Суперкомпьютер Fugaku и Fujitsu LIFEBOOK U9312X: что общего

Суперкомпьютер Fugaku, который Fujitsu построила совместно с институтом RIKEN, состоит из 158 976 процессоров и выдаёт пиковую производительность 442 петафлопса: 442 квадриллиона операций с плавающей запятой в секунду. С 2020 по 2022 год он занимал первое место в мировом рейтинге TOP500 — списке самых мощных вычислительных систем планеты. Та же инженерная организация, которая спроектировала эту машину, выпускает ноутбук Fujitsu LIFEBOOK U9312X весом от 1,015 кг. Совпадение бренда на двух настолько разных полюсах вычислительной техники не случайно — это одна компания, применяющая одни и те же инженерные принципы к задачам, которые различаются по масштабу в миллионы раз.

Чтобы увидеть связь, недостаточно сопоставить логотипы на корпусах. Нужно понять, какие именно инженерные проблемы стояли за цифрой в 442 петафлопса, а затем проследить, какие из найденных решений в уменьшенном виде оказались в корпусе, который помещается в отделение сумки для документов.

Что такое суперкомпьютер Fugaku и почему это важно

442 петафлопса — абстрактное число, пока не появится ориентир для сравнения. Смартфон с современным чипом выдаёт порядка 2 терафлопсов вычислительной мощности на задачах машинного обучения. Fugaku мощнее примерно в 221 000 раз. «Быстрее» в бытовом смысле слова — не то слово: при таком запасе мощности решаемыми становятся задачи, которые остаются недоступными на любом количестве обычных серверов.

Смартфон не способен смоделировать поведение вируса в воздухе помещения с учётом миллионов взаимодействующих частиц и потоков воздуха — Fugaku способен — и занимался этим в 2020–2021 годах. Расчёты суперкомпьютера легли в основу рекомендаций японских властей по вентиляции помещений и сравнительной эффективности разных типов масок во время пандемии COVID-19: детальная симуляция аэрозольного распространения в конкретных типах пространств — вагонах метро, офисах open space, ресторанах.

Коротко о цифрах

• 158 976 процессоров и 442 петафлопса пиковой производительности — вычислительная база Fugaku
• 4 цикла подряд, с июня 2020 по май 2022 года, — Fugaku держал первое место в рейтинге TOP500
• ~30 МВт энергопотребления — сопоставимо с расходом небольшого города
• ~221 000 раз — во столько Fugaku мощнее флагманского смартфона
• от 1,015 кг — вес LIFEBOOK U9312X, спроектированного той же инженерной организацией

Первое место в TOP500 надо смотреть в динамике. Рейтинг обновляется дважды в год, и большинство лидеров удерживают позицию один цикл, максимум два, прежде чем их обгоняет следующий проект — обычно из США или Китая, стран с сопоставимыми по масштабу бюджетами на суперкомпьютерную инфраструктуру. Fugaku продержался на первом месте четыре цикла подряд, с июня 2020 по май 2022 года, пока его не сменил американский Frontier. Для машины, спроектированной вне двух стран, исторически доминирующих в этом рейтинге, четыре цикла подряд означают системное инженерное превосходство в конкретный период — везением такое не объяснить.

Список задач Fugaku выходит далеко за рамки одной пандемии. Фармацевтические компании используют его для перебора миллионов молекулярных структур при поиске кандидатов в новые лекарства — процесс, который на обычном сервере занял бы годы вычислительного времени, а на Fugaku сокращается до недель. Метеорологи строят модели погоды с прогнозом на 10 дней вперёд с точностью, недостижимой на менее мощных системах. Японские сейсмологи применяют машину для расчёта вероятных сценариев землетрясений — задача с прямыми последствиями для строительных норм в стране, где сейсмическая активность — часть повседневной инженерной практики.

Расчёты Fugaku напрямую влияют на здравоохранение, фармацевтику и градостроительные нормы Японии.

Название «Fugaku» — альтернативное японское имя горы Фудзи, символ, который в самой Японии читается однозначно: масштаб, устойчивость, национальная значимость. Машину строили как инфраструктурный проект совместно с государственным исследовательским институтом RIKEN — при такой модели финансирования суперкомпьютер с самого начала проектировался под конкретные задачи здравоохранения, климатологии и материаловедения, а не под строчку в рейтинге. Отсюда и требования к инженерным решениям: практическая надёжность в многолетней эксплуатации важнее разового рекордного запуска теста производительности.

