V prostorih Instituta informacijskih znanosti (IZUM) v Mariboru je že od leta 2021 aktiven superračunalnik HPC Vega. Gre za največji slovenski superračunalnik, za katerega so ob predstavitvi povedali, da je zmogljiv za približno 50.000 osebnih računalnikov, v načrtu pa že prihod novega, še zmogljivejšega superračunalnika, ki naj bi bil kar 15-krat zmogljivejši od HPC Vega. O tem, kaj vse počne superračunalnik Vega že sedaj in kaj prinaša njegov naslednik, nam je pojasnil Dejan Valh, vodja sektorja za superračunalništvo na IZUM-u.
Za kaj točno se uporablja superračunalnik?
Čeprav mnogi vedo, da je superračunalnik izjemno zmogljiv, pa pogosto ne poznajo njegovih dejanskih uporab in področij, kjer ima pomembno vlogo. Na IZUM-u so nam pojasnili, da se superračunalnik Vega uporablja na zelo različnih področjih, predvsem tam, kjer je treba obdelati zelo velike količine podatkov ali izvesti zahtevne izračune.
»Predstavlja orodje za raziskave in razvoj v primerih, kjer klasični računalniki niso dovolj zmogljivi. Med najpomembnejšimi področji so znanstvene raziskave, kot so medicina (npr. za raziskave raka, razvoj novih zdravil) in biomedicina, genetika ter analize DNK, kemija in molekularne simulacije, okoljske znanosti in podnebne raziskave, energetika (učinkovitejši sistemi, baterije), fizika (denimo osnovne raziskave delcev), ter razvoj novih materialov.«
Superračunalnik je odlično orodje za raziskovalce
HPC Vega pomaga raziskovalcem razumeti zelo kompleksne procese v naravi, od delovanja zdravil in bolezni do lastnosti novih materialov, saj pomaga simulirati procese, ki jih v realnosti ni možno preprosto opazovati ali testirati. Raziskovalci lahko na njem simulirajo, kako določene molekule vplivajo na človeško telo ali kako bi lahko razvili učinkovitejše in varnejše materiale za prihodnje tehnologije.
Pomembno vlogo ima tudi pri raziskavah okolja in energetike, kjer omogoča analize podnebnih sprememb, optimizacijo porabe energije ter razvoj novih rešitev za trajnostno prihodnost, kar ima lahko neposreden vpliv na vsakdanje življenje.
Podpira tudi razvoj umetne inteligence
Umetna inteligenca je v zadnjih letih postala integralni del modernega časa, v razvoju le te pa je pomembno vlogo odigral tudi Vega, ki omogoča obdelavo velikih jezikovnih modelov. Uporablja se za učenje naprednih modelov, obdelavo velikih količin podatkov in razvoj digitalnih storitev.
»To vključuje tudi jezikovne tehnologije, podporo javnim storitvam ter projektom v gospodarstvu, kjer se izboljšujejo izdelki, storitve in procesi. Omogoča tudi podporo izobraževanju na področju superračunalništva in umetne inteligence ter podpira raziskovalne projekte univerz ter mednarodne projekte v okviru evropskih programov. Prav ta razpon, od medicine in naravoslovja do umetne inteligence, industrije in digitalne družbe, kaže, da gre za infrastrukturo, ki neposredno vpliva tako na znanost, gospodarstvo kot tudi na samo kakovost življenja v razvitih družbah,« o vsesplošni uporabnosti pojasni Dejan Valh, vodja sektorja za superračunalništvo.
Navaden računalnik bi za določene stvari potreboval leta
Na IZUM smo naslovili tudi vprašanje o dejanski zmogljivosti Vege, ki naj bi posedoval zmogljivost kar 50.000 osebnih računalnikov. Kot so pojasnili, je bil superračunalnik Vega ob zagonu izjemno zmogljiv in je še danes zelo učinkovit pri obdelavi velikih količin podatkov.
Vega omogoča, da se analize, ki bi na navadnih računalnikih trajale mesece ali leta, izvedejo v bistveno krajšem času, kar pomeni da svoje delo opravi v nekaj urah ali dneh. Prav zato je superračunalnik ključen za številne raziskave, kjer je treba hitro preučiti ogromne količine podatkov, še posebej pri iskanju novih zdravil, analizah genetskih zapisov ali simulacijah kompleksnih fizikalnih procesov.
Zmogljivost z leti upada
Čeprav je superračunalnik še vedno zelo uporaben za številne naloge, pa se je razvoj na področju superračunalništva in umetne inteligence v zadnjih letih izjemno pospešil, zato Vega danes postopoma zastareva. Kot so pojasnili na IZUM-u, po petih letih njegova zmogljivost ne zadošča več najzahtevnejšim sodobnim projektom, zlasti na področju umetne inteligence.
