Siêu Máy Tính Là Gì? Siêu Máy Tính Được Dùng Để Làm Gì?

Siêu máy tính là gì? Trong những năm trở lại đây, thuật ngữ “siêu máy tính” đã dần trở nên quen thuộc đối với nhiều người. Khi nhắc đến nó, người ta dễ dàng liên tưởng đến những chiếc máy tính lớn có sức mạnh lớn hơn nhiều so với những chiếc máy tính thông thường. Vậy chính xác SuperComputer là gì, nó được cấu tạo như thế nào và nó được dùng để làm gì? Hãy cùng MCSG tìm hiểu trong bài viết dưới đây nhé. 

Siêu máy tính là gì?

Siêu máy tính hay còn được gọi là Supercomputer, là một loại máy tính rất khác so với máy tính để bàn và máy tính xách tay mà bạn quen sử dụng. Nó lớn hơn và có sức mạnh hơn nhiều so với máy tính cá nhân. Do đó, siêu máy tính không bao giờ được sử dụng để soạn thảo văn bản hay chơi game. 

Thay vào đó, nó được dùng để nghiên cứu khoa học, xử lý và tính toán phức tạp. Hiện tại siêu máy tính đang có tốc độ xử lý hàng nghìn Teraflop (1 Teraflop bằng một nghìn tỷ phép tính trên giây) bằng tổng tốc độ xử lý của 6000 máy tính tiên tiến bậc nhất hiện nay gộp lại. 

Hiện nay, một máy tính thường ngày hoạt động dựa trên nguyên lý xử lý tuần tự: Lấy thông tin (dữ liệu) bằng công đoạn gọi là đầu vào, lưu trữ và xử lý dữ liệu, sau đó tạo ra một dòng đầu ra (kết quả). Vậy cách hoạt động của siêu máy tính là gì? 

Siêu máy tính hoạt động theo phương pháp hoàn toàn khác đó là xử lý đồng thời những tác vụ, tức có thể làm nhiều việc một lúc. Bên cạnh đó việc xử lý đồng thời cần tập trung nhiều công việc cần xử lý cùng lúc hơn nên siêu máy tính là những tập hợp gồm nhiều máy tính khiến cho chúng mang kích thước đồ sộ.

Quá trình phát triển của các loại siêu máy tính

Trước khi đi vào những thông chính của bài, chúng ta hãy sơ lược qua đôi nét về lịch sử để biết về quá trình phát triển của siêu máy tính là gì nhé.

Siêu máy tính đầu tiên xuất hiện đó là ENIAC được ra mắt ngày 15/2/1946 ngay 3 năm sau máy tính điện đầu tiên xuất hiện. Cỗ máy do John Mauchly và J. Presper Eckert thiết kế và lắp đặt, dài khoảng 25m và nặng 30 tấn. Năm 1953, IBM đã phát triển một máy tính lớn là IBM 701 và đã bán được khoảng 20 chiếc cho nhiều cơ quan chính phủ và quân đội. 

Năm 1956, IBM đã phát triển ra siêu máy tính Stretch cho phòng thí nghiệm tại đất nước Los Alamos. Lúc đó, nó vẫn là chiếc siêu máy tính nhanh nhất thế giới cho đến năm 1964, mẫu CDC6600 ra mắt với khả năng giải quyết 3 triệu phép tính mỗi giây.

Thời điểm phát triển nhanh của siêu máy tính là gì? Đó là trong những năm 1960 đến 1970 hàng loạt siêu máy tính được ghi nhận như: IBM 7030 Stretch, Hệ thống Nghiên cứu Nguyên tử Livermore (LARC) và máy tính Atlas của Đại học Manchester. Chúng chủ yếu phục vụ cho cho nhu cầu nghiên cứu khí động lực học và dự báo thời tiết cũng như chế tác phi cơ, ô tô và hoả tiễn vũ trụ.

Giai đoạn 1980 – 2000 là thời kỳ phát triển của các siêu máy tính tìm xác suất, mô hình giả lập 3D cũng như phóng xạ. Thời kỳ sau đó với sự phát triển của trí tuệ nhân tạo (AI), chúng được ứng dụng vào quân sự như mã hoá, hạt nhân,…Như vậy, sau khi đã hiểu rõ về siêu máy tính là gì, ta đã thấy được những ứng dụng to lớn của nó.