Три технологии Fugaku, которые живут в LIFEBOOK

Управление тепловыделением

158 976 процессоров, размещённых в одном комплексе, генерируют тепло, которое без контроля вывело бы систему из строя за минуты. Fugaku решает эту проблему системой жидкостного охлаждения с точно рассчитанными потоками между стойками — инженерная задача, по сложности сопоставимая с самими вычислениями, для которых машина спроектирована. Каждый лишний градус означает риск троттлинга, а на системе такого масштаба троттлинг означает потерю производительности, эквивалентной выходу из строя тысяч процессоров одновременно.

В Fujitsu LIFEBOOK U9312X та же инженерная компетенция работает в объёме в сотни тысяч раз меньшем, но с той же логикой расчёта. Компактная система охлаждения рассчитана так, чтобы отводить тепло от процессора при минимальном шуме вентилятора и без увеличения толщины корпуса. Физический механизм разный — водяное охлаждение суперкомпьютера и воздушное охлаждение ноутбука устроены по-разному, — но принцип распределения материала теплоотвода именно там, где он нужен, а не равномерно по всему объёму, общий для обеих разработок.

Энергоэффективность

Fugaku потребляет около 30 мегаватт — сопоставимо с энергопотреблением небольшого города. При таком масштабе каждый сэкономленный ватт на процессор умножается на 158 976 и превращается одновременно в заметную статью расходов и в инженерную задачу первого приоритета. Fujitsu разработала алгоритмы динамического управления частотой и напряжением процессоров, которые подстраивают энергопотребление под фактическую вычислительную нагрузку в реальном времени, а не держат систему на пиковых значениях постоянно вне зависимости от того, что она в данный момент считает.

Те же принципы управления питанием в уменьшенном виде определяют автономность LIFEBOOK. Ноутбук не держит процессор на максимальной частоте, пока пользователь читает почту или работает с текстовым документом, — потребление снижается динамически, а не только в отдельном «энергосберегающем режиме». Поэтому заявленные более 10 часов автономности в LIFEBOOK U9312X чаще совпадают с тем, что пользователь получает в работе, чем с лабораторным тестом воспроизведения видео на минимальной яркости экрана.

Надёжность без права на сбой

Fugaku работает в режиме 24 часа в сутки, 365 дней в году. Один аппаратный сбой на такой системе означает потерю миллионов вычислительных часов, накопленных за недели работы над одной задачей, и заказчика, который не получит результат к сроку. Fujitsu проектирует избыточность на уровне архитектуры: система способна изолировать неисправный узел и продолжить вычисления, не останавливая работу целиком.

Цена простоя здесь — исследовательские проекты целиком, а не часы. Если фармацевтическая компания арендует вычислительное время Fugaku на две недели для перебора молекулярных структур и на десятом дне происходит сбой без должной изоляции, под угрозой оказывается и оставшаяся часть расчёта, и уже полученные промежуточные результаты, если система не успела их корректно сохранить. Поэтому отказоустойчивость на Fugaku — условие, без которого суперкомпьютер такого масштаба экономически не оправдывает своё существование.

В LIFEBOOK эта культура надёжности выражается иначе по масштабу, но узнаваемо по принципу: корпуса, проходящие тесты по стандарту MIL-STD-810H на удары, вибрацию и перепады температур; шарниры, рассчитанные на десятки тысяч циклов открытия-закрытия; защита материнской платы от сбоев питания. Масштаб задачи не меняет исходную установку инженеров Fujitsu — оборудование не имеет права подвести пользователя в критический момент, будь то вычислительный кластер национального значения или ноутбук юриста за час до дедлайна по контракту. Похожая логика распространяется на всю линейку ноутбуков Fujitsu LIFEBOOK: в LIFEBOOK U7412, например, корпус толщиной 18,9 мм и весом от 1,13 кг проходит те же протоколы MIL-STD-810H, что и старшие модели, несмотря на компактность платформы.

Коротко — три принципа, которые перекочевали из Fugaku в LIFEBOOK практически без изменений по сути:

• управление тепловыделением — расчёт материала теплоотвода именно там, где он нужен, а не равномерно по всему объёму;
• динамическое управление энергопотреблением под фактическую нагрузку, а не под пиковый лабораторный сценарий;
• архитектурная отказоустойчивость — изоляция сбоя узла без потери накопленного результата или данных.

