Nie je "superpočítač" ako superpočítač

V nadväznosti na predchádzajúci článok týkajúci sa neschopnosti slovenských politikov niečo reálne vykonať niečo pozitívne pre Slovensko a Slovenských občanov "BAT Centrum - Lesk a bieda slovenských politikov" dopĺňam ďalší článok dotýkajúci sa ich schopností a odborností.

Úvod

Predpovedanie počasia je komplexná vedecká disciplína, ktorá vyžaduje vysoké výpočtové výkony. Na Slovensku sa o túto úlohu systematicky stará už od konca 60-tych rokov minulého storočia Slovenský hydrometeorologický ústav (SHMÚ). V posledných rokoch sa však takmer pravidelne objavujú otázky ohľadom efektívnosti a vhodnosti vynakladaných finančných prostriedkov predovšetkým do nákupu výpočtovej techniky.

Za predchádzajúcich vlád SMERu boli pre predpovede počasia postupne obstarané 2 "superpočítače", ktoré mali zabezpečovať pravidelné výpočty pre predpovede počasia.

Aj vám sa však stávalo, že predpovede z aplikácií AccuWether, Nórskeho hydrometeorologického ústavu alebo Rakúskeho ekvivalentu boli pre Slovensko presnejšie, ako tie, čo pochádzali z SHMÚ? Nečudujte sa, veď to boli takmer "bežné počítače".

"Superpočítač" SHMÚ z roku 2012

V tomto roku si dohodilo SNS v rámci svojej pôsobnosti v rezorte životného prostredia projekt za cca 20 miliónov Eur, ktorý bol realizovaný v rámci SHMÚ. Súčasťou dodávky mal byť tiež "superpočítač", ktorý mal o. i. slúžiť aj na výpočty súvisiace s predpoveďami počasia. Tento stroj bol postavený len na niekoľkých tradičných serveroch s bežnými CPU, pričom už v tom čase nešlo o žiadne "výpočtové delá".

Pre samotné výpočty sa využívali všeobecne obľúbené a dlhými rokmi preverené modely ako napr. Aladin ako aj ďalšie modely využívané aj inými ústavmi, resp. organizáciami.

"Superpočítač" SHMÚ z roku 2020/2022

Ešte ku koncu vlády SMERu pred nešťastnou zmenou v podobe IM sa SNS podarilo znovu získať z operačných programov ďalšie peniaze na výmenu už "starého" superpočítača za nový v hodnote takmer 4 miliónov Eur. Požiadavky na nový superpočítač však znovu navrhovali "odborníci na informačné technológie". Výsledkom je stroj, ktorý má síce už 480 procesorov CPU a množstvo pamäte, je krásne chladený vodou atď., ale z pohľadu efektívnosti pri matematických výpočtoch, ktoré sú pre modely pre predpovede počasia kľúčové, ide o neefektívne stroje, ako ukážem ďalej.

Znovu sú pre predpovede počasia využívané modely ako Aladin a ďalšie dostupné modely. Nasadením "nového superpočítača" sa mala zvýšiť presnosť predpovedí v hustejšej mierke pokrývajúcej Slovensko s častejším prepočtom.

Predpovedný model Aladin

Predpovedné modely počasia, ako napr. obľúbený Aladin, je používaný už dlhé roky aj v SHMÚ, a pre samotné výpočty sú využívané dostupné knižnice v jazyku Fortran, ktorý je od svojho vzniku najefektívnejším programovacím jazykom pre vedecké výpočty. Tieto knižnice obsahujú optimalizované procedúry na numerické modelovanie atmosférických procesov a sú pravidelne aktualizované na základe dostupných vedeckých poznatkov ako aj technológií. Integrácia týchto knižníc do predpovedných modelov ako je aj Aladin, umožňuje efektívne využitie dostupného výpočtového výkonu CPU. To je zároveň asi aj jedinou chybou týchto knižníc, ktoré by potrebovali presmerovať volania výpočtových operácií z CPU do GPU.

Túto zmenu niektoré organizácie očividne zvládli, pretože dokážu aj pre Slovensko vypočítať predpovede počasia, ktoré lepšie sedia s realitou, ako samotný SHMÚ, aj keď prechodom na nový "superpočítač" získali mnohonásobne väčší výpočtový výkon. U nás sme sa zatiaľ optimalizácie pre využívanie výpočtov na úrovni GPU miesto CPU zatiaľ nedočkali a je otázne, či a kedy "naši numerici" takúto zmenu realizujú.

Porovnanie výpočtového výkonu CPU a GPU

CPU je procesor, ktorý potrebuje v počítači zvládnuť prakticky všetky dostupné operácie, či už ide o výpočty, prácu s textom atď. Preto nie je optimalizovaný na žiaden konkrétny typ operácií. Naopak GPU je procesor jednoznačne orientovaný na zobrazovanie 2D ako aj 3D obrazu, ktorého základom som práve výpočty, a to predovšetkým klasické matematické sčítavanie, odčítavanie, násobenie a delenie (samozrejme aj ďalšie). Pre tieto operácie je GPU optimalizovaný a preto v nich podáva mnohonásobne vyššie výkony.

Pre porovnanie som zvolil ako zástupcu CPU procesor Intel Core i9-14900K a ako zástupcu GPU procesor NVidia GeForce RTX 4070, ktoré patria svojimi výkonmi medzi najvýkonnejšie.

CPU i9 je schopná vykonať za 1 sekundu 0,8 miliardy sád matematických operácií a GPU RTX zvládne za sekundu takmer 71,78 miliárd sád rovnakých operácií, t. j. GPU je viac ako 89krát výkonnejšie ako CPU. Tento náskok vo výpočtovom výkone je podporený aj viac ako 5-násobne vyššou pamäťovou priepustnosťou, ktorá je dôležitá pre veľké objemy presahujúce možnosti vyrovnávacích pamätí procesorov.

Energetická náročnosť výpočtu predpovede počasia

Keďže ide o jeden z kľúčových spotrebičov elektrickej energie v rámci rezortu životného prostredia, tak je tiež zaujímavé posúdenie energetickej náročnosti neefektívne zvoleného "nového superpočítača" SHMÚ, ktorý aktuálne vyžaduje menovitý príkon presahujúci 1,32 MW.

Pri použití "bežného" CPU je potrebný bežný príkon pre samotný procesor na vykonanie 1 miliardy sád výpočtových operácií pri modelovom CPU i9 takmer 156 W, pričom GPU si vystačí len s necelými 3 W. Pri použití GPU miesto CPU pre samotné výpočty by bola celková úspora príkonu pre samotné procesory na úrovni cca 98 % elektrickej energie. Na to je ďalej naviazaná ďalšia úspora vyplývajúca z nižšieho nároku na chladenie atď.

Záver

Na základe dohľadateľných faktov je zrejmé, že výber a konfigurácia superpočítačov obstaraných SHMÚ za vlád SMERu a SNS pôsobiacich v tom čase v rezorte životného prostredia bol opakovane podriadený politickým a očividne aj finančným záujmom skutočného zadávateľa (bohužiaľ nie samotného SHMÚ) a neschopnosti sa poradiť so skutočnými odborníkmi a reálne zodpovednými pracovníkmi v tejto oblasti.

Ak chceme presnejšie predpovede počasia, bežnému občanovi Slovenska nezostáva nič iného, ako sa obrátiť na predpovede pochádzajúce zo zahraničia, ktoré ich majú presnejšie, ako naše SHMÚ, čo je veľká škoda, pretože odborníkov aj finančné prostriedky na to boli k dispozícii.

Zdroje