Το ΕΜΠ αποκτά τον δικό του «υπερυπολογιστή»: Ο ICARUS ανοίγει τον δρόμο στην έρευνα της Τεχνητής Νοημοσύνης

Σε μια διαφορετική εποχή υπολογιστικής ισχύος περνά το Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, θέτοντας σε λειτουργία μια νέα κεντρική υποδομή, που συνδυάζει ιδιωτικό υπολογιστικό νέφος (Cloud) και Υπολογιστική Υψηλών Επιδόσεων (High Performance Computing – HPC).

Στην καρδιά της νέας υποδομής βρίσκεται ο ICARUS, ένα σύστημα που διαθέτει 24 υπολογιστικούς κόμβους, με δύο NVIDIA Grace Hopper GH200 Superchips στον καθένα. Συνολικά, πρόκειται για 48 συνδυασμένες μονάδες CPU–GPU, με συνολική υπολογιστική επίδοση άνω των 2 PetaFLOPS σε FP64.

Με βάση τα στοιχεία που δημοσιοποίησε το ΕΜΠ, πρόκειται για την ισχυρότερη υπερυπολογιστική μονάδα σε ελληνικό πανεπιστήμιο και μία από τις ισχυρότερες σε ευρωπαϊκό πανεπιστημιακό επίπεδο. Αξίζει να σημειωθεί, ότι δημιουργείται πλέον μια κοινή υπολογιστική υποδομή που μπορεί να αλλάξει τον τρόπο, με τον οποίο γίνεται η έρευνα στο πανεπιστήμιο - από την τεχνητή νοημοσύνη και τις κλιματικές προσομοιώσεις μέχρι τη μηχανική και την επεξεργασία τεράστιων όγκων δεδομένων.

Η υποδομή εγκαταστάθηκε στο πλαίσιο του προγράμματος «Πανεπιστήμια Αριστείας» και τίθεται στη διάθεση της Πολυτεχνειακής Κοινότητας, με στόχο να καλύψει τις συνεχώς αυξανόμενες ανάγκες των Σχολών, των εργαστηρίων και των ερευνητικών ομάδων. Έχει ήδη τεθεί σε λειτουργία ενώ όπως σημείωσε ο Πρύτανης του Μετσοβίου στο protothema.gr, Καθηγητής Ιωάννης Χατζηγεωργίου, «το συνολικό κόστος όλης της εγκατάστασης άγγιξε τα 4 εκατομμύρια ευρώ».

Από το Cloud στον υπερυπολογιστή

Η νέα υποδομή έχει δύο διαφορετικούς αλλά αλληλοσυμπληρούμενους πυλώνες:

Ο πρώτος είναι το Ιδιωτικό Υπολογιστικό Νέφος του ΕΜΠ. Πρόκειται για ένα κοινόχρηστο υπολογιστικό περιβάλλον που απευθύνεται σε μέλη ΔΕΠ, ερευνητές και σπουδαστές.

Βασίζεται στην ανοικτή πλατφόρμα OpenStack και επιτρέπει στους χρήστες να δημιουργούν, ανάλογα με τις ανάγκες τους, εικονικά υπολογιστικά περιβάλλοντα. Μπορούν να διαθέτουν εικονικές μηχανές, αποθηκευτικό χώρο, snapshots, δικτυακές υπηρεσίες και ελεγχόμενη πρόσβαση. Με απλά λόγια, μια ερευνητική ομάδα δεν χρειάζεται πλέον να αγοράσει και να συντηρεί τον δικό της φυσικό εξοπλισμό για κάθε ερευνητική εφαρμογή. Μπορεί να ζητήσει και να χρησιμοποιήσει τους απαιτούμενους υπολογιστικούς πόρους κεντρικά. Το Cloud λειτουργεί έτσι ως μια κοινή ψηφιακή «υποδομή εργασίας».

Ο δεύτερος πυλώνας είναι ο ICARUS, ο οποίος προορίζεται για προβλήματα που απαιτούν πολύ μεγαλύτερη υπολογιστική ισχύ.

