Kesäkuussa 2012 Japanin RIKEN-instituutti ja Fujitsu saivat päätökseen K-supertietokoneen lähes seitsemän vuotta kestäneen kehitystyön. K:n palvelut otettiin kokonaisuudessaan käyttöön syyskuussa 2012. Se on tällä hetkellä maailman neljänneksi nopein supertietokone.
Supertietokoneet ja niiden rakenne sekä suorituskyky kaikessa laajuudessaan ja tehossaan toistuvasti ylittävät inhimillisen käsityskyvyn, mutta yritän kuvailla joitakin K-tietokoneen piirteitä ja toimintoja.
K on RIKEN:in supertietokoneelle heinäkuussa 2010 antama lempinimi. K juontuu japanin kielen sanasta ”Kei”, jolla tarkoitetaan lukua 10 000 000 000 000 000 (10 potenssiin 15, tai tuhat biljoonaa). Tällä puolestaan viitataan K:n laskentatehoon, joka vastaa tilannetta, jossa maailman kaikki 7 miljardia ihmistä suorittaisivat samanaikaisesti yhden laskutoimituksen sekunnissa 24 tuntia vuorokaudessa 17 vuorokauden ajan. K siis suorittaa tuon määrän, eli 10 000 000 000 000 000 laskutoimitusta yhdessä sekunnissa.
K-tietokonetta ylläpitää RIKEN-instituutti Kobessa Japanissa. Supertietokone on sijoitettu RIKENin hallinnoimaan, erityisesti K-tietokonetta varten suunniteltuun rakennukseen.
Kuvan lähde: RIKEN
K koostuu 864 tietokonetelineestä ja siinä on yhteensä yli 1000 kilometriä kaapeleita. K:n laskentatehon takaavat sen yli 80 000 huipputehokasta prosessoria (SPARC64™ VIIIfx) , jotka on liitetty verkoksi erityisesti K:ta varten kehitetyllä topologialla. ”Kuusiulotteinen verkko/torus -topologia” tekee mahdolliseksi supertietokoneen huippunopean tietojenkäsittelyn ja tietoliikenteen prosessorien välillä tietojenkäsittelyn kuluessa. Jokaisessa emolevyssä on neljä kahdeksanytimistä prosessoria.
Verkkotopologialla tarkoitetaan tietokoneverkon perusrakennetta eli tapaa jolla verkon laitteet on liitetty toisiinsa. Verkon perustopologiat ovat väylä, rengas ja tähti, jolloin verkko on ikään kuin jonkun näistä muotoinen. Verkon fyysinen rakenne, eli tapa, jolla laitteet on fyysisesti kytketty toisiinsa, voi olla erilainen kuin sen looginen rakenne. K-tietokoneen verkon looginen rakenne on kuusiulotteinen, eli äärimmäisen monimutkainen.
Kuvan lähde: http://www.fujitsu.com
K:n fyysinen rakenne muodostuu telineistä (eli räkeistä), jossa on omat osansa emolevyjä, virtalähteitä, jäähdytyslaitteistoa ja järjestelmäprosessoreita varten.
Kuvan lähde: RIKEN
Vaikka supertietokoneen tehoa ja suorituskykyä voi olla ihmisen vaikea hahmottaa, on jännittävällä tavalla ristiriitaista, miten se vastaa ihmisaivojen tehoa ja suorituskykyä. K-tietokonetta käytettiin taannoin kokeessa, jossa yritettiin simuloida ja mallintaa ihmisaivojen toimintaa yhden sekunnin ajan. Avoimen lähdekoodin Neural Simulation Technology (NEST) -ohjelmiston avulla simuloitiin 1,73 miljardin hermosolun verkko, jossa 10,4 biljoonaa synapsia kytki solut toisiinsa. Tämä vastaa noin yhtä prosenttia ihmisaivojen koko neuroverkosta. K-tietokoneelta kului 40 minuuttia kokeessa tarvittavan tietomäärän käsittelemiseen. Tämä osoittaa, kuinka monimutkainen elin ihmisen aivot ovat.
On selvää, että yli 80 000 prosessorin teholla työskentelevä kone tarvitsee hyvän jäähdytyksen ja tehokkaan ilmastoinnin. K jäähdytetään vedellä, mikä vähentää prosessorien energiankulutusta ja pidentää komponenttien käyttöikää. Jäähdytysvedeksi kerätään sadevettä, joka myös kierrätetään uudelleen käytettäväksi. K:n tuottamaa melua hallitaan rakenteellisilla ratkaisuilla, jotta melun puolestaan tuottamat ympäristöhaitat jäisivät mahdollisimman pieniksi. Energiaa K-tietokoneen käyttämiseksi tuotetaan aurinkopaneelien avulla.
Kuvan lähde: RIKEN
Japanissa maanjäristysten riski on suuri, joten K:n toiminta mahdollisen katastrofin sattuessa on myös kyettävä turvaamaan. Tätä varten rakennus, jossa K sijaitsee, on suojattu järistysten varalta erityisillä rakenteellisilla ratkaisuilla, joiden tarkoituksena on estää rakennuksen sortuminen.
Kuvien lähde: RIKEN
Mutta mitä konkreettista hyötyä K:n kaltaisista supertietokoneista sitten on?
Ensinnäkin K on tiedeyhteisöjen vapaasti käytettävissä tutkimukseen. K:n avulla voidaan tehokkaasti ja nopeasti mallintaa ja tutkia luonnonilmiöitä ja ihmiskehon toimintoja, joiden tutkiminen voisi muutoin olla mahdotonta tai ainakin hidasta, kallista ja haasteellista työtä. Strategisesti merkittäviä tutkimusaloja on viisi.
1. Lääketieteellinen tutkimus/Lääkkeiden valmistus
2. Uudet materiaalit ja energiantuottotavat
3. Maantieteellisten olosuhteiden muutosten ennustaminen luonnonmullistusten torjumiseksi ja niiden aiheuttamisen tuhojen vähentämiseksi
4. MONOZUKURI, tarkoittaen ”tahtoa valmistaa hyviä tuotteita ja kykyä jatkuvasti parantaa tuotantojärjestelmiä ja -prosesseja”
5. Aineen ja universumin alkuperän tutkimus
Esimerkiksi 3D-mallien luomisessa ja digitaalisessa ympäristössä toimimisessa tarvitaan valtavia määriä tietoa, ja tämän tietomäärän käsittely on tehokkainta supertietokoneella.
K-tietokoneen suunnittelussa pidettiin tärkeänä helppokäyttöisyyttä. K on kansainvälisten tiedeyhteisöjen vapaasti hyödynnettävissä maailmanlaajuisesti. Sen toimintaa varten luodaan myös jatkuvasti uusia ohjelmistoja.
K:n suuresta laskentanopeudesta on hyötyä esimerkiksi simuloitaessa sydämen toimintaa. Simulaatio voidaan K:n avulla luoda yhdessä päivässä, kun se muutoin vaatisi jopa kahden vuoden työn.
K toimii vakaasti tehokkaiden prosessoriensa ansiosta. Prosessorit voivat toimintahäiriön tapahtuessa sivuuttaa viallisen prosessorin ja korvata toisensa, jolloin K:n toiminta ei keskeydy edes mahdollisten korjaustöiden ajaksi.
K-supertietokoneprojekti on elintärkeä myös ihmiskunnan tulevaisuuden kannalta. Projektin mukana kasvaakin joukko nuoria tieteentekijöitä.
Datamaman tietotekniikkablogi 