Những siêu máy tính bậc nhất toàn cầu hiện tại nằm ở các nước như Mỹ, Liên minh châu Âu, Nhật Bản và Trung Quốc. Trong ấy Mỹ và Trung Quốc là những nước đang dẫn đầu cuộc đua này. 

Đối tượng nào nên sử dụng siêu máy tính 

Nếu đã hiểu siêu máy tính là gì, bạn sẽ thấy Supercomputer dành cho các nhà nghiên cứu. Khái niệm về nhà nghiên cứu khá rộng và phức tạp. Tuy nhiên bạn có thể hình dung các công việc nhà nghiên cứu phải thực hiện bao gồm việc phát triển các phương pháp mô phỏng phản ứng mặt trời cho đến mô hình hóa các hệ thống vật lý như động cơ máy bay, khí hậu Trái đất hay hệ thống mạch máu người.

Bên cạnh đó, các công việc của họ có thể liên quan đến việc đưa ra các quyết định hay các chính sách quan trọng thường dựa trên các kết quả tính toán do họ phát hiện. Trong trường hợp đó, những kết quả này phải cực kỳ chính xác. Vì vậy siêu máy tính là một yếu tố phụ trợ hiệu quả trong các nghiên cứu như vậy.

Mức độ quan trọng của siêu máy tính là gì?

Siêu máy tính được sử dụng trong mọi lĩnh vực khoa học, bao gồm dự báo thời tiết, nghiên cứu thiên văn, khí hậu,…Theo chuyên gia Chris Woodford của Explainthatstuff, về mặt lý thuyết, một siêu máy tính có thể được sử dụng cho bất cứ việc gì. Bên cạnh đó, siêu máy tính còn có tiềm năng trở thành biểu tượng mới của sức mạnh công nghệ.

Theo John Kelly, Phó chủ tịch cấp cao về nghiên cứu nhận thức và giải pháp của IBM: “ai có siêu máy tính mạnh hơn sẽ có thể làm chủ công nghệ. Mọi người có thể sử dụng nó để mô hình hóa nhằm dự đoán tương lai, cũng như khám phá những điều chưa biết trong y học, khoa học, chăm sóc sức khỏe và vật liệu”.

Kiến trúc, phần cứng và phần mềm của siêu máy tính là gì?

Kiến trúc

Các loại siêu máy tính ban đầu do Seymour Cray thiết kế dựa trên kỹ thuật tính toán song song và nhỏ gọn để đạt được hiệu suất tính toán cao. Bạn có hiểu kỹ thuật tính toán song song của siêu máy tính là gì không? Nếu muốn biết bạn nên đọc phần này nhé.

Việc sử dụng một số lượng lớn CPU để thực hiện một tập hợp các phép tính cụ thể được gọi là tính toán song song. Tất cả các tính toán sẽ được thực hiện song song. Có hai cách áp dụng phổ biến:

Điện toán phân tán

Nhiều máy tính nhỏ đặt trên toàn quốc được liên kết với nhau thành mạng thông qua một máy trung tâm (Control Node). Trong đó, máy chính có nhiệm vụ chỉ huy và giao nhiệm vụ cho các máy con xử lý.

Điện toán tập trung

Các loại siêu máy tính này là một loại cụm máy tính (Computer Cluster) bao gồm một hệ thống được tạo thành từ nhiều CPU nằm gần nhau. Bởi vì những CPU này thường được tìm thấy trong một số lượng lớn các máy tính tương tự, hệ thống được coi như một siêu máy tính duy nhất. Loại siêu máy tính này chiếm hơn 80% hệ thống siêu máy tính trên thế giới. Chính vì thế, khi được hỏi về điện toán tập trung của siêu máy tính là gì, bạn hãy phân biệt được loại này với loại điện toán phân tán nhé. 

Phần cứng

Như đã nói trước đây, siêu máy tính trong những năm 1970 chỉ sử dụng một số bộ vi xử lý. Tuy nhiên, đến những năm 1990, số lượng CPU của nó đã tăng lên hàng nghìn và ngày nay, một siêu máy tính với hàng chục nghìn CPU được coi là bình thường.