Σημειώνεται, ότι το PetaFLOPS είναι ένας τρόπος μέτρησης της υπολογιστικής ισχύος. Ένα PetaFLOP αντιστοιχεί σε περίπου ένα τετράκις εκατομμύριο πράξεις κινητής υποδιαστολής ανά δευτερόλεπτο. Ο ICARUS μπορεί να ξεπεράσει τα 2 PetaFLOPS στην ακρίβεια FP64 που χρησιμοποιείται σε απαιτητικούς επιστημονικούς υπολογισμούς.

Η σημασία του δεν βρίσκεται, επομένως, απλώς στο πόσο γρήγορα μπορεί να «τρέξει» ένα πρόγραμμα. Βρίσκεται στο ότι μπορεί να εκτελεί τεράστιους αριθμούς υπολογισμών παράλληλα, κάτι που είναι κρίσιμο όταν ένα ερευνητικό πρόβλημα περιλαμβάνει εκατομμύρια ή δισεκατομμύρια υπολογιστικές πράξεις - αυτό ακριβώς είναι το πεδίο της Υπολογιστικής Υψηλών Επιδόσεων.

Γιατί χρειάζεται ένας υπερυπολογιστής σε ένα πανεπιστήμιο

Οι σύγχρονες επιστήμες παράγουν ολοένα περισσότερα δεδομένα και απαιτούν ολοένα πιο σύνθετα μοντέλα. Ένα μοντέλο κλιματικής αλλαγής, για παράδειγμα, μπορεί να χρειάζεται να υπολογίσει ταυτόχρονα την αλληλεπίδραση πολλών διαφορετικών μεταβλητών. Μια προσομοίωση στη μηχανική μπορεί να χρειάζεται να αναπαραστήσει τη συμπεριφορά ενός πολύπλοκου συστήματος. Η εκπαίδευση ενός μοντέλου τεχνητής νοημοσύνης μπορεί να απαιτεί την επεξεργασία τεράστιων συνόλων δεδομένων. Σε τέτοιες περιπτώσεις, η συμβατική υπολογιστική ισχύς μπορεί να μην επαρκεί ή ο χρόνος που απαιτείται να είναι απαγορευτικός. Η νέα υποδομή του ΕΜΠ σχεδιάστηκε ακριβώς για αυτού του είδους τις εργασίες.

Τί είδους εφαρμογές μπορεί να υποστηρίξει ο νέος Υπερυπολογιστής

Στις εφαρμογές που μπορεί να υποστηρίξει περιλαμβάνονται Τεχνητή Νοημοσύνη και Μηχανική Μάθηση, εκπαίδευση σύνθετων μοντέλων και νευρωνικών δικτύων, μεγάλης κλίμακας επιστημονικές προσομοιώσεις, υπολογιστική μηχανική, CFD και πολυφυσικά προβλήματα, κλιματική και περιβαλλοντική μοντελοποίηση, ενεργειακά μοντέλα, μεγάλης κλίμακας ανάλυση δεδομένων, εφαρμογές μαζικής παράλληλης επεξεργασίας μέσω GPU.

Ένα από τα σημαντικότερα στοιχεία της νέας υποδομής είναι η δυνατότητα αξιοποίησής της για εφαρμογές Τεχνητής Νοημοσύνης. Εκτός από έξυπνους αλγόριθμους, οι σύγχρονες εφαρμογές AI δεν απαιτούν και τεράστια υπολογιστική ισχύ, ιδιαίτερα όταν πρόκειται για την εκπαίδευση σύνθετων μοντέλων.

