3. Počítače a počítání Aleš Křenek ljocha@ics.muni.cz Ústav výpočetní techniky, MU 2. 10. 2023 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Proč má počítač počítat? To, co chceme na počítači vidět, slyšet, ...zpravidla nějak souvisí se světem a lidmi Lidské poznání světa popisují vědy (humanitní i přírodní) Matematika je nástrojem k preciznímu vyjádření vědeckého poznatku Aritmetika je konkrétním, praktickým uchopením matematiky A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 2 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Proč má počítač počítat? To, co chceme na počítači vidět, slyšet, ...zpravidla nějak souvisí se světem a lidmi Lidské poznání světa popisují vědy (humanitní i přírodní) Matematika je nástrojem k preciznímu vyjádření vědeckého poznatku Aritmetika je konkrétním, praktickým uchopením matematiky Počítače jsou v aritmetice velmi dobré desítky miliard operací za vteřinu na jednom jádru CPU K tomu přidávají paměť Encyclopaedia Britannica: 32 tis. stran – řádově desítky až stovky MB informace běžný mobil – desítky GB úložiště (1000× více) A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 2 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Angry Birds https://www.youtube.com/watch?v=Km0UUVEQKpI (1:45) Jednoduchá hra, chová se v souladu s očekáváním na základě zkušenosti Platí v ní běžné fyzikální zákony, jsou výpočetně simulovány F = ma v = at s = vt Kompletní simulaci jednoduché scény zvládne mobil A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 3 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Angry Birds https://www.youtube.com/watch?v=Km0UUVEQKpI (1:45) Jednoduchá hra, chová se v souladu s očekáváním na základě zkušenosti Platí v ní běžné fyzikální zákony, jsou výpočetně simulovány F = ma v = at s = vt Kompletní simulaci jednoduché scény zvládne mobil Simulace chování viru je totéž pro miliony atomů současně a miliardy kroků výpočtu https://youtu.be/7AhQ19m2ok4 A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 3 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Hey, Siri! Referenční záznam „Hey, Siri!“ „Hey, Siri!“ a jiná podobně dlouhá věta (jiný člověk) A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 4 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Hey, Siri! Mobil zaznamená a analyzuje zvuk Specializovaný hardware např. Apple „Neural Engine“ dopředu nacvičený rozpoznat klíčovou větu postupně se přizpůsobuje konkrétnímu uživateli Záznam putuje do cloudu Transformace hlasu na text a analýza významu vzájemně provázané, komplikované modely a algoritmy globální znalost i přizpůsobení se konkrétnímu uživateli Zpravidla komplikované neuronové sítě (umělá inteligence) V důsledku miliardy aritmetických operací https://machinelearning.apple.com/research/hey-siri A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 5 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Facebook, Youtube, Instagram, TikTok, ... raději nevědět ... A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 6 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Facebook, Youtube, Instagram, TikTok, ... raději nevědět ... „jednoduché“ analýzy à la Cambridge Analytica očekávané zpracování (konverze formátu videa) porozumění textu i obrazu (detekce závadného obsahu) https://ai.facebook.com/blog/ how-facebook-uses-super-efficient-ai-models-to-detect-hate-speech/ https://www.theverge.com/2019/7/3/20681231/ facebook-outage-image-tags-captions-ai-machine-learning-revealed „Content ID claim“ na Youtube kombinace výpočetní síly a obrovského množství dat A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 6 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Facebook a Cambgridge Analytica Skandál s pravděpodobným ovlivněním voleb v USA 2016 Kvíz charakteristik osobnosti a politických preferencí Odměna $2–5 za vyplnění 320 tis. respondentů v USA Sběr dat o aktivitě na FB („lajky“, skupiny, ...) matice „lajků“, dekompozice na singulární hodnoty, korelace, ... Přes „přátele“ expanze na dalších 50–90 milionů lidí Predikce osobnosti a politických preferencí, možnost cílené politické reklamy Zjednodušená rekonstrukce http://doi.org/10.1073/pnas.1218772110 A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 7 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Kódování