null Suurteholaskennan hyödyt

Suurteholaskennan hyödyt

HPC (high-performance computing) tarkoittaa suurteholaskentaa. Suurteholaskennassa ratkaistaan tieteellisesti haastavia ongelmia supertietokoneiden valtavan laskentakapasiteetin avulla. Supertietokone kykenee laskemaan tuhansia biljoonia laskutoimituksia sekunnissa.

Tietokonesimulaatioiden avulla voidaan tutkia esimerkiksi ilmastonmuutosta ja jäätiköiden sulamista, ratkaista uusiutuvaan energiaan ja fuusioenergiaan liittyviä kysymyksiä sekä etsiä uusia entistä tehokkaampia lääkeaineita moniin sairauksiin. Digitalisaatio ja kasvavat datamäärät ovat tuoneet myös humanistit ja yhteiskuntatieteilijät laskennallisten menetelmien käyttäjiksi.

Laskennallinen tiede on Suomessa korkeatasoista. Suomessa tutkijoiden käytössä ovat suuret kansalliset tietokoneresurssit. Nämä yhdistyvät pienempiin, korkeakoulujen omiin hajautettuihin laskentaresursseihin ja kansainvälisiin todella suuriin laskentaresursseihin.

Suomi ja  kahdeksan muuta maata isännöivät pian yhtä maailman tehokkainta supertietokonetta, kun EuroHPC-hankkeen LUMI-supertietokone sijoitetaan Suomeen Kajaanissa sijaitsevaan datakeskukseen. LUMI tulee olemaan yksi aikansa tunnetuimmista tieteellisistä instrumenteista.

Tieteen kansallisesta kilpailukyvystä on pidettävä jatkuvasti huolta. Omat supertietokoneet ja maailman huipputason resurssit mahdollistavat osaavan tutkijayhteisön muodostumisen, kansainvälisen yhteistyön ja pääsyn todella suuriin laskentaresursseihin.

Eurooppalainen suurteholaskennan yhteistyö on kriittinen menestystekijä Suomelle. Se lisää kilpailukykyä ja tuottavuutta. Supertietokoneet, datan hyödyntäminen ja laskennallinen tiede ovat avainasemassa, kun etsimme ratkaisuja ihmiskunnan suuriin haasteisiin.

HPC:n tuomat edut tutkimukselle

Supertietokone on tietokone, joka on suorituskyvyltään maailman nopeimpien tietokoneiden joukossa. Yhtenä kriteerinä pidetään pääsyä maailman supertietokoneiden top500-listalle. Supertietokoneen elinikä on tyypillisesti neljästä kuuteen vuotta.

Supertietokoneen teho ei riipu pelkästään suorittimien tehosta ja määrästä, sillä koneen sisäinen suorittimien välinen nopea kytkentäverkko on myös keskeisessä asemassa.

Supertietokoneet ovat kuin tietokoneiden Formula 1 -autoja: ne suorittavat laskutoimituksia miljoonia kertoja nopeammin kuin normaalikäytössä olevat tietokoneet. Erittäin suurta laskentatehoa tarvitaan huippututkimuksen tekoon monilla data- ja laskentaintensiivisillä tieteenaloilla, esimerkiksi lääkeainetutkimuksessa ja ilmastotieteissä.

Supertietokoneet soveltuvat moneen. Ne ovat kuin teleskooppeja: niiden avulla voidaan simuloida esimerkiksi maailmankaikkeuden alkuräjähdystä ja tähtien elinkaarta.

Supertietokoneet ovat kuin mikroskooppeja: niiden avulla voidaan simuloida esimerkiksi aineen elektronirakennetta, molekyylitason tapahtumia ja solukalvojen toimintaa.  

