Nový pomocník CLARA môže nahradiť superpočítače

Takmer desiatku nových karentovaných publikácií vyprodukovali vedci a vedkyne UK v poslednom roku aj vďaka prvému modulu klastra vysokovýkonného počítača na našej univerzite. Vďačíme zaň Centru informačných technológií UK (CIT UK) a možno je užitočný aj pre váš výskum.


Univerzitný HPC (High Performance Computing) systém CLARA (CLustered Research Appliance) je navrhnutý pre náročné technické výpočty, ktoré riešia problémy v chémii, farmácii, medicíne, genetike či biológii. Za pomerne krátky čas svojej existencie poskytol vedeckým a výskumným pracovníkom našej univerzity solídny základ na realizáciu analytických, simulačných a predikčných výpočtov.

Okrem iného umožnil modelovať molekulové interakcie, ktoré prebiehajú od podania lieku cez ukotvenie na mieste účinku v tele až po jeho úplné vylúčenie z organizmu. Ďalším z príkladov využitia HPC systémov v praxi sú predikčné výpočty, ktoré na základe ohromného počtu dát o pandémii priamo z terénu dokážu nájsť pravidelnosti a prinášajú modely vytvorené aj metódami umelej inteligencie. Na základe nich je možné odhadnúť pravdepodobný vývoj šírenia ochorenia v populácii. Výskumníci našej univerzity aj vďaka existencii klastra pre vysokovýkonné počítanie významne prispeli k optimalizácii programového kódu aplikácií, ktoré budú využiteľné na všetkých podobných existujúcich systémoch na celom svete.

CLARA má voľné kapacity

CIT UK ponúka voľné kapacity pre HPC výpočty všetkým záujemcom UK vrátane možnosti využiť ho na diplomové, rigorózne, ako aj PhD. práce. Detailné technické informácie, ako aj vždy aktuálne grafy využitia nájdete na stránke projektu https://uniba.sk/hpc-clara/. V snahe čo najlepšie pokryť potreby špičkového vedeckého výskumu na univerzite postupne rozširuje aj softvérové vybavenie klastra na základe požiadaviek. „CLARA nie je len ekonomickejšie a ekologickejšie riešenie pre vedeckých pracovníkov, ale je bránou k úplne novým typom výziev,“ vysvetľuje Tomáš Fazekaš z Centra informačných technológií UK. „Záujemcom o HPC počítanie radi poskytneme detailnejšie informácie na adrese clarauniba.sk.“ povzbudzuje.  

EKO náhrada superpočítačov v každom smere

V súčasnosti si nevieme predstaviť hľadanie nových liekov na COVID alebo simulácie či predikcie vývoja pandémie bez tzv. superpočítačov. Tie by ste zbytočne hľadali v kanceláriách či domácnostiach. Nachádzajú sa a pracujú v takzvaných serverovniach, ktorých už samotné umiestnenie je stavebne a technicky náročné. V niektorých prípadoch ide dokonca o utajované a prísne strážené miesta. Od ich až neuveriteľne veľkého výkonu a rozmerov je väčšia už len ich cena a náklady na ďalšiu prevádzku. Nie div, že sa vyrábajú prakticky „na mieru“ podľa presných požiadaviek investorov a disponujú nimi väčšinou len firmy s dostatočným výskumným a finančným zázemím. Aj preto ich nájdeme napríklad v NASA či iných štátnych inštitúciách z oblasti výskumu, ale aj obrany štátu.

Málokto však vie, že existuje lacnejšia, efektívnejšia a praktická alternatíva, ktorá vie v prípade potreby poskytnúť porovnateľný, a ak treba aj väčší výpočtový výkon podobne, ako to dokáže práve CLARA. V jej prípade hovoríme o špeciálnom spájaní výpočtového výkonu bežných počítačov, resp. serverov spôsobom, ktorý ich zjednocuje do celku s enormným výkonom. Skladajú sa z cenovo prístupných serverov, ktoré obsahujú bežne dostupné náhradné diely. Tie sú pospájané do celku opäť štandardnými technológiami, ktoré sa používajú pri budovaní počítačových sietí.

„Sústredili sme sa na optimalizáciu predovšetkým dvoch ukazovateľov. Chceli sme dosiahnuť maximálny výpočtový výkon na energeticky najefektívnejších komponentoch. Analýzou dostupného zdrojového kódu aplikačného softvéru sme pochopili, že menšie ,jednoúčelovéʻ systémy poskytujú podstatne vyšší výpočtový výkon, ktorý sa dá ďalej vylepšiť ďalšou na mieru šitou optimalizáciu aplikačného softvérového vybavenia. Pri takýchto systémoch totiž väčšinou stojí veľa peňazí nielen ho vybudovať, ale aj potom prevádzkovať. A tu práve leží sila nášho riešenia - vybudovať CLARU nás stálo len zlomok finančných zdrojov, ktoré porovnateľné systémy potrebujú na svoju bežnú prevádzku," hrdo približuje Tomáš Fazekaš vývoj projektu. „Keby sme jeho výpočtový výkon na jednotku energie porovnali s najvýkonnejšími systémami HPC TOP500, klaster UK by sa momentálne umiestnil ako šiesty najlepší na svete,“ dodáva.

Funguje vďaka dobrému delegovaniu úloh

Servery HPC používajú tie isté základné stavebné prvky, ktoré poznáme z domu alebo z práce. Sú to procesory, grafické urýchľovače, pamäť, disk, operačný systém a aplikačný softvér. V porovnaní s parametrami notebooku či počítača, na ktorom možno práve čítate tento text, sa líšia len v  množstve, veľkosti a výkone použitých stavebných prvkov. Server HPC sa skladá z naozaj veľkého množstva súčiastok. Tie sú združené do takzvaných výpočtových uzlov a tie ďalej do klastrov (zoskupení) v hierarchickom usporiadaní.

Hlavným princípom vysoko výkonného počítania je schopnosť systému rozdeliť zadanie na menšie nezávislé úlohy. Tie pošle na výpočtové uzly na spracovanie, následne zozbiera čiastkové výsledky a tie spojí do výslednej formy. Pre efektívne fungovanie systému prepojených uzlov je potrebná kvalitná a rýchla konektivita, ktorú zabezpečuje priepustná počítačová sieť.

Akokoľvek by sa možno čitateľovi pozdávalo, že HPC systém je v prvom rade o výkonných serveroch, z ktorých sa skladá alebo o kvalitnom prepojení „uzlov“, skutočnosť je úplne iná. „Keby neexistoval softvér, ktorý obhospodaruje spoluprácu na úrovni operačného systému a aplikácií, keby zároveň nefungovala logika, ktorá rozdeľuje úlohy do zmysluplných blokov, keby nefungovali algoritmy, ktoré optimalizujú vykonanie základných matematických operácií, nedalo by sa hovoriť o existencii HPC,“ vysvetľuje Tomáš Fazekaš z Centra informačných technológií UK.

CLARA už teraz ukázala svoj veľký potenciál nielen pre vedcov na univerzite, ale aj pre medzinárodnú spoluprácu, a to je jej príbeh ešte len na začiatku. V osude má však zapísaných ešte veľa plánov. Najmä ohľadom rozširovania počtu uzlov aj druhov výpočtov, pre ktoré bude optimalizovaná. Preto, ak viete vo svojej vedeckej práci zužitkovať HPC výpočty, neváhajte a využite túto novú univerzitnú IKT službu!