zvuku a videa Připomenutí předchozí přednášky digitální obraz je složen z několika milionů bodů pro každý bod zpravidla 3 čísla (R,G,B) tolik dat neuložíme ani nepřeneseme, nezbytná komprese Velký počet aritmetických operací, musí se stihnout včas A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 8 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Střílečky a animáky „Makro“ fyzika (viz Angry Birds) A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 9 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Střílečky a animáky „Makro“ fyzika (viz Angry Birds) Optika – realistický obraz, např. sledování paprsku (Albrecht Dürer, 1525) A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 9 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Střílečky a animáky V počítačové verzi Provedeme 60× za vteřinu pro každý z 8 milionů bodů obrazu ... A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 10 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Střílečky a animáky umělá inteligence (jednání postav, ...) A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 11 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Střílečky a animáky umělá inteligence (jednání postav, ...) konvenční – vše je modelováno na lokálním zařízení tradiční síťové – lokální pohled na herní svět modelujeme u sebe, interakce na serveru cloudové – uživatelské zařízení je jen příjemce videostreamu optimalizace hardware (výdrž na baterie, cena, ...) A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 11 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Těžba kryptoměn Principem těžby Bitcoinu je hledání noncí („příležitost“): úloha podobná „uhodni číslo, které po vynásobení 111569399493893544281105282872534527694327 má šestou a sedmou cifru 42“ Použité algoritmy (SHA-2) zaručují, že se musí hádat, nelze vypočítat lépe Mechanismus těžby zaručuje produkci stabilní 6.25 BTC / 10 min zvyšuje náročnost těžby při zapojení dalších těžařů A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 12 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Těžba kryptoměn Principem těžby Bitcoinu je hledání noncí („příležitost“): úloha podobná „uhodni číslo, které po vynásobení 111569399493893544281105282872534527694327 má šestou a sedmou cifru 42“ Použité algoritmy (SHA-2) zaručují, že se musí hádat, nelze vypočítat lépe Mechanismus těžby zaručuje produkci stabilní 6.25 BTC / 10 min zvyšuje náročnost těžby při zapojení dalších těžařů Hrubý výpočet ze statistik: alespoň 1025 aritmetických operací na jeden BTC výkon sítě ∼100 EH/s každý hash alespoň tisíce aritmetických operací potvrzení bloku každých 10 min, vygeneruje 6.25 BTC, tj. 100s/BTC A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 12 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Těžba kryptoměn Principem těžby Bitcoinu je hledání noncí („příležitost“): úloha podobná „uhodni číslo, které po vynásobení 111569399493893544281105282872534527694327 má šestou a sedmou cifru 42“ Použité algoritmy (SHA-2) zaručují, že se musí hádat, nelze vypočítat lépe Mechanismus těžby zaručuje produkci stabilní 6.25 BTC / 10 min zvyšuje náročnost těžby při zapojení dalších těžařů Hrubý výpočet ze statistik: alespoň 1025 aritmetických operací na jeden BTC výkon sítě ∼100 EH/s každý hash alespoň tisíce aritmetických operací potvrzení bloku každých 10 min, vygeneruje 6.25 BTC, tj. 100s/BTC https://www.lrb.co.uk/the-paper/v41/n08/donald-mackenzie/ pick-a-nonce-and-try-a-hash A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 12 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Digitální modely a dvojčata 90. léta, Boeing 777 jako první důsledný miliony součástí každá popsána desítkami až stovkami čísel (souřadnice rohů, ...) správná rotace a umístění – transformace souřadnic K. Sabbagh, 21st-Century Jet: The Making and Marketing of the Boeing 777, New York: Scribner, 1996 A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 13 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Digitální modely a dvojčata 90. léta, Boeing 777 jako první důsledný miliony součástí každá popsána desítkami až stovkami čísel (souřadnice rohů, ...) správná rotace a umístění – transformace souřadnic K. Sabbagh, 21st-Century Jet: The Making and Marketing of the Boeing 777, New York: Scribner, 1996 Dvojčata unikátních zařízení kosmická loď, turbína v Temelíně, ... „dvojče“ sleduje chování fyzického zařízení: matematický model a data ze senzorů včasná detekce problémů, opotřebení, ... simulace scénářů „co se stane, když ...