Supertietokoneet ovat myös kuin aikakoneita: simuloimalla menneitä sääolosuhteita voidaan paremmin ennustaa tulevia sääilmiöitä ja auttaa ratkaisemaan esimerkiksi ilmastonmuutokseen liittyviä kysymyksiä. Supertietokoneiden avulla laajennetaan tieteellisen tutkimuksen rajoja. Ilman supertietokoneita mallinnukset kestäisivät hyvin pitkään tai tutkimus olisi kokonaan mahdotonta tehdä.

Perinteinen HPC

Tieteellisellä laskennalla on pitkät perinteet. Loppusyksyllä 1989 otettiin käyttöön kauan odotettu uutuus: Suomen ensimmäinen supertietokone Cray X-MP.

Näistä päivistä alkaen, jo 30 vuoden ajan, suomalaisten korkeakoulujen ja tutkimuslaitosten tutkijat ovat ratkaisseet tieteellisiä ongelmia matemaattisen mallinnuksen, suurteholaskennan ja supertietokoneen avulla.

Perinteisesti suurteholaskentaa on käytetty muun muassa fysiikan virtauslaskennassa ja kemian molekyylidynamiikkasimulaatioissa.

Uudet alat

1980-luvulla supertietokoneita käyttävä tutkijajoukko laajeni. Suurteholaskenta nosti päätään niin nanotieteen tutkimuksissa kuin tiheysfunktionaaliteorioita hyödyntävien tutkimusten parissa.

1990-luvulla bioinformatiikan tutkijat nousivat merkittäväksi suurteholaskentaa käyttäväksi tutkijajoukoksi ja esimerkiksi geeniteknologian alalla otettiin harppauksia eteenpäin.

2000-luvun nousija suurteholaskennan parissa on digihumanismi. Nykyinen digitalisaatio avaa yhteiskuntatieteilijöille ja humanisteille uusia mahdollisuuksia. Vaikka yhteiskuntatieteilijät ja humanistit ovat käyttäneet jo kauan tilastotiedettä, rekisteridataa ja sähköisiä kieliaineistoja, vasta nykyinen digitalisaatio avaa heille aivan uusia mahdollisuuksia tehdä tutkimusta. Data-aineistojen määrän kasvun, aineistojen saatavuuden parantumisen ja datatieteen menetelmien kehittymisen myötä myös yhteiskuntatieteilijät ja humanistit ovat ryhtyneet tieteen laskennallisten menetelmien käyttäjiksi, digihumanisteiksi.

Kvanttilaskenta

Kvanttitietokoneet eivät ole enää pelkkää spekulaatiota tai scifiä. Lokakuussa 2019 Googlen Sycamore-tietokoneen kehittäjät kertoivat laskentaoperaatiosta, josta kvanttitietokone oli ensimmäisen kerran suoriutunut ylivertaisesti nopeammin kuin tehokkaimmat perinteiset super­tietokoneet.

Toistaiseksi kvanttitietokoneita ei ole hyötykäytössä. Tietotekniikka-alan jätit pyrkivät kehittämään omia kvanttikoneitaan ja kilpajuoksu on kovaa.

Mikä kvanttitietokone oikeastaan on? Se on tietokone, jonka avulla voidaan ratkaista  tiettyjä ongelmia huomattavasti perinteisiä tietokoneita nopeammin. Tavallinen tietokone käyttää laskennassa bittejä. Jokainen bitti sisältää joko ykkösen tai nollan, ja laite suorittaa laskutoimitukset bittien arvoja muuttamalla.

Kvanttitietokoneen toiminta perustuu kubitteihin.  Yksi kubitti voi sisältää joko ykkösen, nollan tai näiden niin kutsutun superposition, jolloin kummankin toteutumiselle on oma todennäköisyytensä. Superpositio ei vielä yksikseen riitä, vaan kvanttilaskentaan tarvitaan sekä tilojen superpositio että niiden lomittumisena tunnettu kvantti-ilmiö. Siinä kvanttitilat voivat olla kytkeytyneitä toisiinsa tavalla, jolla ei ole vastaavuutta arkimaailmassa. Suuri määrä mahdollisia tiloja sallii kvanttitietokoneiden suorittaa suuren määrän laskutoimituksia paljon nopeammin kuin mihin bitteihin perustuvat tietokoneet pystyvät.