Εδώ αποκτά ιδιαίτερη σημασία η αρχιτεκτονική Grace Hopper της NVIDIA, η οποία συνδυάζει CPU και GPU σε ένα ενιαίο υπολογιστικό περιβάλλον. Οι GPU είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικές σε εργασίες που μπορούν να «σπάσουν» σε πολλές παράλληλες πράξεις. Γι’ αυτό και έχουν καταστεί κρίσιμη υποδομή για την εκπαίδευση μοντέλων μηχανικής μάθησης. Έτσι, ο ICARUS δεν αποτελεί μόνο υποδομή για τους παραδοσιακούς τομείς της μηχανικής αλλά και για την ανάπτυξη εφαρμογών AI σε ένα μεγάλο εύρος επιστημονικών πεδίων.

Όπως υπογραμμίζεται, η σύγχρονη πανεπιστημιακή έρευνα δεν ανταγωνίζεται πλέον μόνο σε επίπεδο ανθρώπινου δυναμικού, δημοσιεύσεων ή εργαστηριακού εξοπλισμού. Η πρόσβαση σε υπολογιστική ισχύ έχει εξελιχθεί σε κρίσιμο παράγοντα. Πιο αναλυτικά, η δυνατότητα ενός πανεπιστημίου να εκπαιδεύει μοντέλα AI, να εκτελεί σύνθετες προσομοιώσεις, να αναλύει τεράστιες βάσεις δεδομένων και να συμμετέχει σε μεγάλα ευρωπαϊκά ερευνητικά έργα εξαρτάται σε σημαντικό βαθμό και από τις ψηφιακές υποδομές που διαθέτει. Υπό αυτή την έννοια, η επένδυση του ΕΜΠ αφορά και την ερευνητική του ικανότητα και δεν περιορίζεται στην απόκτηση εξοπλισμού.

Από την κλιματική αλλαγή έως την ενέργεια

Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει και η δυνατότητα χρήσης της νέας υποδομής για κλιματική, ενεργειακή και περιβαλλοντική μοντελοποίηση. Σήμερα, η επιστημονική μελέτη ακραίων καιρικών φαινομένων, ενεργειακών συστημάτων, περιβαλλοντικών μεταβολών ή πολύπλοκων φυσικών διαδικασιών βασίζεται όλο και περισσότερο σε υπολογιστικές προσομοιώσεις. Σύμφωνα με τους ειδικούς, όσο αυξάνεται η λεπτομέρεια μιας προσομοίωσης, τόσο αυξάνονται και οι υπολογιστικές απαιτήσεις. Ένας υπερυπολογιστής μπορεί να επιτρέψει στους ερευνητές να εξετάσουν περισσότερα σενάρια, σε μεγαλύτερη κλίμακα και με περισσότερες μεταβλητές. Πρακτικά, αυτό σημαίνει ότι οι επιστήμονες αποκτούν ένα πολύ ισχυρότερο εργαλείο για να δοκιμάζουν μοντέλα, να επεξεργάζονται δεδομένα και να μελετούν σύνθετα φαινόμενα.

Ένα εργαστήριο για ολόκληρο το Πολυτεχνείο

Επιπλέον της ισχύος του ICARUS, ιδιαίτερη σημασία έχει το γεγονός ότι πρόκειται για κεντρική κοινόχρηστη υποδομή καθώς το ΕΜΠ επεδίωξε να μην παραμείνει ο υπολογιστικός εξοπλισμός ‘εργαλείο’ μιας μεμονωμένης σχολής ή ενός συγκεκριμένου εργαστηρίου. Αντίθετα, μπορεί να λειτουργήσει οριζόντια για διαφορετικές επιστημονικές περιοχές και να δημιουργήσει νέες δυνατότητες συνεργασίας μεταξύ Σχολών και ερευνητικών ομάδων.

Αυτό μπορεί να έχει ιδιαίτερη σημασία για τη διεπιστημονική έρευνα. Ένα πρόβλημα, για παράδειγμα, μπορεί να απαιτεί ταυτόχρονα γνώσεις μηχανικής, πληροφορικής, ενέργειας, μαθηματικών και περιβαλλοντικών επιστημών. Η κοινή υποδομή μειώνει ένα από τα πρακτικά εμπόδια τέτοιων συνεργασιών, όπως είναι η πρόσβαση στην απαιτούμενη υπολογιστική ισχύ.

Αξίζει να σημειωθεί, ότι η συγκεκριμένη υποδομή απευθύνεται στην Πολυτεχνειακή Κοινότητα στο σύνολό της και μπορεί να χρησιμοποιηθεί όχι μόνο για ερευνητικά έργα αλλά και για εκπαιδευτικές δραστηριότητες. Αυτό σημαίνει, ότι ένας φοιτητής που σήμερα μαθαίνει machine learning ή υπολογιστική μηχανική μπορεί να εκπαιδευτεί σε ένα πραγματικό περιβάλλον HPC. Ειδικότερα, μπορεί να μάθει πώς λειτουργεί ένα cluster, πώς μοιράζεται η υπολογιστική ισχύς, πώς αξιοποιούνται οι GPU, πώς τρέχουν παράλληλα προγράμματα και πώς διαχειρίζονται τεράστιους όγκους δεδομένων. Με τον τρόπο αυτό, η υποδομή μπορεί να λειτουργήσει και ως ένα είδος «σχολείου» για την επόμενη γενιά μηχανικών και ερευνητών.

Τί ισχύει για το νέο οικοσύστημα

Το Cloud και ο ICARUS δεν λειτουργούν ως δύο υπηρεσίες, που δεν συνδέονται καθώς το ΕΜΠ τα παρουσιάζει ως ένα ενιαίο οικοσύστημα. Για παράδειγμα, μια ερευνητική ομάδα μπορεί να αναπτύξει και να φιλοξενήσει μια εφαρμογή στο Cloud, να επεξεργαστεί δεδομένα και στη συνέχεια να μεταφέρει τις απαιτητικές υπολογιστικές εργασίες στον ICARUS. Έτσι, η νέα υποδομή μπορεί να καλύπτει διαφορετικά στάδια ενός ερευνητικού κύκλου - από την ανάπτυξη και φιλοξενία εφαρμογών έως την εκτέλεση μεγάλης κλίμακας υπολογισμών.

Η αξιοποίηση του υπερυπολογιστή

Ένας υπερυπολογιστής δημιουργεί τις προϋποθέσεις ώστε ερευνητικές ομάδες να επιχειρήσουν υπολογισμούς που μέχρι σήμερα ήταν δύσκολοι, ακριβοί ή χρονοβόροι, άρα ανοίγει το δρόμο για νέες επιστημονικές ανακαλύψεις.

Αναφορικά με την αξιοποίησή του, αναμένεται πλέον να φανεί πόσα ερευνητικά έργα θα τρέξουν στον ICARUS, πόσα μοντέλα τεχνητής νοημοσύνης θα εκπαιδευτούν, ποιες κλιματικές ή ενεργειακές προσομοιώσεις θα πραγματοποιηθούν, πόσοι φοιτητές και νέοι ερευνητές θα εκπαιδευτούν σε περιβάλλον HPC και πόσες συνεργασίες με άλλα ελληνικά και ευρωπαϊκά πανεπιστήμια και ερευνητικά κέντρα θα προκύψουν. Από αυτά θα κριθεί η αληθινή αξία της επένδυσης.

Πέρα από το γεγονός ότι το ΕΜΠ απέκτησε έναν υπολογιστή με ισχύ άνω των 2 PetaFLOPS, εκείνο που επισημαίνεται ιδιαίτερα είναι πως η υπολογιστική ισχύς γίνεται πλέον κοινή ερευνητική υποδομή για μια ολόκληρη πανεπιστημιακή κοινότητα. Ειδικά, σε μία εποχή, κατά την οποία η Τεχνητή Νοημοσύνη, τα μεγάλα δεδομένα και οι υπολογιστικές προσομοιώσεις μεταμορφώνουν την επιστήμη, το ποιος έχει πρόσβαση σε τέτοιες υποδομές μπορεί να καθορίσει και το ποιος μπορεί να κάνει την έρευνα της επόμενης δεκαετίας.