Trong các siêu máy cluster, nhiều “node” (nút) nhỏ thường được kết hợp để tạo thành một hệ thống lớn. Mỗi nút này đại diện cho một máy tính gần như hoàn thiện, hoàn chỉnh với một hoặc nhiều CPU, nhiều thanh RAM, GPU, quạt làm mát và một vài thành phần khác. 

Các nút sẽ được liên kết theo nhiều cách khác nhau, bao gồm cáp đồng hoặc cáp quang truyền thống để tăng băng thông. Sức mạnh của hệ thống siêu máy tính sẽ đến từ sức mạnh tổng hợp của tất cả các nút hoạt động cùng nhau. Qua thông tin này, chắc hẳn bạn đã biết sức mạnh của siêu máy tính là gì rồi đúng không.

Mọi người cần ổ đĩa lưu trữ trong các hệ thống siêu máy tính và các ổ cứng HDD và SSD này không có trong máy (DAS – Direct Attached Storage) như trên PC. Thay vào đó, chúng thường được đặt trong một tủ riêng (SAN – Storage Area Network), có kết nối mạng riêng và dung lượng “khủng”.

Ngoài CPU, GPGPU (bộ xử lý đồ họa đa năng) cũng là một thành phần bạn nên biết nếu đang tìm hiểu về phần cứng của siêu máy tính là gì. Đây là bộ phận hiện được sử dụng để tăng sức mạnh của các loại siêu máy tính. Cho đến nay, chúng ta đã biết rằng GPU được sử dụng để hiển thị hình ảnh và xử lý các tác vụ liên quan đến đồ họa, nhưng chúng cũng có thể xử lý dữ liệu và thực hiện một số tác vụ tương tự như CPU. 

Trên thực tế, việc sử dụng GPGPU để tăng hiệu suất CPU vẫn đang được các nhà khoa học tranh luận. Nhiều người cho rằng việc bổ sung GPGPU sẽ giúp siêu máy tính trở nên mạnh mẽ hơn và đạt benchmark cao hơn. Nhưng trên thực tế, nó đòi hỏi phải bỏ rất lớn công sức để tinh chỉnh phần mềm để có thể tối đa hóa sức mạnh của kiến trúc kết hợp này.

Phần mềm

Hệ điều hành của các loại siêu máy tính phổ biến nhất trên thị trường hiện nay là Linux. Thị phần thấp hơn là Windows và BSD, nhưng chúng không đáng tin cậy và ít phổ biến. Vậy để biết lý do hệ điều Linux lại được dùng cho siêu máy tính là gì, bạn hãy xem lại bài viết về hệ điều hành Linux trước đó nhé. 

Do kiến trúc tính toán song song của hệ thống siêu máy tính, các kỹ thuật lập trình đặc biệt thường được yêu cầu sử dụng để có thể khai thác tối đa sức mạnh vượt trội của các siêu máy tính. Các chức năng API như MPI, VTL và PVM được sử dụng, cũng như các giải pháp phần mềm nguồn mở như EBowulf. 

Trong hầu hết các trường hợp, môi trường PVM và MPI sẽ được sử dụng cho các hệ thống cluster, trong khi OpenMP sẽ được sử dụng cho các hệ thống bộ nhớ chia sẻ. Các thuật toán cũng phải được tối ưu hóa nhiều vì siêu máy tính chạy trên nhiều CPU và GPU, chưa kể mỗi tủ siêu máy tính được đặt tách biệt với các tủ khác. 

Các hãng sản xuất siêu máy tính 

Sau khi hiểu siêu máy tính là gì, bạn có thắc mắc các hãng sản xuất siêu máy tính là những hãng nào không? Nếu có, hãy xem phần sau:

Như bạn có thể thấy, ba công ty hàng đầu trong lĩnh vực siêu máy tính hiện nay là IBM, HP và Cray. Tuy nhiên, hiện nay các tập đoàn công nghệ lớn như Dell, NEC, Intel, Lenovo, Fujitsu, Acer và Oracle cũng là những tập đoàn đang hoạt động trong thị trường này.