“ složitá zařízení ⇒ mnoho dat a náročný výpočet A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 13 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Aplikace ve vědě Předpověď počasí 1950, první významná numerická aplikace https://maths.ucd.ie/~plynch/Publications/ENIAC-BAMS-08.pdf A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 14 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Aplikace ve vědě Předpověď počasí 1950, první významná numerická aplikace https://maths.ucd.ie/~plynch/Publications/ENIAC-BAMS-08.pdf SETI@home (1999 – 2020) signály z radioteleskopů, rozděleny na malé části a distribuovány „uživatelům“ (1.8 M) detekce vzorů, které by mohly mít nepřirozený, mimozemský původ software jako „šetřič obrazovky“, využití zahálejících počítačů A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 14 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Aplikace ve vědě Předpověď počasí 1950, první významná numerická aplikace https://maths.ucd.ie/~plynch/Publications/ENIAC-BAMS-08.pdf SETI@home (1999 – 2020) signály z radioteleskopů, rozděleny na malé části a distribuovány „uživatelům“ (1.8 M) detekce vzorů, které by mohly mít nepřirozený, mimozemský původ software jako „šetřič obrazovky“, využití zahálejících počítačů Hledání tvaru proteinů Folding@home – stejný vzor AlphaFold (2020) – masivní užití umělé inteligence A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 14 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Aplikace ve vědě Higgsův bosson a další urychlovač částit LHC (CERN) od cca. roku 2000 bylo jasné, že objem dat a potřeba výpočtů bude enormní nepřetržitý tok „událostí“ (kolize částic a jejich detekce), filtrování smysluplných simulace možného chování, srovnávání s výsledkem experimentů A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 15 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Aplikace ve vědě Higgsův bosson a další urychlovač částit LHC (CERN) od cca. roku 2000 bylo jasné, že objem dat a potřeba výpočtů bude enormní nepřetržitý tok „událostí“ (kolize částic a jejich detekce), filtrování smysluplných simulace možného chování, srovnávání s výsledkem experimentů biologie na molekulární úrovni genetická informace – sekvenování struktura biomolekul – krystalografie, NMR, CryoEM, ... analýzy vzorků – hmotnostní spektrometrie data z tisíců laboratoří, potenciálně citlivá A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 15 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Aplikace ve vědě Higgsův bosson a další urychlovač částit LHC (CERN) od cca. roku 2000 bylo jasné, že objem dat a potřeba výpočtů bude enormní nepřetržitý tok „událostí“ (kolize částic a jejich detekce), filtrování smysluplných simulace možného chování, srovnávání s výsledkem experimentů biologie na molekulární úrovni genetická informace – sekvenování struktura biomolekul – krystalografie, NMR, CryoEM, ... analýzy vzorků – hmotnostní spektrometrie data z tisíců laboratoří, potenciálně citlivá COVID-19 zjištění struktury viru a jeho proteinů simulace chování léčiv návrhy vakcín A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 15 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Velké jazykové modely Model si „přečte“ velké množství textu řádově více, než jeden člověk za celý život Získaná znalost je v něm nějak reprezentována pouze omezeně rozumíme, co se uvnitř děje Pozorované schopnosti blížící se člověku překlad mezi jazyky, konverzace, generování textu na dané téma ... A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 16 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Chceme ještě lepší počítače S lepší technologií jsme toho zvládli více Víme, že s ještě lepší technologií to půjde dál Tlak na další vylepšování technologie ... a pořád dokola Moorův zákon Za stejné peníze dostaneme za 18–24 měsíců dvojnásobný výkon exponenciální růst platí cca. od roku 1975 A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 17 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Technologie a jejich rozvoj Máme data, kam s nimi? Jak se k datům dostaneme? Jak data zpracujeme? A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 18 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Trocha historie Analytical Engine (Charles Babbage, 1837) 16 kB paměti, aritmetické operace včetně √ , čísla s přesností až 50 míst Gausova eliminace, řešení polynomů ... Pouze kvantitativně odlišné od počítačů 21. století A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 19 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Trocha historie Electronic Numerical Integrator and Computer (1945) Elektronky, relé, ... 