在美國(guó)田納西州東部的山區(qū)，一臺(tái)名為Frontier的破紀(jì)錄超算為科學(xué)家提供了前所未有的機(jī)會(huì)，讓他們得以研究從原子到星系的一切。
超算建設(shè)如火如荼，無(wú)論是主權(quán)AI還是科技巨頭，都在源源不斷地給英偉達(dá)輸血、建數(shù)據(jù)中心。
前段時(shí)間，馬斯克建成的有10萬(wàn)張H100的Colossus集群，號(hào)稱是世界上最強(qiáng)大的AI訓(xùn)練系統(tǒng)。
而在這之前，截止到2023年12月，世界上運(yùn)算速度最快的超算，是位于美國(guó)田納西州橡樹嶺的Frontier，也被稱為OLCF-5。
Frontier配備的是AMD的CPU和GPU，有5萬(wàn)個(gè)處理器（其中包含3.8萬(wàn)個(gè)GPU），運(yùn)算速度為1.102 exaFLOPS，即每秒1.102百億億（1018）次浮點(diǎn)運(yùn)算。
這個(gè)速度甚至比10萬(wàn)臺(tái)筆記本同時(shí)工作還要更快，而且在2022年首次亮相時(shí)，F(xiàn)rontier還破了一個(gè)紀(jì)錄——第一次突破了百億億次運(yùn)算速度的門檻。

Frontier超算的覆蓋面積比兩個(gè)籃球場(chǎng)還要大
之所以要追求如此卓越的速度和規(guī)模，是為了滿足各領(lǐng)域前沿科學(xué)研究中模擬計(jì)算的需要。
Frontier十分擅長(zhǎng)創(chuàng)建模擬，并能同時(shí)捕捉到大尺度的模式和小尺度的細(xì)節(jié)，比如微小的云滴如何影響氣候變暖的速度。
如今，研究人員們從世界各地登錄Frontier，創(chuàng)建從亞原子粒子到星系的一切尖端模型，包括模擬蛋白質(zhì)進(jìn)行藥物發(fā)現(xiàn)和涉及、模擬湍流以改進(jìn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，以及訓(xùn)練能和谷歌、OpenAI競(jìng)爭(zhēng)的開源LLM。
但是，就在今年四月的一天，F(xiàn)rontier的運(yùn)作出現(xiàn)了一點(diǎn)意外。
Frontier所在的田納西州橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)主任Bronson Messer表示，為了為了跟上世界各地科學(xué)家們的要求，F(xiàn)rontier的功耗急劇上升，峰值達(dá)到了約27兆瓦，足以為大約1萬(wàn)個(gè)家庭供電。