Các loại siêu máy tính mạnh nhất trên thế giới

Sau khi đã hiểu rõ về siêu máy tính là gì cũng như tầm quan trọng của nó, ta hãy đi khám phá các siêu máy tính mạnh nhất trên thế giới và xem chúng có những ưu điểm gì nhé.

Lassen (18,2 petaflop)

Đây là phiên bản chưa được phân loại của Sierra. Tốc độ của cỗ máy này nhanh hơn tốc độ tối đa được ghi nhận vào mùa thu năm ngoái, là 15,4 petaflop. Nó được xây dựng với kiến trúc IBM Power9 / NVIDIA V100 GPO.

SuperMUC-NG Super (19,5 petaflop)

Siêu máy tính mới nhất của Trung tâm siêu điện toán Leibniz của Đức được gọi là SuperMUC. SuperMUC hiện đang chạy trên hệ thống máy chủ IBM iDataPlex với 300TB RAM và công nghệ siêu kết nối InfiniBand để hỗ trợ 147.456 lõi xử lý.

Al Bridging Cloud Infrastructure (19,9 petaflop)

Đây là một siêu máy tính bạn không nên bỏ qua nếu đang tìm hiểu về các loại siêu máy tính là gì. Siêu máy tính này được lắp đặt tại Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Quốc gia Nhật Bản Fujitsu đã tạo ra chiếc máy tiết kiệm năng lượng này với máy chủ Primergy CX2550, được trang bị bộ xử lý Intel Xeon Gold và GPU Nvidia Tesla V100. Nó có thể xử lý 19,9 petaflop và có hiệu suất năng lượng 12,05 gigaflop mỗi watt.

Trinity (20,2 petaflop)

Trinity là một hệ thống Cray XC40 do Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos và Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia điều hành, đã đạt được tốc độ tối đa 20,2 petaflop. 

Siêu máy tính này được đặt tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và được cung cấp bởi bộ vi xử lý Intel Xeon và Xeon Phi. Nó có hiệu suất năng lượng là 3.678 gigaflop trên mỗi watt. Nếu đang tìm hiểu siêu máy tính là gì, bạn chắn hẳn sẽ cảm thấy hứng thú với loại siêu máy tính này.

>> Tham khảo thêm: CPU Intel Xeon Là Gì? Khái Quát Tổng Thể CPU Intel Xeon

Piz Daint (21,2 petaflop)

Được đặt tại Trung tâm Siêu máy tính Quốc gia Thụy Sĩ (CSCS) ở Lugano, siêu máy tính Piz Daint có hệ thống Cray XC50 với CPU Intel Xeon và GPU NVIDIA Tesla P100. Với hiệu suất 21,2 petaflop, Piz Daint vẫn là hệ thống mạnh nhất châu Âu.

Frontera (23,5 petaflop)

Frontera là một hệ thống siêu máy tính mới hơn những siêu máy tính khác. Đây là hệ thống Dell C6420 được trang bị bộ vi xử lý Intel Xeon Platinum 8280 và được lắp đặt tại Trung tâm Máy tính tiên tiến Texas của Đại học Texas, Austin. Hiệu suất cao nhất của nó là 23,5 petaflop/HPL.

Milky Way 2A (61,4 petaflop)

Hệ thống Milky Way 2A  được phát triển bởi Đại học Công nghệ Quốc phòng Trung Quốc và hiện đang được lắp đặt tại Trung tâm Siêu máy tính Quốc gia ở Quảng Châu, Trung Quốc. Nó được cung cấp năng lượng bởi gần 5 triệu lõi của bộ vi xử lý Intel Xeon E5-2692v2 và Matrix-2000. Nó có cùng hiệu suất tối đa là 61,4 petaflop như trước đây và hiệu suất năng lượng là 3,325 gigaflop/watt. Để biết được công dụng của loại Milky Way 2A – siêu máy tính là gì, bạn có thể tìm hiểu trên các diễn đàn khoa học công nghệ.

Sunway TaihuLight (93 petaflop)

Nó được đặt tại Trung tâm Siêu máy tính Quốc gia Vô Tích ở Trung Quốc. Hiệu suất HPL là 93 petaflop. Đáng chú ý, không có chip tăng tốc nào được sử dụng trong siêu máy tính này, thay vào đó dựa trên 40.960 bộ xử lý Sunway 26010, mỗi bộ có 260 lõi. Nó có hiệu suất năng lượng là 6.051 gigaflop/watt.