5 mil. ručně pájených spojů 150 kW, 500 FLOPS Výpočty vodíkové bomby A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 20 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Od mobilu k superpočítači Základní architektura je u všech stejná Sběrnice pro veškerou komunikaci CPU („mozek“) a paměť Vstupy a výstupy úložiště (disk, SSD) grafika klávesnice/myš/dotykový displej komunikace (síť, wifi, LTE, ...) Výrazné rozdíly v hlavním účelu, a tedy i ve výkonu a kapacitě A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 21 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Mobil a tablet zvuk, fotky, video, komunikace, méně náročné hry relativně velký špičkový výkon (neliší se od desktopu), jen velmi krátký čas specializované akcelerátory (kodeky, AI) A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 22 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Mobil a tablet A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 23 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Počítač domácí a kancelářský, notebook + kancelářská práce, náročnější hry, menší výpočty stavěný na dlouhodobější zátěž ve vyšším výkonu výkonná grafická karta A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 24 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Servery v datacentrech dostupné služby a sdílení mnoha uživateli vs. intenzivní výpočty více jader, větší RAM, rychlejší síť serverové disky a SSD, výpočetní GPU provedení do racku, dlouhodobá vysoká zátěž hot-swap komponenty, chlazení https://my.matterport.com/show/?m=ao36A4WHbuf A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 25 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Superpočítače totéž ve velkém jak udržet tak velký systém naživu? při riziku selhání jedné komponenty 1:10000 selže systém o 1000 komponentách s pravděpodobností 10 % největší superpočítač na světě má 160 tis. procesorů jak donutit tak velký systém řešit jednu úlohu? A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 26 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí CPU a operační paměť Stejné základní architektura a srovnatelný špičkový výkon od mobilu po superpočítač Rozdíly v reálně dosažitelném výkonu (napájení, chlazení) V současnosti téměř vždy více jader zjednodušeně více (téměř) nezávislých procesorů na jednom čipu Paměť (RAM) jednotky GB až jednotky TB jeden bit = jeden tranzistor potřebuje napájení a pravidelnou obnovu hierarchie: cena = kapacita × rychlost A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 27 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Datová úložiště tradiční rotační disky: ∼20 TB SSD: jednotky TB mobil: 16–64 GB SSD Apple TV 4k HDR >40 Mbit/s – 18 GB/h Netflix 4k HDR ve špičkách 20 Mbit/s, průměrně cca. 8 Mbit/s, 3.6 GB/h A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 28 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Datová úložiště SSD – semiconductor storage device – jednotky TB komplikovaná kvantová fyzika, náboj se „objeví“ na izolované části, kam by se „normálně“ vůbec neměl dostat, a zůstane tam i bez napájení zařízení se díky tomu opotřebovává disky, magnetický princip – ∼20 TB A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 29 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Datová úložiště RAID – Redundant Array of Inexpensive Disks (jednotky až desítky PB) zvýšení rychlosti snažší správa (jeden velký „disk“ místo desítek menších) nezbytná ochrana proti selhání A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 30 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Datová úložiště Páskové knihovny (více než 1 EB) A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 31 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Datová