»Največjih in najbolj naprednih jezikovnih modelov na takšni infrastrukturi praktično ni več mogoče učinkovito trenirati, saj zahtevajo bistveno več računske moči in specializirane opreme, ki je HPC Vega ne more zagotoviti.«
Dostopnost superračunalnika
Vodja sektorja za superračunalništvo Valh je razkril tudi, da superračunalnik Vega uporablja zelo širok krog organizacij, od slovenskih raziskovalnih ustanov do tujih univerz, mednarodnih raziskovalnih skupin in tudi podjetij.
"Med domačimi uporabniki izstopajo predvsem največje znanstvene institucije, kot so Institut Jožef Stefan, univerze kot so FRI, FERI, Univerza v Novi Gorici ter Kemijski inštitut, ki uporabljajo superračunalnik za raziskave na svojih področjih. Na Institutu Jožef Stefan denimo, raziskovalci z njegovo pomočjo izvajajo zelo zahtevne fizikalne in kemijske simulacije, kjer lahko preučujejo delovanje snovi ali pojavov, ki jih v laboratoriju težko ali zelo drago opazujemo.«
Uporabljajo ga lahko tudi tuji raziskovalci in podjetja
Ker je Vega del evropske infrastrukture EuroHPC, jo lahko uporabljajo tudi številni tuji raziskovalci in projekti. Na tej mreži tečejo mednarodni projekti s področja umetne inteligence, fizike, medicine in drugih ved, pogosto v sodelovanju med več državami. Superračunalnik Vega poleg raziskovalnih ustanov v manjšem obsegu uporabljajo tudi slovenska in tuja podjetja.
Med slovenskimi podjetji je denimo Gorenje (Hisense), ki je izvajalo izračune za optimizacijo delovanja svojih gospodinjskih aparatov, s čimer so zmanjšali čas testiranja v laboratorijih, podjetje Agenda, ki s pomočjo Vege razvija in uvaja rešitve za varno uporabo sodobnih modelov umetne inteligence znotraj lastne infrastrukture podjetij, ter podjetje XLAB, ki razvija rešitve za orkestracijo zahtevnih računskih procesov ter algoritme za zaznavanje anomalij in analizo podatkov v industriji.
Podjetje InSilico iz Hrvaške izvaja vrhunske računske simulacije dinamike tekočin CFD (Computational Fluid Dynamics) za optimizacijo ladijskih pogonskih sistemov in turbin, medtem ko finsko podjetje Algorithmiq razvija kvantne algoritme in programsko opremo za področja kvantne kemije, farmacije in znanosti o življenju ter omogoča učinkovite simulacije na obstoječi kvantni strojni opremi.
Vega ni namenjen zgolj akademskemu svetu
Kot so pojasnili na IZUMU-u, so vsa našteta podjetja uporabljala superračunalnik v komercialnem smislu, kar pomeni, da so plačali za računsko moč. Ti primeri so pokazatelj, da Vega ni nujno namenjena le akademskemu svetu, temveč ima tudi neposredno uporabno vrednost za gospodarstvo. »Ker sodelujejo tudi tuja podjetja, to potrjuje, da je Vega vpeta v širši evropski raziskovalno‑razvojni prostor in ni omejena le na Slovenijo,« situacijo natančneje opredeli Valh.
Od ideje do znanstvenega odkritja v čim krajšem času
Superračunalnik Vega raziskovalcem pomaga predvsem tako, da jim omogoča izvajanje izjemno zahtevnih izračunov in obdelavo ogromnih količin podatkov v zelo kratkem času. Raziskovalci lahko uporabljajo že vnaprej optimizirana okolja (npr. AlphaFold za biologijo), kar drastično skrajša čas od ideje do znanstvenega odkritja.
»Brez take infrastrukture, raziskovanje na nekaterih področjih več ne bi bilo možno. Takšna infrastruktura omogoča znanstvenikom sodelovanje v mednarodnih projektih ter dostop do infrastrukture, primerljive z najnaprednejšimi raziskovalnimi centri v Evropi. Od začetka delovanja leta 2021 HPC Vega uporablja več sto raziskovalcev iz Slovenije in drugih evropskih držav, vsak mesec pa podpira več deset aktivnih raziskovalnih projektov,« o pomembnosti superračunalnika poudari Valh.
Superračunalnik ima izjemen vpliv tudi na družbo
Med konkretnimi dosežki HPC Vega izstopajo projekti z neposrednim vplivom na družbo, kot so razvoj novih pristopov za varnejša zdravila, raziskave na področju genskih podatkov ter razvoj naprednih materialov.
Domači in tuji raziskovalci, denimo na Kemijskem inštitutu in partnerskih laboratorijih, superračunalnik redno uporabljajo kot »računalniški mikroskop«. Z izvajanjem simulacij molekulske dinamike ter uporabo modela AlphaFold pospešeno napovedujejo tridimenzionalne strukture proteinov, kar neposredno pomaga pri razvoju novih zdravil in razumevanju celičnih procesov.
