJITSU-MONAKA», який зараз розробляє Fujitsu, і який був вдосконалений до нового процесора з робочою назвою «FUJITSU-MONAKA-X», в поєднанні з графічним процесором, розробленим NVIDIA, який акцентує на продуктивності паралельної обробки та пропускній здатності як прискорювачі. В основі проєкту буде розглядатися можливість застосування передових технологій з'єднання між процесором і графічним процесором, а також врахування передових технологій пам'яті. В результаті FugakuNEXT буде націлений на більш ніж п'ятикратне підвищення продуктивності апаратного забезпечення в порівнянні з Fugaku.

Процесор FUJITSU-MONAKA-X, який зараз розробляє компанія Fujitsu, буде вдосконаленою версією високопродуктивного, енергоефективного та безпечного процесора FUJITSU-MONAKA. Завдяки надзвичайно великій кількості ядер та розширеній функціональності SIMD, що забезпечує високу масштабованість, він забезпечить видатну продуктивність обробки для високопродуктивних обчислювальних додатків, таких як чисельні моделювання. Крім того, завдяки інтеграції матричного обчислювального двигуна (Arm SME) в процесор, він забезпечує обробку AI-висновків з низькою затримкою. У поєднанні з GPU з високою пропускною здатністю та тісною інтеграцією система забезпечить виняткову продуктивність у навчанні AI та оптимізованих для GPU HPC-додатках. Ці вдосконалення дозволять системі задовольнити широкий спектр обчислювальних потреб, від загальних робочих навантажень до чисельних моделювань та обробки AI.

Обчислювальний прискорювач (GPU), розроблений NVIDIA, забезпечить значне і стійке підвищення продуктивності для HPC-додатків, що вимагають просунутої паралельної обробки, і для AI-додатків, включаючи генеративний AI, застосування якого швидко поширюється в промисловості, а також для додатків наступного покоління, що інтегрують AI та HPC. Крім того, він забезпечить чудову енергоефективність, високу надійність і доступність.

Для подальшого підвищення продуктивності додатків необхідні інновації в програмному забезпеченні, що включають проактивне використання обчислень зі змішаною точністю, ефективне використання апаратного забезпечення, орієнтованого на штучний інтелект, наприклад, використання обчислювальних блоків з низькою точністю для високоточних обчислень (наприклад, схема Озакі), а також алгоритмічні оптимізації, включаючи застосування сурогатних моделей і PINN (фізично-інформованих нейронних мереж) для заміни складних обчислень штучним інтелектом. Завдяки спільним зусиллям у галузі досліджень і розробок під керівництвом RIKEN у співпраці з Fujitsu та NVIDIA, проєкт буде спрямований на досягнення додаткового десяти-двадцятикратного збільшення ефективної продуктивності додатків, що перевищує прискорення, яке забезпечує лише апаратне забезпечення.

Зрештою, поєднуючи покращення продуктивності апаратного забезпечення, досягнуті завдяки спільній розробці RIKEN, Fujitsu та NVIDIA, з алгоритмічними та програмними інноваціями, що є результатом їхньої співпраці, проєкт має на меті забезпечити, в межах тих самих обмежень потужності приблизно 40 МВт, що і під час розробки Fugaku, до стократного загального збільшення продуктивності додатків — порівняно з масштабом покращення, на який було націлено під час переходу від комп'ютера «K» до Fugaku. Крім того, завдяки розвитку «AI для науки», включаючи генерацію та перевірку гіпотез на основі AI, автоматичне генерування коду та автоматизацію фізичних експериментів, проєкт прагне прискорити весь цикл наукових відкриттів.

Розроблений на основі передових технологій Японії та США, FugakuNEXT матиме продуктивність апаратного забезпечення, орієнтованого на штучний інтелект, що перевищуватиме 600 EFLOPS з точністю FP8 (розрідженою), і, як очікується, стане першою у світі системою «зета-масштабу» як суперкомп'ютер для HPC. Програмне забезпечення, моделі штучного інтелекту та додатки, розроблені в рамках цього проєкту, будуть відкрито доступні через хмарні середовища, наприклад, через «віртуальний Fugaku», ще до запуску системи FugakuNEXT, тим самим сприяючи розвитку екосистеми для високопродуктивної обчислювальної інфраструктури в епоху конвергенції штучного інтелекту та моделювання.