Технологический трансфер внутри Fujitsu: как это работает

Фразу «технологии суперкомпьютера в ноутбуке» легко принять за маркетинговую метафору — будто рекламный отдел нашёл красивую аналогию и вставил её в буклет. Механизм устроен конкретнее и прозаичнее. Инженеры, проектирующие процессорные модули и системы охлаждения для Fugaku, работают в той же инженерной организации Fujitsu, что и команда, отвечающая за материнские платы и корпуса LIFEBOOK, — это не разные компании под общим брендом, а смежные подразделения с едиными внутренними стандартами проектирования.

Корпоративные регламенты Fujitsu по тепловым допускам, энергопотреблению и надёжности компонентов распространяются на продуктовые линейки вне зависимости от их масштаба: суперкомпьютер и ноутбук проектируются по одной методологии контроля качества, просто применённой к разным техническим заданиям. R&D-бюджет, который компания вкладывает в суперкомпьютерное направление, фактически финансирует разработку технологий общего назначения — решения, найденные для задачи с бюджетом в сотни миллионов долларов, не остаются запертыми в одном продукте, если применимы шире. Поэтому ноутбуки Fujitsu и не получается рассматривать в отрыве от остальной инженерии компании: граница между «личным устройством» и «корпоративной инфраструктурой» здесь организационная, а не техническая.

Если собрать точки пересечения инженерных дисциплин в один список, связь между Fugaku и LIFEBOOK выглядит куда конкретнее, чем метафора:

• единые корпоративные регламенты по тепловым допускам и надёжности компонентов;
• общие лаборатории тестирования материалов термоинтерфейса;
• переток инженерных кадров между суперкомпьютерным и ноутбучным направлениями;
• единый R&D-бюджет, из которого финансируются технологии общего назначения.

По темеFujitsu существует с 1935 года

Похожий механизм трансфера технологий хорошо известен в автомобильной индустрии. Ferrari разрабатывает системы охлаждения тормозов, аэродинамические решения и облегчённые материалы кузова для болидов «Формулы-1» — и часть этих решений, адаптированная под совсем другие требования безопасности и стоимости, попадает в серийные дорожные модели. Инженер, работавший над гоночным болидом, не становится другим человеком, когда переходит к проектированию гражданского автомобиля, — он приносит опыт работы на пределе возможностей материала. У Fujitsu то же самое: опыт с суперкомпьютера национального масштаба никуда не исчезает, когда инженер переходит к ноутбуку для одного пользователя.

Пример: как опыт инженера переходит от Fugaku к LIFEBOOK

Типичный карьерный путь внутри инженерного подразделения Fujitsu, отвечающего за тепловой дизайн, выглядит так. Инженер два года отрабатывает систему жидкостного охлаждения для процессорных стоек Fugaku — рассчитывает потоки жидкости между модулями, тестирует материалы термоинтерфейса на устойчивость к деградации при постоянной нагрузке 24/7. После завершения основной фазы проекта часть команды не распускается, а переводится на смежные направления — в том числе в группу, разрабатывающую следующее поколение компактных систем охлаждения для ноутбуков LIFEBOOK. Опыт расчёта теплового баланса при экстремальной плотности компонентов не обнуляется при смене масштаба задачи: тот же инженер, который знает, как перераспределить тепловой поток между тысячами процессоров, применяет ту же логику к плате в несколько сантиметров. Так трансфер технологий и происходит — через конкретных людей с накопленным опытом, а не через патенты и документацию.

Есть и более прямой канал переноса знаний — поставщики компонентов. Процессорные модули, системы электропитания и элементы термоинтерфейсов для суперкомпьютерного направления Fujitsu проходят через те же лаборатории тестирования материалов, что и компоненты для потребительской и корпоративной линейки ноутбуков. Материаловед, который подбирает состав термопасты или толщину медной подложки радиатора для стойки Fugaku, работает по тем же протоколам испытаний, что применяются при выборе материалов для радиатора LIFEBOOK, — просто с другими целевыми параметрами по объёму и стоимости. Это устраняет разрыв между «вычислительным гигантом» и «бытовым устройством»: обе разработки проходят через одну и ту же инженерную дисциплину проверки материалов на усталость и деградацию.