Sierra (94,6 petaflop)

Sierra là một siêu máy tính do IBM thiết kế cho Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore ở California. Đặc điểm của Sierra – – siêu máy tính là gì? Nó có 1.572.480 lõi được cung cấp bởi bộ xử lý IBM Power9 và thêm 1.382.400 lõi được bổ sung bởi bộ tăng tốc Nvidia Volta GV100. Hiệu suất của nó vẫn ổn định ở mức 94,6 petaflop.

Summit (187,66 petaflop)

Với 2.282.544 lõi IBM Power9 và 2.090.880 lõi Nvidia Volta GV100, hệ thống siêu máy tính này cung cấp 148,6 petaflop cho Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge của Bộ Năng lượng Mỹ. Hiệu suất cao nhất trên lý thuyết của Summit là 187,66 petaflop và hiệu suất năng lượng của nó là 11.324 gigaflop/watt.

Ứng dụng của siêu máy tính là gì?

• Dự báo thời tiết, nghiên cứu khí động học, nghiên cứu biến đổi khí hậu và mô phỏng động đất
• Xây dựng mô hình phóng xạ, phân tích xác suất
• Mô phỏng vụ nổ hạt nhân trong môi trường 3D
• Sinh học lượng tử, phân tử và tế bào, cũng như nghiên cứu nếp gấp của protein
• Mô phỏng bộ não của con người
• Điều tra và tạo ra các mô hình của các hiện tượng vật lý.
• Nghiên cứu và mô phỏng AI (trí tuệ nhân tạo).
• Nghiên cứu vật chất tối, tái tạo vụ nổ Bigbang.
• Nghiên cứu thiên văn học

Như vậy đây là một số ứng dụng bạn nên lưu ý khi được hỏi về ứng dụng của siêu máy tính là gì.

Siêu máy tính có những đặc điểm gì khác so với máy tính thông thường?

Máy tính thông thường 

Máy tính thông thường được thiết kế để người dùng bình thường dễ sử dụng. Nó bao gồm một hệ điều hành đầy đủ và giao diện thân thiện với người dùng, cho phép họ truy cập tài liệu, video, hình ảnh và các phương tiện khác nhanh nhất có thể. Hơn nữa, với sự trợ giúp của các hướng dẫn và chú thích trên hệ điều hành, người dùng có thể dễ dàng tùy chỉnh các thông số của hệ thống. Một máy tính thông thường hiện nay chỉ có một chip xử lý chính. 

Tiếp theo, ta hãy đến với siêu máy tính để biết sự khác biệt giữa máy tính thông thường và siêu máy tính là gì nhé.

Siêu máy tính

Siêu máy tính thường được cấu tạo bởi nhiều khối máy tính liên kết với nhau để tạo thành một bộ máy thống nhất. Nó được sử dụng trong các lĩnh vực đòi hỏi tính toán cao, chẳng hạn như khoa học, vật lý và toán học. Các hệ thống siêu máy tính hiện nay thường chứa vài trăm máy tính nhỏ khác, mỗi máy tính có cấu hình cực kỳ mạnh mẽ. 

Đơn vị đo sức mạnh của siêu máy tính là gì? Sức mạnh của hệ thống siêu máy tính được đo bằng FLOPS (Floating-point Operations Per Second – số phép toán dấu chấm động được thực hiện trong một giây). Hiện tại, sức mạnh của một siêu máy tính có thể đạt 33,86 petaFLOPS, so với vài chục gigaFLOPS trên máy tính thông thường.

Lời kết

Như vậy, bài viết trên đã giải thích khái niệm về siêu máy tính là gì và tại sao nó lại quan trọng. Hy vọng những thông tin của bài viết này thực sự hữu ích với bạn. Nếu có bất kỳ câu hỏi nào, hãy bình luận ở phần bên dưới để được giải đáp bạn nhé. Đừng quên truy cập vào Máy Chủ Sài Gòn mỗi ngày để cập nhật những bài viết mới nhất nhé. Liên hệ ngay qua Hotline: 0976.638.715 hoặc Email: kinhdoanh@maychusaigon.vn nếu cần được hỗ trợ bạn nhé.