У проєкті FugakuNEXT, поряд з розробкою апаратного забезпечення, підтримка розробки передових додатків також визнається важливою компонентою ініціативи. RIKEN буде сприяти перенесенню та оптимізації GPU, а також побудові тестового майданчика FugakuNEXT, використовуючи доступні системи CPU/GPU, такі як «Суперкомп'ютер для розвитку штучного інтелекту в науці». Зокрема, для проєктування систем та спільного проєктування додатків з використанням технологій CI/CD/CB, RIKEN буде співпрацювати з Міністерством енергетики США (DOE) в рамках «Проєкту з високопродуктивних обчислень та штучного інтелекту» між Міністерством освіти, культури, спорту, науки та технологій Японії (MEXT) та DOE. Ця співпраця сприятиме розвитку середовища безперервної оцінки продуктивності за допомогою автоматизованого середовища тестування «Benchpark» та передбачатиме тісну взаємодію з ширшим товариством розробників додатків.

Що стосується програмного забезпечення, RIKEN очолить зусилля у тісній співпраці з університетами та науково-дослідними установами, співпрацюючи з Fujitsu та NVIDIA з метою розробки передових середовищ, таких як забезпечення ефективного використання можливостей обробки штучного інтелекту, підготовка бібліотек, що сприяють прискоренню складних обчислень за допомогою AI, а також підтримка розробки та оптимізації коду на основі AI для FugakuNEXT. Також важливо буде забезпечити безперебійну роботу комерційних додатків та широкого спектра програмного забезпечення з відкритим кодом (OSS), а отже, програмний стек, розроблений RIKEN для Fugaku та віртуального Fugaku, буде вдосконалено та надано для використання в FugakuNEXT.

Для конкретного впровадження додатків повне використання можливостей обчислювальної інфраструктури наступного покоління вимагатиме не тільки вдосконалення фізичного моделювання, але й інтеграції та оптимізації технологій на основі даних, таких як штучний інтелект. Група під керівництвом доцента Кохея Фудзіти (Kohei Fujita) (Інститут дослідження землетрусів, Токійський університет / гостьовий дослідник RIKEN) працює над поглибленням розуміння механізмів виникнення землетрусів з кінцевою метою сприяння запобіганню та пом'якшенню наслідків землетрусів і цунамі в майбутньому. Завдяки розвитку «багатомасштабного симулятора», здатного безперешкодно моделювати як великомасштабні деформації земної кори, так і локальні сейсмічні рухи, очікується, що дослідники зможуть, наприклад, використовувати обчислювальні моделі для оцінки ймовірності наступних землетрусів у прилеглих районах після великої сейсмічної події.

Також ведуться роботи з впровадження інновацій у виробництво шляхом поєднання HPC та AI. Традиційно процеси проєктування у виробництві значною мірою залежали від людського досвіду та ітеративних спроб і помилок. Зараз підвищення ефективності досягається шляхом інтеграції симуляцій на основі HPC з розпізнаванням образів та прогнозним моделюванням на основі AI. У майбутньому AI зможе навчатися на основі високоточних симуляцій HPC, а співпраця агентів AI з генеративним AI, як очікується, дозволить автоматизувати створення оптимальних конструкцій, що відповідають множинним вимогам, включаючи продуктивність, безпеку та вартість, що забезпечить швидку та висококонкурентну розробку продуктів.

Щодо розробки FugakuNEXT, базовий дизайн планується завершити до кінця 2025 фінансового року, а перехід до детального дизайну — з 2026 фінансового року. RIKEN планує створити міжнародну платформу для співпраці з провідними науково-дослідними інститутами HPC у всьому світі, включаючи ті, що підпорядковуються Міністерству енергетики США (DOE), з метою просування розробки програмного забезпечення та алгоритмів, тим самим сприяючи створенню екосистеми, центром якої буде FugakuNEXT.