úložiště Souborový systém – jednotky PB hierarchie adresářů (složek), soubory v nich složitější sekundární struktura – symbolické linky (zástupci) k souborům lze přistupovat po částech Objektové úložiště uloženy jsou pouze „objekty“ – kus dat nějaké velikosti žádná hierarchie někdy lze přiřazovat metadata („popisky“) a podle nich hledat k objektům se přistupuje vcelku (uložit celý, stáhnout celý) A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 32 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Síťové připojení EDGE 200 kbit/s, LTE (4G) 1 Gbit/s, 5G 0.4–4 Gbit/s WiFi 2 Mbit/s (802.11), 3.5 Gbit/s (802.11ac), 10 Gbit/s (802.11ax) kancelářský Ethernet 1 Gbit/s, serverový 10, 20 Gbit/s (100 Gbit se objevuje) Infiniband (lokální propojení serverů) 40 Gbit/s – 4.8 Tbit/s páteřní sítě (optické) běžně stovky Gbit/s, očekáváme Tbit/s A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 33 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Akcelerátory specializované určení, výšší výkon, menší relativní spotřeba GPU nejen na grafiku, specializované, až 1000× výkonnější proti CPU podpora kódování zvuku a videa v mobilech Apple Neural Engine: teoreticky 10 GFLOP/s (1/3 NVIDIA 3090) ASIC pro těžbu kryptoměn: 1 000 000× výkonnější proti GPU A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 34 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Fyzikální limity konstrukce počítačů Vzdálenost vs. rychlost světla takt procesoru 3 GHz – 10 cm A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 35 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Fyzikální limity konstrukce počítačů Vzdálenost vs. rychlost světla takt procesoru 3 GHz – 10 cm Teplo a chlazení až stovky wattů na jednom čipu A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 35 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Fyzikální limity konstrukce počítačů Vzdálenost vs. rychlost světla takt procesoru 3 GHz – 10 cm Teplo a chlazení až stovky wattů na jednom čipu Velikost atomu velikost tranzistoru – jednotky nm vzdálenost mezi atomy – desetiny nm A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 35 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Fyzikální limity konstrukce počítačů Vzdálenost vs. rychlost světla takt procesoru 3 GHz – 10 cm Teplo a chlazení až stovky wattů na jednom čipu Velikost atomu velikost tranzistoru – jednotky nm vzdálenost mezi atomy – desetiny nm Kosmické záření https://asset-pdf.scinapse.io/prod/48011110/48011110.pdf v jednom paměťovém čipu nastane chyba každé dva roky A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 35 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Sdílená a distribuovaná paměť Výkon jednoho procesoru (jádra) už nelze příliš zvyšovat Celkový výkon navýšíme pouze spoluprací více (mnoha) procesorů A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 36 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Sdílená a distribuovaná paměť Výkon jednoho procesoru (jádra) už nelze příliš zvyšovat Celkový výkon navýšíme pouze spoluprací více (mnoha) procesorů Skládání puzzle ve skupině všichni vidí vše, mohou přispět kdekoli omezený počet míst u stolu, soupeření o díly puzzle nelze rozdělit mezi lidi předem A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 36 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Sdílená a distribuovaná paměť Výkon jednoho procesoru (jádra) už nelze příliš zvyšovat Celkový výkon navýšíme pouze spoluprací více (mnoha) procesorů Skládání puzzle ve skupině všichni vidí vše, mohou přispět kdekoli omezený počet míst u stolu, soupeření o díly puzzle nelze rozdělit mezi lidi předem Stavba stanového tábora rozdělení materiálu a určení míst ke stavbě předem poté samostatná práce s minimální synchronizací s dostatkem lidí postavíme (téměř) libovolně velký tábor ve stejném čase A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 36 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Superpočítače v ČR a ve světě 1995: první instalace na 5 VŠ v ČR výkonem a kapacitou srovnatelné s dnešním mobilem tři různé architektury, nic z toho současný Intel/AMD nebo ARM A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 37 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Superpočítače v ČR a ve světě 