探秘阿貢國家實驗室的“極光”超級計算機內部

伊利諾伊州萊蒙特——把計算機想象成音樂會。單個樂器能發聲,但得靠整個管絃樂隊才能奏響交響樂。

同樣,一臺計算機可以進行計算,但成千上萬臺聯網的計算機可以創造“數學音樂”,對整個宇宙的動態進行建模。

邁克·帕普卡教授說,地球上最快的機器之一——阿貢國家實驗室的極光超級計算機也是如此。

“它進行數學運算的速度極快,”阿貢國家實驗室領導計算設施的主任帕普卡說。“現在,你的筆記本電腦可以做數學運算。只是它所能進行的數學運算的規模不一樣。”

是什麼讓一臺普通的計算機變成了超級計算機?據帕普卡說,答案是聯網——大規模地連接處理器。例如,他談到了逐街模擬整個芝加哥市。

“所以,我要做的是在網絡上快速傳達每條街道上正在發生的事,”帕普卡說。“所以,如果我要做像整個芝加哥市這麼複雜的事情,我有很多街道,我有很多處理器,我該如何把它們連接起來,正是這種聯網將它們全部整合在一起。”

極光不是阿貢國家實驗室的第一臺超級計算機,但它是最強大的。總共有 160 個機架,每個 8 英尺高,排成 8 行,全部由 300 英里的電纜連接。這足以從芝加哥延伸到聖路易斯。

他說:“這實際上指的是系統能夠執行的操作數量。 極光每秒能夠進行千萬億次(10 的 15 次方)計算,”帕普卡說。“那是 1 後面跟着 18 個 0,或者一百萬個一萬億。”

帕普卡說:“有一種思考方式,如果這個星球上的每個人都做數學題,每秒四個,每天 24 小時,每週 7 天,持續一年多一點,這就是極光一秒鐘能做到的。”

極光如此之大,以至於美國能源部建造了一座最先進的建築來容納它。 它佔地 10,000 平方英尺——相當於這是兩個完整的 NBA 籃球場的大小。它重 600 噸——與奧黑爾國際機場最大的客機重量相同。

“這是因爲這些設備都是相互連接的,所以它並不比你的筆記本電腦複雜多少,但實際上相當於連接了一百萬檯筆記本電腦,”帕普卡說。

維持極光的運行需要 60 兆瓦的電力,這足以給多達 25000 戶家庭供電。工程師們已經想出了一種防止機器過熱的辦法:44000 加侖的水在白色管道中流動,比風扇更有效地冷卻計算機。

每個機架可容納 64 個“刀片”或者“節點”。每個節點有兩個中央處理器或 CPU 和六個圖形處理器或 GPU。

“GPU——圖形處理單元——是你在家用遊戲機,你的 PS2,你的 X-Box 360 中能找到的東西,但它們非常擅長數學運算,”他說。

這些 GPU 集羣使極光成爲世界上最快的人工智能系統,並可用於對從單個原子的結構到整個宇宙的結構的一切進行建模。

“它在很大程度上是爲了支持人工智能而設計的,在科學和計算領域,這就是現在有趣的事情正在發生的地方,”帕普卡說。

這臺計算機服務於“開放科學”理念,即任何人都能申請使用,前提是其研究成果得公開,從而爲全人類拓展知識。

而且其解決問題的能力近乎無限。

在同一個園區內有着世界上最強大的 X 射線機——先進光子源,來自全球各地的科學家正在竭力確定那些對生命及救命藥物研發至關重要的複雜蛋白質的結構。

‘我們獲取那些 X 射線,使其穿過蛋白質晶體,而非玻璃,然後告知你那些蛋白質的三維結構是啥樣,’康奈爾大學的研究助理凱·佩裡說道。

一旦他們收集到原始數據,他們便使用極光在短短几分鐘內而非數月內對其加以分析。

“這讓解決問題的速度大幅提高,”她說。“當計算所需的時間大大縮短時,能更快地取得突破。”

科學家們已經在使用這臺超級計算機來模擬那些在現實生活中要麼太昂貴要麼太危險而無法進行的實驗。並且可能在從人類健康,到工程、金融、國家安全以及災害預測等領域實現突破。

“像 MIRA(阿貢國家實驗室早期的超級計算機)這類前幾代的機器無法將所有事情一併完成,所以如果你想要反應的所有部分,你會將它們作爲單獨的模擬來做,而現在有了極光類型的系統,你開始將它們組合在一起,”帕普卡說。

超級計算、量子物理與人工智能的結合,均是州長 JP 普利茲克(JP Pritzker)欲使伊利諾伊州成爲全國領先科技中心這一願景的一部分。

“要是不關注量子和人工智能,就沒法擁有具備前瞻性思維和創新力的經濟,而這恰恰是我們所擁有的,”普利茲克說。