LUMI: yksi maailman tehokkaimmista supertietokoneista

Maailman nopeimpiin kuuluva supertietokone, LUMI, aloittaa toimintansa CSC:n datakeskuksessa Kajaanissa vuonna 2021. LUMI on ainutlaatuinen yhteiseurooppalainen, kymmenen Euroopan maan ja Euroopan unionin EuroHPC-yhteisyrityksen supertietokonehanke, joka parantaa Suomen ja koko Euroopan tutkimusta, työllisyyttä ja kilpailukykyä. Huippunopean laskentatehon lisäksi LUMI on yksi maailman edistyksellisimmistä alustoista tekoälylle ja se on elinkaarensa ajan yksi maailman näkyvimmistä tieteellisistä instrumenteista.

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.

 

Mikä EuroHPC?

EuroHPC Joint Undertaking (JU) päätti kesäkuussa 2019 sijoittaa yhden kolmesta huippunopeasta, niin sanotusta pre-eksatason supertietokoneesta CSC:n Kajaanin datakeskukseen. Kaksi muuta EuroHPC-lippulaivakonetta sijoitetaan Espanjaan ja Italiaan.

EuroHPC JU on EU:n jäsenmaiden ja komission yhteisyritys, joka kokoaa resursseja EU:sta ja kansallisista lähteistä rahoittamaan suurteholaskennan (high-performance computing, HPC) yhteiseurooppalaista tutkimusinfrastruktuuria. Dataintensiivinen laskenta on edellytys koneoppimiselle, tekoälylle ja alustataloudelle, jotka ovat olennainen osa Euroopan digitalisaatiokehitystä. EuroHPC-julistuksen on allekirjoittanut 32 maata.

EuroHPC-hakuprosessia varten muodostettiin LUMI-konsortio (Large Unified Modern Infrastructure), johon kuuluvat Suomen lisäksi Belgia, Islanti, Norja, Puola, Ruotsi, Sveitsi, Tanska, Tšekki ja Viro. Suomen ja yhdeksän muun maan muodostama LUMI-konsortio on esimerkki uudentyyppisestä investoinnista suurteholaskentaan:  maat investoivat yhdessä EU:n tukemana yhteen huippuluokan supertietokoneeseen, joka sijoitetaan yhteen maahan.


Tämä konsortio pystyy tarjoamaan laadukkaan, kustannustehokkaan ja yhteistyöhön pohjautuvan infrastruktuurin, joka on myös Kajaanin maantieteellisen sijainnin ja datakeskuksen ominaisuuksien vuoksi yksi maailman ekotehokkaimmista: LUMIn tuottamalla hukkalämmöllä tuotetaan 20% Kajaanin alueen vuosittaisesta kaukolämpötarpeesta ja tämän lisäksi LUMI-konesalin käyttämä sähkö on kokonaan uusiutuvaa.
 

EU:n Green Dealin puolesta

LUMIn perustana ovat maailmanluokan ekologinen kestävyys ja kustannustehokkuus. LUMI tukee ja näyttää suuntaa Euroopan ICT-sektorille EU:n asettamien kunnianhimoisten ilmastonsuojelun ja vihreän kasvun tavoitteiden saavuttamisessa.

Pienin mahdollinen ympäristökuormitus sekä veronmaksajia säästävä energiakulutus tekevät LUMIsta ylivertaisen esimerkin.

EU on budjetoinut EuroHPC-hankintoihin vuosille 2019–20 yhteensä yli 960 miljoonaa euroa. LUMI-järjestelmään investoidaan yhteensä yli 200 miljoonaa euroa. Puolet rahoituksesta tulee Euroopan unionilta ja puolet osallistuvilta mailta. Suomen osuus rahoituksesta on noin 50 miljoonaa euroa. Suomalaisten tutkijoiden ja yhteiskunnan käyttöön saadaan suoraan noin 24 prosenttia supertietokoneen tuottamasta laskentakapasiteetista. Lisäksi yritysten käyttöön on varattu viidennes LUMIn laskenta-ajasta.

 

LUMI-supertietokone

LUMIn järjestelmätoimittajaksi valikoitui tarjouskilpailussa Hewlett Packard Enterprise (HPE), laitebrändinä HPE Cray.

LUMIn laskentateho on yli 550 petaflopsia eli liukulukulaskutoimitusta sekunnissa. Tämä teho tekee LUMIsta yhden maailman tehokkaimmista supertietokoneista. Tällä hetkellä maailman nopein tietokone Fugaku Japanissa kykenee 513 petaflopsin laskentatehoon (tilanne 06/2020, linkki: www.top500.org). LUMIn laskentateho vastaa yli 1,5 miljoonan yleiskäyttöisen läppärin laskentatehoa: pinottuna näistä muodostuisi yli 23 kilometrin korkuinen torni!

Tämän lisäksi LUMI tulee olemaan yksi maailman edistyksellisimmistä alustoista tekoälylle. LUMI mahdollistaa tekoälyn menetelmien, erityisesti syväoppimisen, perinteisten laajan skaalan simulaatioiden sekä suurten datamassojen analytiikan yhdistymisen saman haasteen ratkaisemisessa.

LUMI-supertietokone vie tilaa noin tenniskentän verran (yli 150m2) ja laitteisto painaa lähes 150 000 kiloa.

 

Tältä LUMI-datakeskus tulee näyttämään. Kuvat: Synopsis Arkkitehdit Oy ja Geometria Architecture Oy

 

Havainnekuva LUMIsta, HPE:n Cray EX -supertietokoneesta. Kuva: Hewlett Packard Enterprise 

 


LUMI-arkkitehtuuri tarkemmin:

LUMIn järjestelmätoimittajaksi valikoitui tarjouskilpailussa Hewlett Packard Enterprise (HPE), laitebrändinä HPE Cray EX -supertietokone.

LUMIn laskentateho on 552 petaflopsia eli yli 552 miljoonaa miljardia laskutoimitusta sekunnissa. Tämä teho tekee LUMIsta yhden maailman tehokkaimmista supertietokoneista. Tällä hetkellä maailman nopein tietokone Fugaku Japanissa kykenee 513 petaflopsin laskentatehoon (tilanne 06/2020, lisätietoja: www.top500.org). LUMIn laskentateho vastaa yli 1,5 miljoonan yleiskäyttöisen läppärin laskentatehoa: pinottuna näistä muodostuisi  yli 23 kilometriä korkea torni!

Tämän lisäksi LUMI tulee olemaan yksi maailman edistyksellisimmistä alustoista tekoälylle. LUMI mahdollistaa tekoälyn menetelmien, erityisesti syväoppimisen, perinteisten laajan skaalan simulaatioiden sekä suurten datamassojen analytiikan yhdistymisen saman haasteen ratkaisemisessa.


LUMIn huima laskentateho perustuu pääosin grafiikkaprosessoreihin (Graphics Processing Units, GPUs), perustuen seuraavan sukupolven AMD Instinct™ GPU-prosessoreihin.

Tämän lisäksi LUMIssa on perinteisiin prosessoreihin perustuva osio (Central Processing Units, CPUs), jossa on 64-ytiminen seuraavan sukupolven AMD  EPYC™ -suorittimia.

LUMIn data-analytiikkapartitiossa on 32 teratavun suuruinen jaettu muisti ja 64 visualisointiin tarkoitettua grafiikkakorttia. Tätä osiota käytetään esimerkiksi datan esi- ja jälkikäsittelyyn ja visualisointiin.


LUMIn tallennusjärjestelmä rakentuu kolmesta kerroksesta: 7 petatavun huippunopea flash-teknologiaan perustuva levyjärjestelmä ja 80 petatavun perinteisempi rinnakkaislevyjärjestelmä. Nämä molemmat perustuvat Lustre-teknologiaan. Lisäksi LUMIssa on 30 petatavun datanhallintajärjestelmä, joka perustuu Ceph-teknologiaan. 

Yhteensä LUMIssa on siis tallennustilaa huimat 117 petatavua. Datan siirtonopeudesta voidaan todeta, että flash-teknologiaan perustuva levyjärjestelmä siirtää dataa levyltä laskentanoodien muistiin tai sieltä pois kahden teratavun sekuntivauhdilla.

Lisäksi mikropalvelujen pyörittämistä varten LUMIssa on konttipalvelu, joka perustuu OpenShift/Kubernetes-teknologiaan.

LUMIn eri osiot on kytketty samaan Crayn omaan erittäin nopeaan Slingshot-kytkinverkkoon (200 Gbit/s). GPU-osion kytkinverkon globaali kaistanleveys on 160 Tt/s. Maailman koko internetliikenne vuonna 2019 oli 88 Tt/s eli mahtuisi liki kahteen kertaan LUMIn kytkinverkkoon!

LUMI vie tilaa noin tenniskentän verran (yli 150m2) ja laitteisto painaa yhteensä lähes 150 000 kiloa.

 

 

Mihin LUMIa käytetään?

Supertietokoneen tuomaa huippuluokan laskentatehoa tarvitaan huippututkimuksen tekoon monilla eri data- ja laskentaintensiivisillä tieteenaloilla, koska erilaisten datalähtöisten menetelmien merkitys tutkimuksessa, hallinnossa ja teollisuudessa on yhä suurempi.

Esimerkkeinä näistä on lääketiede, ilmastotiede ja tekoäly. Osa LUMI-supertietokoneen resursseista on varattu aikakriittisten tehtävien mallinnukseen, joita voidaan käyttää esimerkiksi erilaisten pandemioiden vastaisessa tutkimuksessa. Tämänhetkiseen koronapandemiaan on saatu merkittäviä edistysaskelia supertietokoneiden avulla: erittäin raskasta laskentaa vaativa lääkeainetutkimus on edennyt supertietokoneresurssein eteenpäin ennennäkemättömällä nopeudella ja laskentaresurssit tulevat olemaan avainasemassa myös jatkossa, kun etsitään ratkaisua pandemian kaltaisiin, koko maailmaa koskettaviin kysymyksiin.

LUMI tuo uutta lisäarvoa myös yrityksille, sillä supertietokoneen resursseista viidennes on varattu suoraan yritysten käyttöön. Tämä avaa yrityksille kokonaan uudenlaisia mahdollisuuksia innovaatioille ja uusien datapohjaisten liiketoimintamuotojen kuten alustatalouden ja tekoälyn kehittämiselle.

LUMIn tuoman laskentakapasiteetin avulla ratkaisut ongelmiin löytyvät entistä nopeammin ja valtavan laskentakapasiteetin avulla voidaan myös ratkaista kokonaan uusia, eri tieteenaloja ja tekoälyä yhdistäviä tutkimusongelmia.

LUMI tarjoaa maailmanluokan resurssit suomalaisille korkeakoulujen ja tutkimuslaitosten tutkijoille, mikä mahdollistaa aivan eri mittakaavan laskennallisten haasteiden ratkaisun kuin CSC:n kansallisilla järjestelmillä on mahdollista. LUMIn resurssit ovat merkittävä etu suomalaisille tutkimusryhmille kansainvälisissä tutkimushankkeissa ja lisäksi se auttaa tutkijoita erilaisiin hankekonsortioihin pääsemisessä. Pääsy LUMIn resursseihin on merkittävä vetovoimatekijä myös ulkomaisia tutkijoita ja asiantuntijoita rekrytoitaessa.

LUMIa voidaan käyttää esimerkiksi seuraavanlaisten ongelmien ratkaisuun:

  • Entistä tarkemmat ilmastomallit ja monien eri mallien yhteenkytkentä: kuinka elinolosuhteet muuttuvat, kun ilmasto lämpenee?
  • Uusien koko genomin sekvensoivien mittalaitteiden datan analysointi ja korreloiminen kliiniseen dataan, tuoden lisävaloa sairauksien ja perinnöllisten sairauksien syihin ja yksilölliseen hoitoon.
  • Tekoälyn (syväoppimisen) soveltaminen suurien data-aineistojen, simuloitujen ja mitattujen, analyysiin ja uudelleenanalysointiin esim. ilmakehä- ja ympäristötieteissä, ilmastomallinnuksessa, materiaalitieteissä ja kielitieteissä.
  • Itseohjautuvien autojen ja laivojen algoritmien tutkimus ja opetus ennennäkemättömällä laskentateholla.
  • Yhteiskuntatieteellinen laajan skaalan data-analyysi sosiaalisista verkostoista ja ilmiöiden ennustaminen.
  • Aikakriittinen mallinnus esim. pandemioiden vastainen taistelu, lääkeainekehitys

LUMIsta sanottua

"Tämä päivä on tärkeä askel eteenpäin Euroopan suurteholaskennan strategian toteutumisessa. LUMI-konsortion isännöimä supertietokone tulee olemaan maailman viiden tehokkaimman supertietokoneen joukossa. Yhdessä vuonna 2021 käyttöönotettavien muiden EuroHPC:n pre-eksatason ja petatason supertietokoneiden kanssa, LUMI tulee auttamaan Euroopan julkisen ja yksityisen sektorin toimijoita ratkaisemaan monia tärkeitä tutkimus- ja innovaatiohaasteita eri tieteenaloilla kuten sään mallintaminen, ilmastonmuutoksen tutkimus, kyberturvallisuus, lääkeainekehitys ja personoitu lääketiede. LUMI-supertietokone tukee myös Euroopan digitalisaatiokehitystä ja vihreän kehityksen ohjelmaa: LUMIn käyttämä sähkö on 100% uusiutuvaa hiilineutraalia energiaa. Lisäksi LUMIn hukkalämmöllä katetaan 20 prosenttia Kajaanin alueen vuotuisesta kaukolämpötarpeesta, ja näin ollen, se on yksi maailman ympäristöystävällisimmistä supertietokoneista."

Khalil Rouhana, varapääjohtaja, Euroopan komission Viestintäverkot, sisällöt ja teknologia -pääosasto
"LUMI-supertietokone tulee olemaan yksi maailman tehokkaimmista ja ekologisimmista supertietokoneista, kun se aloittaa toimintansa vuoden 2021 puolivälissä! Tämä huippuluokan järjestelmä tukee Euroopan tutkijoita, yrityksiä ja julkista sektoria vastaamaan monimutkaisiin haasteisiin ja muuttaamaan nämä haasteet mahdollisuuksiksi esimerkiksi terveydenhuollon, sääennusteiden ja kaupunkien ja maaseudun suunnittelussa."

Anders Dam Jensen, toimitusjohtaja, EuroHPC-yhteisyritys
Olemme sitoutuneet tukemaan Euroopan suurteholaskennan yhteisyritystä (EuroHPC JU) tarttumaan mahdollisuuksiin uuden sukupolven suurteholaskennassa ja tukemaan tieteellistä tutkimus- ja kehitystyötä, sekä edistämään innovaatioita ja lisäämään talouskasvua. Meille on suuri kunnia tehdä yhteistyötä EuroHPC:n kanssa, ja yhdessä AMD:n kanssa, rakentaa yksi maailman nopeimmista pre-eksatason supertietokoneista Eurooppaan."

Peter Ungaro, Senior Vice President ja johtaja (HPC ja tehtäväkriittiset ratkaisut), HPE
“Voimme olla ylpeitä siitä, että LUMI-supertietokone CSC:n Kajaanin datakeskuksessa tulee nostamaan koko Euroopan jälleen suurteholaskennan maailman kärkeen. Kiitos tästä kuuluu konsortion laajalle osaamiselle sekä saumattomalle yhteistyölle EuroHPC-hankkeen ja kymmenen Euroopan maan hankinta on edennyt pandemiasta huolimatta aikataulussaan. LUMIn huima laskentakapasiteetti yhdistettynä erittäin moderniin tekoälyalustaan ja datahallinnan infrastruktuuriin tulee auttamaan tutkijoita ratkomaan monia tutkimuskysymyksiä, joihin ei ole ennen pystytty vastaamaan.”

Kimmo Koski, toimitusjohtaja, CSC
“CSC:n ja Suomen todennettu luotettavuus sai EU:n komission ja kymmenen kumppanimaata investoimaan eurooppalaiseen suurteholaskenta- ja datainfrastruktuuriin Suomessa. Tehdään yhdessä töitä, että saamme investoinnin hyödynnettyä tieteellisen tutkimuksen lisäksi yhteiskunnassa laajemmin.”

Anita Lehikoinen, kansliapäällikkö, opetus- ja kulttuuriministeriö
“Terveytemme pohjautuu pitkälti siihen, että solukalvoproteiinit ohjaavat solujemme tiedonvälitystä oikein. Uusien supertietokoneiden ansiosta pystymme lopultakin selvittämään atomaarisella tarkkuudella kuinka nämä proteiinit sen tekevät, ja kuinka niiden toimintahäiriöt johtavat sairauksiin.“

Ilpo Vattulainen, biologisen fysiikan professori, Helsingin yliopisto
"LUMI yhdistää huippuluokan laskentatehon ja suurten datamassojen käsittelyn ainutlaatuiseksi tutkimusinstrumentiksi. Se mahdollistaa kompleksisten ja monimittakaavaisten ilmiöiden tutkimuksen ja  turvaa jatkumisen Suomen asemalle laskennallisen tieteen edelläkävijänä."

Risto Nieminen, akateemikko, emeritusprofessori, Aalto-yliopisto
”Olen iloinen, että Kajaanin Renforsin Rannan tarjoamalla fyysisellä ympäristöllä sekä Kainuun ja CSC:n osaamisen yhdistämisellä on saatu syntymään Euroopan mitassa tieteellisen laskennan huippuympäristö. Uskon, että LUMI-hanke avaa täysin uusia mahdollisuuksia Kajaanin datacenterkeskittymän ja Kajaanin ammattikorkeakoulun tulevaisuudelle.”

Pentti Malinen, maakuntajohtaja, Kainuu
”Yrityksemme käyttämä teknologia perustuu vahvasti matemaattiseen mallinnukseen, analyysiin, tekoälyn käyttöön, simulointiin ja optimointiin: sen myötä  mahdollisimman hyvä ja tehokas laskentakapasiteetti ja datanhallinnan infrastruktuuri on meille tärkeää. LUMI-järjestelmän tulo Suomeen avaa meille aivan uusia mahdollisuuksia.”

Anna-Maria Henell, toimitusjohtaja, Disior

Menestystarinan ensimmäinen luku

  • Ainutlaatuinen eurooppalainen yhteisinvestointi
  • LUMI tulee olemaan yksi maailman tunnetuimpia tieteellisiä instrumentteja elinkaarensa 2021–2026 ajan
  • Konsortio luo käytänteet ja yhteistyön perinteen tuleville EuroHPC-laitteistosukupolville
  • CSC:n Kajaanin datakeskus haluaa toimia myös muiden kansainvälisten sähköisten infrastruktuurien tai niiden osien sijoituspaikkana
  • LUMI-supertietokone ja EuroHPC:n tutkimusohjelmat (mm. EuroHPC-kompetenssikeskukset) avaavat aivan uusia mahdollisuuksia yliopistojen, ammattikorkeakoulujen, tutkimuslaitosten ja elinkeinoelämän yhteistyölle ja sitä myötä Kainuun, Suomen ja Euroopan talouskasvulle
  • Lisätietoja ja lisämateriaalia LUMista: www.lumi-supercomputer.eu/media