2022 v ČR: Kar0l1na, superpočítačové centrum IT4Innovations 800+ uzlů, 100 000+ jader, 576 akcelerátorů NVidia A100 15 PFLOPS, 79. místo v TOP500 A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 38 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Superpočítače v ČR a ve světě Žebříček TOP500 http://top500.org/ 1. Frontier, 136 409 uzlů, AMD EPYC + 4x MI250X, 1 686 PFLOPS 2. Fugaku, 158 976 uzlů, Fujitsu ARM, 537 PFLOPS 3. LUMI, 17 346 uzlů, AMD EPYC + 4x MI250X, 429 PFLOPS 4. Leonardo, 4 992 uzlů,Intel Xeon Platinum 8358 + NVidia A100, 304 PFLOPS 5. Summit, 4 600 uzlů, IBM Power9 + NVidia V100, 200 PFLOPS 7. Sunway TaihuLight - Sunway MPP, 126 PFLOPS ... 10. Tianhe-2A, Intel, 100 PFLOPS A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 39 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Superpočítače v ČR a ve světě Žebříček TOP500 http://top500.org/ 1. Frontier, 136 409 uzlů, AMD EPYC + 4x MI250X, 1 686 PFLOPS 2. Fugaku, 158 976 uzlů, Fujitsu ARM, 537 PFLOPS 3. LUMI, 17 346 uzlů, AMD EPYC + 4x MI250X, 429 PFLOPS 4. Leonardo, 4 992 uzlů,Intel Xeon Platinum 8358 + NVidia A100, 304 PFLOPS 5. Summit, 4 600 uzlů, IBM Power9 + NVidia V100, 200 PFLOPS 7. Sunway TaihuLight - Sunway MPP, 126 PFLOPS ... 10. Tianhe-2A, Intel, 100 PFLOPS Příklady aplikací (Fugaku) A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 39 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Exploring new drug candidates for COVID-19 by "Fugaku" RIKEN / Kyoto University Yasushi OKUNO, Prof. PhD. Research content: Currently, clinical trials are underway in Japan and overseas to confirm the effects of existing drugs on COVID-19. Some reports have shown that the drug has shown efficacy through these clinical trials, but the number of cases has been small, and no effective therapeutic drug has yet been identified. Furthermore, due to the small number of drugs being tested, it is possible that none of the drugs have a definite effect. Therefore, in this study, we performe molecular dynamics calculations using "Fugaku" to search and identify therapeutic drug candidates showing high affinity for the target proteins of COVID-19 from approximately 2,000 existing drugs that are not limited to existing antiviral drugs targeted in clinical trials. Target proteins of COVID-19 2,000 existing drugsExpected results:  New therapeutic drug candidates other than those currently undergoing clinical trials can be discovered.  Combination effects of multiple drugs can be estimated  The molecular action mechanism of existing drugs currently undergoing clinical trials will be elucidated. In addition, these findings provide a clear direction for developing new drugs that go beyond the existing drugs. A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 40 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 41 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Co je to ten cloud? Počítače někde jinde, které patří někomu jinému ten je koupil, platí elektřinu a péči o ně služby „zdarma“ se mu musí nějakým způsobem vyplácet Analogie banky jednomu konkrétnímu uživateli se kapacita cloudu jeví neomezená Úroveň abstrakce služby vhodná pro koncového uživatele neřeší kam uložit video, v jakém kódování, jakým programem ho přehrát, ... Nalezení správného modelu na začátku 21. století přispělo k masovému rozšíření IT A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 42 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Co je to ten cloud? Historická synergie trendů: virtualizace (technický) „grid“ vedle superpočítačů (politický) nadbytečná kapacita (finanční) A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 43 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Co je to ten cloud? Historická synergie trendů: virtualizace (technický) „grid“ vedle superpočítačů (politický) nadbytečná kapacita (finanční) Služby pro koncové uživatele Facebook, Google, Microsoft, ... Služby pro „experty“ Infrastructure/Platform/Software as a Service Obchodní modely zdarma s reklamou, drobný poplatek (Apple), full-cost (Amazon) A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 43 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Bez křemíku Křemík je snadno dostupný a snadno zpracovatelný; proto převládá Alternativní polovodiče (GaN, BAs, ...) o