這也為超算的冷卻系統(tǒng)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，用Messer的話說(shuō)，「機(jī)器像一條被燙傷的狗一樣在運(yùn)行」。
根據(jù)2023年的統(tǒng)計(jì)，F(xiàn)rontier共有1744個(gè)用戶，遍布18個(gè)國(guó)家，貢獻(xiàn)的計(jì)算和數(shù)據(jù)支撐了至少500篇已經(jīng)公開發(fā)表的論文。
和我們想象的場(chǎng)景類似，F(xiàn)rontier所在的機(jī)房類似于一個(gè)倉(cāng)庫(kù)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)出的電子嗡嗡聲穩(wěn)定而輕柔。
機(jī)房中共有74個(gè)機(jī)架，每個(gè)節(jié)點(diǎn)分別包含4個(gè)GPU和1個(gè)CPU。之所以有如此快的運(yùn)算速度，就是得益于龐大的GPU數(shù)量。
實(shí)驗(yàn)室主任Messer形容道，「這些GPU運(yùn)行得非常快，但也愚蠢至極，它們可以一遍又一遍地做同一件事。」
這種同時(shí)處理多項(xiàng)運(yùn)算的功能對(duì)超算的快速工作非常有用，但除此之外，也沒什么其他任務(wù)了。
這種「愚蠢至極」的背后，是一種通用性，各領(lǐng)域的科學(xué)家都可以通過定制代碼來(lái)運(yùn)行GPU。
Frontier的運(yùn)轉(zhuǎn)日夜不停，同樣連軸轉(zhuǎn)的還有負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)、維護(hù)的工程團(tuán)隊(duì)。
負(fù)責(zé)建造這臺(tái)超算的工程師團(tuán)隊(duì)來(lái)自惠普公司，其中一位技術(shù)人員Corey Edmonds表示，他們有一個(gè)工程團(tuán)隊(duì)會(huì)對(duì)Frontier進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控，判斷是否存在故障跡象。
比如其中一位夜班人員Conner Cunningham的工作時(shí)間就是晚7點(diǎn)到早7點(diǎn)，負(fù)責(zé)用十多個(gè)監(jiān)視器關(guān)注網(wǎng)絡(luò)和建筑物的安全，并監(jiān)控當(dāng)?shù)靥鞖猓_保Frontier正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
實(shí)際上，大多數(shù)夜晚都是「平安夜」，Cunningham一般只需要巡查幾次，其余時(shí)間都可以在工位上學(xué)習(xí)。
「這項(xiàng)工作有點(diǎn)像消防員，如果發(fā)生任何事，需要有人在崗監(jiān)控。」
雖然Frontier日夜不停地運(yùn)轉(zhuǎn)，但研究人員想要申請(qǐng)到使用機(jī)會(huì)，也并不是一件容易的事。
科學(xué)主任Messer和其他3位同事負(fù)責(zé)使用提案的評(píng)估和批準(zhǔn)，他們?nèi)ツ旯才鷾?zhǔn)了131個(gè)項(xiàng)目，通過率約為1/4，
申請(qǐng)人需要表明其項(xiàng)目需要利用整個(gè)超算系統(tǒng)才能獲批，一般用于對(duì)各種時(shí)間和空間尺度進(jìn)行建模。
Frontier每年共有約6500萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)（node-hour）可用，研究人員得到的最常見的分配額度為50萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，相當(dāng)于全系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行三天。
Messer表示，相比其他數(shù)據(jù)中心，研究人員在Frontier上獲得的計(jì)算資源大約多出十倍。

Frontier擁有超過5萬(wàn)個(gè)處理器，并采用液冷
有了更快的運(yùn)算速度、更多的計(jì)算資源，研究人員們就能做出更加雄心勃勃的「大科學(xué)」。
比如，在原子級(jí)精度精確地模擬生物過程，像是溶液中的蛋白質(zhì)或核酸如何與細(xì)胞其他部分發(fā)生相互作用。
今年5月，有學(xué)者用Frontier模擬了含有超過1550億個(gè)水分子的立方體形狀的水滴，大小約為人類頭發(fā)寬度的十分之一，是有史以來(lái)規(guī)模最大的原子級(jí)模擬之一。
短期內(nèi)，研究人員希望模擬細(xì)胞器來(lái)為實(shí)驗(yàn)室提供信息；此外他們還希望將這些高分辨率的模擬結(jié)果，與X射線自由電子激光器的超快成像相結(jié)合，以加速發(fā)現(xiàn)。
這些工作都是為今后更大的目標(biāo)做鋪墊——從原子開始對(duì)整個(gè)細(xì)胞進(jìn)行建模。
有了Frontier，氣候模型也變得更加精確。

