Trung Quốc chạy đua thiết kế siêu máy tính nhanh nhất thế giới

Tianhe-1A từng là siêu máy tính nhanh nhất thế giới vào năm 2010. Nguồn: Sciencemag

Nhưng chỉ trên lầu từ Tianhe-1A, khu vực giới hạn với khách tham quan, là một máy tính nguyên mẫu nhỏ mà nếu mở rộng quy mô thành công, có thể đẩy Trung Quốc lên vị trí đầu bảng xếp hạng một lần nữa. Mục tiêu là một siêu máy tính 1 exaflop - 1000 petaflop, nhanh hơn năm lần so với nhà vô địch hiện tại, siêu máy tính Summit tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge của Mỹ.

Trung Quốc đang cạnh tranh với Hoa Kỳ, châu Âu và Nhật Bản để tạo ra siêu máy tính mới, thiết bị giúp họ có thể tăng cường năng lực tính toán của các mô hình khí hậu và thời tiết, thực hiện các nghiên cứu di truyền của con người, phát triển thuốc, trí thông minh nhân tạo và các ứng dụng khoa học khác. Chiến lược của họ là độc nhất khi tạo điều kiện cho ba nhóm nghiên cứu cùng cạnh tranh với nhau, do đó Thiên Tân có hai đối thủ; một tại Trung tâm Siêu tính toán Quốc gia Tế Nam và một tại Dawning Information Industry Co., một nhà sản xuất siêu máy tính, Bắc Kinh.

Bộ Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (MOST) có lẽ sẽ chọn hai mẫu để qua đó mở rộng lên mức exascale (hệ thống siêu máy tính có khả năng xử lý một tỷ tỷ phép tính mỗi giây; ở cấp độ exaflop, một exaflop tương tương 1.000 petaflop) vào cuối năm nay. Cách tiếp cận này là cơ hội để thúc đẩy đổi mới sáng tạo, theo Bob Sorensen, một nhà phân tích tính toán hiệu suất cao tại công ty Hyperion Research ở St. Paul. Cách làm này “khuyến khích các nhà cung cấp thử nghiệm một loạt các thiết kế để phân biệt mình với đối thủ cạnh tranh”, ông nói.

Trung Quốc có thể không phải là nước đầu tiên đạt được cột mốc tính toán này. Máy tính exascale Post-K của Nhật Bản có thể bắt đầu hoạt động vào năm 2020. Hoa Kỳ đang hướng tới triển khai hệ thống exascale đầu tiên tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne ở Lemont, Illinois vào năm 2021. Liên minh châu Âu đang đẩy mạnh chương trình của riêng mình. Trung Quốc cũng nhắm đến mốc năm 2020 nhưng thời gian dự kiến này có thể còn bị lùi lại.

Tuy nhiên, về đích đầu tiên không phải là mục tiêu duy nhất của Trung Quốc. Có ba nhóm cạnh tranh sẽ đảm bảo tiến bộ công nghệ bao phủ toàn bộ các thành phần: chip máy tính, phần mềm điều hành, mạng và công nghệ lưu trữ dữ liệu, theo Meng Xiangfei, nhà vật lý phụ trách phần nghiên cứu và phát triển ứng dụng exascale cho Trung tâm Siêu máy tính quốc gia.

Việc xây dựng năng lực trong nước đặc biệt quan trọng đối với bộ xử lý trung tâm (CPU) và các chip chuyên dụng, vốn được gọi là các cỗ máy gia tốc, giúp tăng hiệu suất của máy tính. Theo Jack Dongarra, một nhà khoa học máy tính tại Đại học Tennessee ở Knoxville, Trung Quốc dựa vào CPU Intel do Mỹ sản xuất cho nhiều thế hệ siêu máy tính, nhưng vào năm 2015, chính phủ Mỹ đã cấm xuất khẩu một số loại chip vì lý do an ninh. Động thái này “khiến chính phủ Trung Quốc phải đầu tư lớn” vào bộ xử lý, ông nói. Tất cả ba nguyên mẫu exascale đều sử dụng chip sản xuất tại Trung Quốc.

Chiến lược ba nhóm cũng cho phép MOST chia sẻ chi phí với chính quyền khu vực, những nơi đang hy vọng việc tạo ra một siêu máy tính hàng đầu sẽ thúc đẩy phát triển công nghệ và thu hút các viện và doanh nghiệp. Qian Depei, một nhà khoa học máy tính tại Đại học Hàng không và vũ trụ Bắc Kinh, thành viên trong hội đồng đánh giá exascale của MOST, nói rằng các mẫu có giá khoảng 9 triệu USD mỗi chiếc; MOST đóng góp một nửa và phần còn lại đến từ các nguồn địa phương.

Các nguyên mẫu đã phải trải qua một loạt các bài kiểm tra về tốc độ, sự ổn định và tiêu thụ năng lượng cộng với việc chạy thử phần mềm từ các lĩnh vực ứng dụng khác nhau, nhưng kết quả là "rất bí mật", Meng nói. Ngân sách cuối cùng cũng không rõ ràng, mặc dù ngay từ đầu một ủy ban tư vấn của chính phủ ước tính một máy tính exascale sẽ có giá từ 2 tỷ đến 3 tỷ nhân dân tệ (288 triệu đến 432 triệu USD).

Ngay cả sau khi hai người chiến thắng được công bố, Qian nói rằng đội thứ ba có lẽ sẽ vẫn còn tham gia vì vậy kiến thức chuyên môn họ tích lũy không bị lãng phí. Mở rộng các mẫu đang hoạt động trong phạm vi 3 petaflop, có nghĩa là kết nối đủ CPU và bộ gia tốc để đạt được exaflop, tinh chỉnh hệ thống làm mát bằng chất lỏng để tản nhiệt, cải thiện hiệu suất, và hoàn thiện phần mềm vận hành để các bộ xử lý có thể hoạt động cùng nhau.

Trung Quốc từng bị tụt hậu trong việc phát triển phần mềm ứng dụng cần thiết để triển khai nghiên cứu với siêu máy tính, nhưng họ đã bắt kịp, Meng nói. Trong 2 năm qua, các nhóm người Trung Quốc đã giành được Giải thưởng Gordon Bell do Hiệp hội Máy tính Máy tính toán (ACM) trao tặng hàng năm trong việc áp dụng tính toán hiệu năng cao vào khoa học, kỹ thuật và phân tích dữ liệu quy mô lớn. Các nhà khoa học Trung Quốc hiện đang làm việc trên các ứng dụng mới, Yang Meihong, giám đốc trung tâm tại Tế Nam cho biết. Ví dụ, mở rộng exascale sẽ cho phép cải thiện đáng kể độ phân giải không gian của các mô hình khí quyển toàn cầu, "sẽ rất có ý nghĩa cho hiểu biết sâu hơn về các cơ chế của biến đổi khí hậu," cô nói.

Hoa Kỳ vẫn thống trị trong số các siêu máy tính thực sự mạnh mẽ được sử dụng cho nghiên cứu, với 21 hệ thống trong top 50, so với 2 hệ thống của Trung Quốc. Nhưng các nhà khoa học không coi trọng xếp hạng. “Thước đo thực sự chính là những kết quả khoa học mới mà chúng tôi có được từ các máy tính này," Dongarra nói.