něco lepší vlastnosti (rychlost, teplo, ...), náročnější zpracování Grafenové nanotrubičky „dobrá“ kontrola nad vlastnostmi materiálu, potenciálně menší, efektivnější, ... Molekulární „obvody“ malé i větší organické molekuly, reakce na chemický podnět (ion, pH, ...) DNA problém zakódován do sekvence DNA, masivně paralelní „výpočet“ A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 44 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Kvantové počítače Elementární jednotkou klasického počítače je bit 1 bit má hodnotu 0 nebo 1 „slovo“ velikosti n bitů reprezentuje jedno číslo 0–2n ke zpracování takového slova je třeba jednotka velikosti n Mnoho zajímavých problému vyžaduje 2n operací pro větší n už je to moc – zásadní limit použitelnosti klasických počítačů A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 45 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Kvantové počítače Elementární jednotkou klasického počítače je bit 1 bit má hodnotu 0 nebo 1 „slovo“ velikosti n bitů reprezentuje jedno číslo 0–2n ke zpracování takového slova je třeba jednotka velikosti n Mnoho zajímavých problému vyžaduje 2n operací pro větší n už je to moc – zásadní limit použitelnosti klasických počítačů Jeden příklad za všechny: autorizace bankovní transakce se znalostí klíče (velikosti např. n = 2048) stačí k ověření transakce vykonat kn operací (s rozumně malým k) aby se za vás útočník mohl vydávat, musel by provést 2n operací, a to už je nezvladatelné tak jsou záměrně stavěné šifrovací algoritmy A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 45 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Kvantové počítače Kvantovou fyzikou inspirovaný teoretický koncept potenciálně velmi zajímavé schopnosti spolehlivou technickou realizaci ještě nemáme, není nemyslitelná A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 46 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Kvantové počítače Kvantovou fyzikou inspirovaný teoretický koncept potenciálně velmi zajímavé schopnosti spolehlivou technickou realizaci ještě nemáme, není nemyslitelná Jednotkou kvantového počítače je qubit qubit má hodnotu „něco mezi 0 a 1“ |ψ = α|0 + β|1 kde α, β jsou komplexní k popisu stavu qubitu potřebujeme dvě čísla |α|2 je pravděpodobnost, že pozorováním ψ zjistím 0 A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 46 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Kvantové počítače Skládání stavů více qubitů je komplikovanější, k popisu stavu n qubitů je třeba 2n čísel |ψ1ψ2 = α00|00 + α01|01 + α10|10 + α11|11 Na zpracování 2n čísel současně stačí kvantový počítač velikosti n při troše štěstí, není to tak jednoduché zejména je problém takový algoritmus naformulovat A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 47 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Kvantové počítače Skládání stavů více qubitů je komplikovanější, k popisu stavu n qubitů je třeba 2n čísel |ψ1ψ2 = α00|00 + α01|01 + α10|10 + α11|11 Na zpracování 2n čísel současně stačí kvantový počítač velikosti n při troše štěstí, není to tak jednoduché zejména je problém takový algoritmus naformulovat Kvantové počítače mají teoretickou schopnost řešit exponenciální algoritmy spousty užitečných aplikací a také likvidace elektronického bankovnictví (a jiné ...) https://doi.org/10.58729/1941-6679.1410 A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 47 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Kvantové počítače Technická realita https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2305/2305.09518.pdf A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 48 / 49 3. Počítače a počítání A. Křenek Proč počítat Technologie a rozvoj Hlavní komponenty Fyzikální limity Superpočítače Cloud A co dál? Shrnutí Shrnutí Úložná kapacita, přenosová rychlost sítí, a výpočetní výkon v posledních dekádách narostly enormně Zpracování velkého objemu dat a rozsáhlé výpočetní simulace pronikají do většiny odvětví lidské činnosti Zejména cloudové modely použití (to hlavní se děje „někde jinde“) přispěly k masovému rozšíření To vytváří tlak na další růst výkonu Výkon jednoho počítače naráží na fyzikální limity, musí se řešit „chytřeji“ (spoluprací), případně radikální změnou technologie A. Křenek ·3. Počítače a počítání ·2. 10. 2023 49 / 49