Kvanttitietokoneet eivät sovellu mihin tahansa laskutehtäviin eikä niistä tule perinteisten tietokoneiden korvaajia kaikissa tapauksissa. Niistä voi tulla ylivoimaisia tehtävissä, joissa on yksinkertainen vastaus, mutta läpikäytävänä valtava määrä mahdollisuuksia.

Kansainvälinen yhteistyö

Yliopistot, tutkimuslaitokset ja kansalliset laskentakeskukset tarjoavat laskentaresursseja, jotka riittävät useimpien kotimaisten tutkimusprojektien tarpeisiin. Kun puhutaan eri alojen huippututkimuksesta, on tilanne tyystin eri. Mikäli halutaan pysyä maailmanlaajuisen tutkimuksen kärjessä, tarvitaan maailman nopeimpia tietokoneita.

Euroopassa on puhallettu yhteen hiileen suurteholaskennan alalla Euroopan unionin tukemana jo reilun viidentoista vuoden ajan. Eurooppalainen yhteistyö on ollut avaintekijä myös suurteholaskennan seuraavan askeleen muotoutumisessa. Yksi maailman tehokkaimmista supertietokoneista, EuroHPC-hankkeen LUMI-supertietokone sijoitetaan CSC:n Kajaanin datakeskukseen. LUMI on Euroopan unionin ja kymmenen maan yhteinen ponnistus. Suomen ja yhdeksän muun maan muodostama LUMI-konsortio on esimerkki uudentyyppisestä HPC-investoinnista: maat investoivat yhdessä EU:n tukemana yhteen huippuluokan supertietokoneeseen, joka sijoitetaan yhteen maahan.

EuroHPC:n myötä jatkuu eurooppalainen suurteholaskennan yhteistyö, josta suomalaiset tutkijat ovat jo hyötyneet vuosien saatossa merkittävästi. Investoinnin myötä CSC:n datakeskuksesta tulee yksi maailman ja Euroopan suurimpia toimijoita suurteholaskennan saralla.

 

Videot

LUMI-supertietokoneen esittely

Katso video Youtubessa »

CSC:n toimitusjohtaja Kimmo Koski avaa EuroHPC:n merkitystä

Katso video Youtubessa »

Matti Nelimarkka: LUMI yhteiskuntatieteellisen tutkimuksen takana

Katso video Youtubessa »

Jaakko Hirvola, Teknologiateollisuuden toimitusjohtaja, kertoo EuroHPC:n merkityksestä yrityksille

Katso video Youtubessa »

Aalto-yliopiston rehtori Ilkka Niemelä EuroHPC:n merkityksestä tutkimukselle

Katso video Youtubessa »

Latest blogs and articles

More insights

Topological superconductor – new building block for qubits

A team of theoretical and experimental physicists at Aalto University and Tampere University have designed a new ultra-thin material that they have used to create elusive quantum states. Called one-dimensional Majorana zero energy modes, these quantum states could have a huge impact for quantum computing.

Read More »

User experience: Excellent!

The new CSC supercomputer Mahti was inaugurated into researchers' use at a virtual seminar on 7 October. At the event, six Mahti Pilot Users shared their initial experiences of the computer.

Read More »

Structural biology, biochemistry and molecular simulations of mitochondrial complex I – a key role of accessory protein in biological energy conversion

By combining the power of structural biology, biochemistry and multiscale molecular simulations, researchers from Germany and Finland found a key role of an accessory subunit in energy production by respiratory complex I, a central bioenergetic enzyme.

Read More »

Exploring machine learning frameworks for cloud and supercomputing. Blog post 3/3

In this final part of the blog post series we will look at existing frameworks for implementing the combined machine learning workflow for HPC environments.

Read More »