По темеКлавиатура бизнес-ноутбука: 10 миллионов нажатий

Что от этого получает пользователь Fujitsu LIFEBOOK

Практических следствий три, и за каждым стоит конкретный механизм.

Производительность без троттлинга

Ноутбук с продуманной системой охлаждения не снижает производительность процессора под длительной нагрузкой — экспорт большого видеофайла или рендеринг презентации не превращается в испытание терпения, пока вентилятор пытается угнаться за перегревом. На менее продуманных системах троттлинг включается уже через несколько минут интенсивной нагрузки: частота процессора искусственно снижается, задача выполняется дольше, а пользователь ждёт, не понимая, почему устройство «тормозит», хотя на бумаге характеристики выглядят достаточными. В LIFEBOOK та же тепловая инженерия, что просчитывалась для стоек Fugaku, откладывает момент троттлинга на куда более долгий интервал нагрузки — или устраняет его полностью для типичных офисных сценариев.

Автономность вне лаборатории

Батарея, управляемая алгоритмами, рассчитанными для систем, где экономится каждый ватт, действительно держит заявленные часы на встрече, в самолёте, в дороге между офисами, а не только в лабораторном тесте с минимальной яркостью экрана. Разрыв между «паспортной» и «реальной» автономностью — известная проблема рынка ноутбуков: производитель указывает часы, полученные при статичном воспроизведении видео на 150 нит яркости, а с открытым браузером, видеозвонками и несколькими приложениями батарея садится в полтора-два раза быстрее заявленного. Динамическое управление питанием, унаследованное от суперкомпьютерных алгоритмов, сокращает этот разрыв, потому что подстраивается под фактическую нагрузку, а не под заранее заданный тестовый сценарий.

Надёжность за годы эксплуатации

Компоненты, спроектированные с расчётом на отказоустойчивость критических систем, реже выходят из строя за весь срок эксплуатации ноутбука. Речь не о разовой прочности при падении, а о накопленной усталости материалов: шарнир, который открывают и закрывают по несколько раз в день на протяжении трёх-четырёх лет, разъём, в который сотни раз вставляют кабель зарядки, батарея, которую заряжают тысячи циклов. Инженерная культура, ориентированная на системы, где сбой стоит миллионов вычислительных часов, переносит ту же требовательность к деталям на компоненты, которые статистически незаметны в моменте, но определяют, доживёт ли ноутбук до конца гарантийного срока без единого визита в сервис. Поэтому бизнес-ноутбук Fujitsu LIFEBOOK редко становится темой жалоб на форумах спустя два-три года эксплуатации: надёжность здесь заложена на уровне инженерной культуры, а не добавлена опцией к готовому продукту.

Есть и менее измеримый эффект. Знание, что ноутбук на столе спроектирован той же инженерной организацией, чьи расчёты использовались для моделирования распространения COVID-19 и ускорения разработки вакцин, даёт не гордость обладателя узнаваемого бренда, а основание для доверия к рабочему инструменту: если компания способна довести до предела надёжности систему национального масштаба, у неё точно есть компетенция сделать то же самое в куда более простой по инженерным меркам задаче — ноутбуке для одного человека.

Fugaku занимает площадь нескольких спортивных залов, а инфраструктура его охлаждения и электропитания весит сотни тонн. LIFEBOOK U9312X весит от 1,015 кг и помещается в отделение сумки для документов. Масштаб отличается на много порядков, но инженерная основа — принципы теплового расчёта, динамического управления энергопотреблением и отказоустойчивости на уровне архитектуры — общая для обеих разработок одной компании. Сделано в Японии здесь — указание на конкретную инженерную родословную, которую можно проследить от зала суперкомпьютера до ноутбука на коленях у пассажира в самолёте.

Fujitsu уже работает над преемником Fugaku — проектом с рабочим названием FugakuNEXT, который должен выйти на связь ближе к концу десятилетия и превзойти нынешнюю производительность на порядок. Каждое новое поколение суперкомпьютера означает и новый виток пересмотра тех же трёх направлений — теплового расчёта, энергоэффективности, отказоустойчивости, — а значит, и новую партию инженерных решений, которые со временем найдут дорогу в куда более скромные по масштабу продукты компании, включая следующие поколения LIFEBOOK.

Вас когда-нибудь интересовало, кто на самом деле сделал вашу технику и что ещё эта компания умеет делать?

Частые вопросы о Fugaku и LIFEBOOK U9312X