RIKEN сприятиме створенню нових додатків у нових наукових і технологічних галузях, передбачених для ери FugakuNEXT, включаючи «AI для науки», та сприятиме готовності додатків для прискорювачів, які вже призначені для впровадження в FugakuNEXT. Ці зусилля супроводжуватимуться ініціативами з розвитку людських ресурсів, щоб забезпечити досягнення конкретних результатів, як тільки FugakuNEXT почне працювати приблизно у 2030 році.

Крім того, інтеграція HPC з квантовими комп'ютерами (QC) стає все більш важливою для розширення обчислювальних можливостей, оскільки вже реалізуються додатки, що використовують квантові можливості. Передбачаючи, що інтеграція QC-HPC прогресуватиме ще більше до 2030 року, коли FugakuNEXT має вступити в експлуатацію, RIKEN працюватиме над адаптацією програмних стеків, розроблених в RIKEN, університетах, дослідницьких установах та компаніях, щоб їх також можна було використовувати в FugakuNEXT для побудови гібридного середовища QC-HPC.

Макото Гонокамі (Makoto Gonokami), президент RIKEN, сказав: «Для RIKEN велика честь співпрацювати з Fujitsu та NVIDIA у просуванні розвитку FugakuNEXT. З давніх часів людство будувало цивілізації та розвивало суспільства завдяки науці про обчислення. Сьогодні поява штучного інтелекту, сучасних напівпровідників та квантових комп'ютерів спричиняє неперервну трансформацію обчислювальної науки — історичний зсув парадигми, що відкриває абсолютно нові горизонти.
RIKEN вже давно перебуває в авангарді обчислювальної науки, демонструючи глобальне лідерство завдяки розробці та впровадженню суперкомп'ютерних систем світового класу, таких як K computer і Fugaku. Дотримуючись принципу «спадкоємності та інновацій», FugakuNEXT об'єднає знання в галузі апаратного та програмного забезпечення, а також алгоритмів, щоб досягти безпрецедентної продуктивності та встановити нові глобальні стандарти. Відповідно до стратегії Японії у сфері напівпровідників та завдяки тісній співпраці з різними вітчизняними та міжнародними партнерами, проєкт FugakuNEXT сприятиме вирішенню глобальних викликів та сприятиме сталому промисловому зростанню, що реалізується через концепцію «Made with Japan».

Вівек Махаджан (Vivek Mahajan), корпоративний виконавчий директор, корпоративний віцепрезидент, технічний директор, відповідальний за системну платформу, Fujitsu, сказав: «Fujitsu має честь бути частиною цієї співпраці. Використовуючи нашу передову технологію процесорів FUJITSU-MONAKA, виготовлених в Японії, та досвід, набутий під час реалізації проєктів з побудови систем, таких як Fugaku, ми будемо сприяти створенню провідної у світі обчислювальної інфраструктури нового покоління, тісно співпрацюючи з RIKEN та нашими партнерами-постачальниками. Fujitsu також приділяє велику увагу технології квантових обчислень, маючи на меті створити надпровідний квантовий комп'ютер з понад 10 000 фізичних кубітів і 250 логічних кубітів до 2030 фінансового року. Ми інтегруємо технологію, розроблену в рамках проєкту FugakuNEXT, з цією квантовою технологією, щоб реалізувати гібридну платформу квантових високопродуктивних обчислень (HPC) і створити нову цінність за допомогою інноваційних методів обчислень».

Іан Бак (Ian Buck), віцепрезидент з гіпермасштабних та високопродуктивних обчислень, NVIDIA, заявив: «Японія є світовим лідером у галузі технологій, просуваючи виробництво, робототехніку та інженерну досконалість, одночасно зосереджуючись на стійкості до природних катастроф та старінні населення — і штучний інтелект та HPC мають унікальні можливості для вирішення цих складних завдань. Завдяки співпраці RIKEN, Fujitsu та NVIDIA, FugakuNEXT забезпечить продуктивність на зета-рівні з майже в 100 разів вищою швидкістю роботи додатків — при тому ж енергоспоживанні, що і його попередник — прискорюючи дослідження, підвищуючи конкурентоспроможність промисловості та сприяючи прогресу для людей в Японії та в усьому світі».

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI