null LUMI tulee vuoden päästä

LUMI-supertietokone sijoitetaan CSC:n datakeskukseen Kajaaniin. Superkone on toiminnassa vuoden 2021 alkupuolella.

LUMI tulee vuoden päästä

Anni Jakobsson ja Pekka Manninen, CSC

Suurta laskentatehoa tarvitaan huippututkimuksen tekoon monilla eri data- ja laskentaintensiivisillä tieteenaloilla, esimerkiksi materiaalitieteissä, fuusiotutkimuksessa, lääkeainetutkimuksessa ja ilmastotieteissä. Näiltä aloilta löytyy useita merkittäviä tutkimusongelmia, joihin ei saada vastauksia ilman nykyisiä huomattavasti suurempaa laskentakapasiteettia.

Kirjoitushetkellä maailman nopeimpien tietokoneiden joukossa on vain kaksi Euroopassa sijaitsevaa supertietokonetta: Sveitsissä sijaitseva Piz Daint -niminen superkone ja SuperMUC-NG-superkone Saksassa.

Eurooppalainen suurteholaskennan yhteisyritys, EuroHPC Joint Undertaking, tiivistää eurooppalaista suurteholaskennan yhteistyötä Euroopan unionin tukemana. EuroHPC:n avulla Eurooppaan luodaan maailmanluokan laskennan ja datanhallinnan tutkimusinfrastruktuuri. EuroHPC-rahoitus toteutetaan EU:n, osallistuvien maiden ja yksityissektorin tuella. EU on budjetoinut EuroHPC-hankintoihin vuosille 2019–2020 yhteensä yli 960 miljoonaa euroa.

EuroHPC:n ensimmäisenä päämääränä on hankkia Eurooppaan kolme ns. esi-eksaflop-tason supertietokonetta vuoteen 2021 mennessä. Yksi eksaflop tarkoittaa prosessorien laskentatehoa, joka vastaa 1018 eli triljoona liukulukulaskutoimitusta sekunnissa. Jatkossa EuroHPC:n tavoitteena on kehittää eurooppalaista suurteholaskennan osaamista ja teknologiaa siten, että vuosien 2022–2024 aikana Eurooppaan hankittaisiin maailman nopeimpiin kuuluva eksaflop-tason supertietokone, joka perustuu ainakin osittain eurooppalaiseen teknologiaan. EuroHPC-julistukseen on tällä hetkellä sitoutunut 30 Euroopan maata.

Suomi voitti kilpailun esi-eksa-järjestelmän – jonka nimi on LUMI – sijoittamisesta CSC:n Kajaanin datakeskukseen, kun EuroHPC Joint Undertaking päätti kesäkuussa 2019 sijoittaa esi-eksa-tason supertietokoneet Suomeen, Italiaan ja Espanjaan. EuroHPC-hakuprosessia varten muodostettiin LUMI-konsortio (Large Unified Modern Infrastructure), johon kuuluvat Suomen lisäksi Belgia, Norja, Puola, Ruotsi, Sveitsi, Tanska, Tšekki ja Viro. Hakuprosessista voitaisiin kertoa monta tarinaa, mutta jätettäköön ne vielä toiseen kertaan.

Ekotehokas datakeskusekosysteemi Kajaanissa

Merkittävin syy LUMIn sijoittamisessa Kajaaniin oli CSC:n vuodesta 2012 vanhassa UPM:n paperitehtaassa operoima datakeskus, joka tarjoaa modernin konesalin palvelut ja turvallisen ympäristön.

CSC:n Kajaanin datakeskuksen etuina ovat paperikoneen jäljiltä energian saatavuus jopa 200 megawattiin asti (harvalla, jos yhdelläkään toisella HPC-keskuksella maailmassa on käytössään tämän skaalan mahdollisuutta), sekä mahdollisuus hyödyntää hukkalämpöä Kajaanin kaukolämpöverkossa ja siten vähentää kustannuksia ja hiilijalanjälkeä. Datakeskuksessa käytettävä energia on sataprosenttisesti vesivoimalla tuotettua. Datakeskuksen luotettavat ja nopeat tietoliikenneverkot on suunniteltu suurteholaskentaa varten.

Mielenkiintoisena kuriositeettina LUMIn hukkalämpön avulla paikallinen energiayhtiö voi korvata fossiilisilla polttoaineilla tuotettua lämpöä. Vuosittainen hukkalämpö vastaa jopa 20 prosenttia Kajaanin vuosittaisesta kaukolämpötarpeesta. Hukkalämmön hyötykäyttö pienentää Kajaanin hiilijalanjälkeä määrällä, joka vastaa noin 4000 henkilöauton keskimääräisiä vuosittaisia päästöjä.

Yksi tehokkaimmista superkoneista tutkimuskäyttöön

LUMI-järjestelmän toiminnan käynnistyessä vuoden 2021 alussa se on yksi maailman tehokkaimpia tutkimuskäytössä olevia supertietokoneita. LUMIn suunnittelufilosofiana oli luoda alusta, joka mahdollistaa keinoälyn menetelmien, erityisesti syväoppimisen, perinteisten laajan skaalan simulaatioiden sekä suurten datamassojen analytiikan yhdistymisen saman haasteen ratkaisemisessa.

LUMIn teoreettinen laskentateho on yli 200 petaflopsia (2*1017 liukulukulaskutoimitusta sekunnissa), ja se on sekä nimellisteholtaan että sovellussuorituskyvyltään noin kymmenen kertaa nopeapi kuin Piz Daint. LUMI tuottaa valtaosan laskentatehostaan suurella määrällä kiihdytinprosessoreita (yleiskäyttöiset grafiikkaprosessorit eli GPU:t) ja koneessa on myös tavanomaisista prosessoreista rakentuva osio, interaktiivinen data-analytiikkaosio sekä pilvilaskentakapasiteettia. Koneessa tulee olemaan yli 60 petatavua nopeaa levytilaa. Flash-teknologiaan pohjautuva pienempi, noin 5 petatavun suuruinen kiihdytetty levyosio tuottaa luku- ja kirjoitusnopeudeksi yli teratavun sekunnissa. Tämä levyosio on tiiviissä yhteydessä suurempaan rinnakkaisen levyjärjestelmään. Laitteistossa on lisäksi noin 30 petatavun objektitallennusratkaisu.

LUMI-supertietokone on ensimmäinen yhtä laaja yhteisinvestointi tieteellisen laskennan saralla. Suomalaisten tutkijoiden ja yhteiskunnan käyttöön saadaan suoraan 24 prosenttia supertietokoneen tuottamasta laskentakapasiteetista. Lisäksi suomalaisten tutkijat voivat hakea kapasiteettia vertaisarvioitiin perustuvan ohjelman kautta LUMIsta tai kahdesta muusta EuroHPC:n esi-eksa-tason supertietokoneesta.

Koska pelkkä infrastruktuuriin investoiminen ei yksin takaa Euroopalle johtajuutta innovaatioiden ja tieteen parissa, EuroHPC-ohjelmassa panostetaan myös vahvasti suurteholaskennan tutkimukseen ja tuotekehitykseen, koulutukseen ja osaamisen kehittämiseen. Tämä näkyy käyttäjille kompetenssikeskuksina, jotka tarjoavat koulutustapahtumia, konsultaatiota ja auttavat ohjelmistojen modernisaatioprojekteissa. LUMI-infrastruktuurin hajautettu käyttäjätukimalli tuo suomalaisten käyttäjien ulottuville kompetensseja ja syväosaamista, joita CSC:lla ei ole ollut yksinään tähän saakka välttämättä tarjota.

LUMIn kaavaillaan avautuvan tutkijoiden käyttöön jo vuoden päästä, alkuvuodesta 2021. Käyttäjäyhteisöjen olisikin hyvä aloittaa jo nyt ajatustyö, kuinka hyödyntää merkittävää laskentakapasiteetin lisäystä, sekä valmistella ohjelmistoja konetta varten. Vain tavanomaisilla prosessoreilla toimivia ohjelmistoja voidaan uudistaa GPU-aikakauteen, tai vaihtoehtoisesti tutkimusryhmät voivat siirtyä käyttämään jo GPU-prosessoreilla toimivia ohjelmistoja, joissa on vastaavia toiminnallisuuksia.

Lisäarvoa suomalaiselle tutkimusyhteisölle

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 ulkomaisia tutkijoita ja asiantuntijoita rekrytoitaessa, sillä LUMI tulee olemaan yksi maailman tunnetuimpia tieteellisiä instrumentteja.

Tutkijayhteisö päättää tietysti itse, millaisiin laskentatehtäviin konetta tullaan lopulta hyödyntämään. Ennakoimme LUMIn kuitenkin edesauttavan merkittävästi esimerkiksi seuraavankaltaisten ongelmien ratkomisessa:

•    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.
 

Faktalaatikko: LUMI-supertietokone

• Noin kymmenen kertaa tehokkaampi kuin Euroopan tehokkain supertietokone tällä hetkellä. LUMI-supertietokone on kooltaan koripallokentän kokoinen.
• Teoreettinen laskentateho yli 200 petaflopsia, joka vastaa 600 000 MacBook Pro -tietokoneen laskentatehoa. LUMI tuottaa valtaosan laskentatehostaan suurella määrällä kiihdytinprosessoreita (yleiskäyttöiset grafiikkaprosessorit eli GPU:t) ja koneessa on myös tavanomaisista prosessoreista rakentuva osio sekä pilvilaskentakapasiteettia.
• Yli 60 petatavua nopeaa levytilaa. Flash-teknologiaan pohjautuva pienempi kiihdytetty levyosio tuottaa luku- ja kirjoitusnopeudeksi yli teratavun sekunnissa, joka vastaa 200 000 HD-elokuvan yhtäaikaista käyttöä. Kiihdytetty levyosio on tiiviissä yhteydessä suurempaan rinnakkaisen levyjärjestelmään. Laitteistossa on lisäksi objektitallennusratkaisu.
• Käyttöönotto Q1/2021

 

Seuraa LUMIa:
www.lumi-supercomputer.eu
Twitter: @LUMIhpc
LinkedIn: LUMI supercomputer
#lumisupercomputer #lumieurohpc

Kirjoitus on julkaistu aiemmin Arkhimedes-lehdessä 3-4/2019