去年，氣候科學(xué)家Matt Norman和其他研究人員使用Frontier運(yùn)行了分辨率為3.25公里的全球氣候模型，其中還結(jié)合了分辨率更加精細(xì)的復(fù)雜的云層運(yùn)動(dòng)。
為了創(chuàng)建長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的預(yù)測(cè)模型，F(xiàn)rontier的計(jì)算能力是十分必要的，而且需要用上整個(gè)系統(tǒng)的算力才能做到。
對(duì)于一個(gè)適用于天氣和氣候預(yù)測(cè)的模型，至少需要每天進(jìn)行一年的模擬運(yùn)行。
Frontier每天可以模擬1.26年，這個(gè)速度可以使研究人員能夠創(chuàng)建比以前更準(zhǔn)確的50年預(yù)測(cè)。
如果換到其他計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，要達(dá)到相同的分辨率，同時(shí)考慮云的影響，計(jì)算速度則會(huì)慢得多。
在更大的宇宙級(jí)尺度上，F(xiàn)rontier也能帶來(lái)更高的分辨率。
匹茲堡大學(xué)的天體物理學(xué)家Evan Schneider也在使用Frontier，研究銀河系大小的星系如何隨著年齡的增長(zhǎng)而演化。
他們創(chuàng)建的星系模型跨越四個(gè)數(shù)量級(jí)，最大規(guī)模可達(dá)約10萬(wàn)光年。而在Frontier之前，以類似的分辨率模擬的最大結(jié)構(gòu)是矮星系，質(zhì)量約為五十分之一。
作為曾經(jīng)的世界第一，F(xiàn)rontier的地位顯得更加獨(dú)特，因?yàn)檫@臺(tái)超算是為數(shù)不多的屬于公共部門的設(shè)備，而非由工業(yè)界主導(dǎo)。
由于AI領(lǐng)域的研究往往需要吞噬龐大的算力，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的成果存在巨大的鴻溝。
有學(xué)者統(tǒng)計(jì)過， 2021 年，96%的最大的AI模型來(lái)自工業(yè)界。平均而言，工業(yè)界模型的規(guī)模是學(xué)術(shù)模型的近30倍。
這種差異在投資金額方面也很明顯。美國(guó)的非國(guó)防公共機(jī)構(gòu)在2021年提供了15億美元支持AI研究。同年，全球工業(yè)界支出超過3400億美元。
而自從GPT-4、Gemini Ultra等商業(yè)LLM發(fā)布以來(lái)，兩者之前的差距又被進(jìn)一步擴(kuò)大，這種投資鴻溝導(dǎo)致工業(yè)界和學(xué)術(shù)界可用的計(jì)算資源明顯不對(duì)稱。
由于工業(yè)界的模型開發(fā)以盈利為目的，往往會(huì)忽視很多技術(shù)發(fā)展中必須要面對(duì)的重要問題，比如基礎(chǔ)研究、低收入群體的需求、評(píng)估模型風(fēng)險(xiǎn)、糾正模型偏見等等。
如果學(xué)術(shù)界要承擔(dān)起這些責(zé)任，就需要能和行業(yè)規(guī)模匹配的算力，這就是Frontier的用武之地。
一個(gè)最典型的例子，科技公司訓(xùn)練出的LLM往往保留不同程度的專有性，但研究者們往往會(huì)獎(jiǎng)自己開發(fā)的模型免費(fèi)提供給任何人使用。
馬里蘭大學(xué)帕克分校的計(jì)算機(jī)科學(xué)家Abhinav Bhatele表示，這將有助于大學(xué)研究人員與公司競(jìng)爭(zhēng)，「學(xué)術(shù)界人士訓(xùn)練類似規(guī)模模型的唯一方法是獲得像Frontier這樣的資源。」
Bhatele認(rèn)為，F(xiàn)rontier等設(shè)施在AI領(lǐng)域就是發(fā)揮著這種至關(guān)重要的作用，讓更多的人參與到技術(shù)開發(fā)中，共享成果。
但值得注意的是，這場(chǎng)國(guó)家之間、科技公司和非營(yíng)利機(jī)構(gòu)間的算力基礎(chǔ)設(shè)施競(jìng)賽，依舊在持續(xù)，能力強(qiáng)大如Frontier也終會(huì)有跌落的一天。
橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)在規(guī)劃Frontier的繼任者，名為Discovery，計(jì)算速度將提升3～5倍。
作為參考，F(xiàn)rontier相比2014年的最快的超算天河二號(hào)A快了35倍，比2004年最快的超算Earth Simulator快3.3萬(wàn)倍。

研究人員仍然渴望更快的速度，但工程師們面臨著持續(xù)的挑戰(zhàn)，其中一方面就是能源。
Frontier的能源效率相比Summit就提升了4倍多，很大程度上是源于不同的冷卻方案。
Frontier使用室溫水進(jìn)行冷卻，與Summit使用冷水不同。Frontier總能耗的大約3%～4%用于冷卻，而Summit 的這一比例為10%。
與 Summit 使用冷凍水不同。Frontier 總能耗的大約 3-4% 用于冷卻，而 Summit 的這一比例為 10%。
多年來(lái)，能源效率一直是構(gòu)建更先進(jìn)超算的關(guān)鍵瓶頸，而在可預(yù)見的將來(lái)，這個(gè)瓶頸估計(jì)會(huì)持續(xù)存在。
實(shí)驗(yàn)室主任Messer表示， 「我們本可以在2012年建造一臺(tái)百億億次級(jí)別的超算，但提供動(dòng)力的成本太高了，需要多一兩個(gè)數(shù)量級(jí)的電力。」