Projekt HIDRA-2, ki se je izvajal v sodelovanju Fakultete za računalništvo in informatiko UL, ARSO ter Nacionalnega inštituta za biologijo, je z uporabo metod globokega učenja izboljšal natančnost napovedovanja višine morske gladine za približno 25 odstotkov, kar pomaga pri zaščiti prebivalstva in infrastrukture ob obali. Na Fakulteti za računalništvo in informatiko UL so razvili tudi sistem za prepoznavanje slik, ustvarjenih z umetno inteligenco (deepfake), kar pomaga pri odkrivanju digitalnih manipulacij.
Uporabi se lahko tudi za odkrivanje bolezni
Raziskovalci uporabljajo Vego tudi za analizo genomskih podatkov, razvoj personaliziranih terapij in raziskave bolezni. Slovenski raziskovalci so sodelovali pri raziskavah, ki so vodile do odkritja gena, povezanega s prezgodnjim staranjem, medtem ko so raziskovalci iz Inštututa Rođer Boškovič iz Zagreba izvajali projekt razvoja novih metod zdravljenja raka, med drugim raziskave optimalnega zdravljenja hormonsko odvisnega raka prostate z uporabo bioloških modelov bolezni.
Superračunalnik omogočil realizacijo večmilijonskih projektov
Dostop do Vege je bil pomemben dejavnik pri pridobitvi večmilijonskega ERC projekta MULTraSonicA prof. dr. Mateja Praprotnika iz Kemijskega inštituta, katerega cilj je z uporabo naprednih računalniških simulacij na več ravneh razumeti delovanje ultrazvoka pri ciljni dostavi zdravil in zdravljenju bolezni, kot so rak, vnetja ter bolezni srca in ožilja.
Med raziskavami, ki jih podpira superračunalnik Vega, je tudi projekt NEURAL-CALC, ki je povezan s prestižnim projektom ERC Starting Grant DrumS raziskovalke dr. Zale Lenarčič z Instituta »Jožef Stefan«. Raziskava obravnava temeljna vprašanja kvantne fizike in uporabo umetnih nevronskih mrež za modeliranje kompleksnih kvantnih sistemov, pri čemer uporablja milijone ur računanja na superračunalniku Vega.
Uporabljajo ga tudi svetovno priznani znanstveniki
Superračunalnik Vega uporabljajo tudi vrhunski slovenski raziskovalci, kot sta prof. dr. Lev Vidmar z Instituta »Jožef Stefan« in prof. dr. Urban Bren z Univerze v Mariboru. Njegova zmogljivost omogoča izvajanje zahtevnih numeričnih simulacij kvantnih sistemov ter biomolekularnega modeliranja, ki brez takšne infrastrukture ne bi bila mogoča v potrebnem obsegu. Tako raziskovalcem omogoča doseganje rezultatov, primerljivih z najboljšimi raziskovalnimi skupinami v svetu.
»Superračunalnik Vega omogoča izvajanje takšnih zahtevnih izračunov, ki podpirajo razvoj novih diagnostičnih pristopov, raziskave rakotvornosti kemikalij ter načrtovanje varnejših in učinkovitejših zdravil, za kar je prof. dr. Bren leta 2025 prejel Zoisovo priznanje.«
Kot razloži Valh, pomemben učinek Vege ni zgolj v posameznih raziskovalnih rezultatih, temveč tudi v povečanju konkurenčnosti slovenskih raziskovalcev. Dostop do te infrastrukture jim namreč omogoča vključevanje v prestižne evropske projekte (npr. SMASH, projekti ERC) in pridobivanje mednarodnega financiranja.
Kdaj bo Maribor dobil novi superračunalnik?
Medtem se v Mariboru že načrtuje nov superračunalnik, ki naj bi bil kar 15-krat zmogljivejši od Vege. Projekt vzpostavitve novega superračunalnika je po besedah vodje sektorja za superračunalništvo, v pripravi tehničnih specifikacij za izvedbo javnega naročila EuroHPC JU s konkurenčnim dialogom na evropskem trgu, kjer se predvideva, da bodo k celovitim in končnim ponudbam pristopili večji ponudniki tako tesno integriranih sistemov HPC optimiziranih za izvajanje rešitev in storitev umetne inteligence.
»Trenutno Arnes zaključuje z izgradnjo podatkovnega centra na lokaciji hidroelektrarne Mariborski otok. Za samo umestitev superračunalnika dokončanje gradbenih del na objektu ne zadostuje, zato se bo v približno dobrem letu dni v podatkovni center umestila potrebna oskrbna infrastruktura za dovod potrebne električne moči in oprema za hlajenje. To v praksi pomeni vgradnjo in povezovanje transformatorjev, dizelskih agregatov ter naprav za neprekinjeno obratovanje, klasičnih hladilnih sistemov ter sistemov za tekočinsko hlajenje, vključno z vso podporno opremo za nadzor, merjenje in upravljanje s to opremo. Dokončanje teh del, ki jih bo tudi izvajal Arnes, se predvideva proti koncu leta 2027. To bo v končni fazi šele omogočilo vgradnjo opreme IKT novega superračunalnika. Ta bi lahko postal operativen takoj v začetku leta 2028.«
Vega se približuje koncu svoje življenjske dobe
Po besedah Valha, bo pridobitev novega superračunalnika zelo pomembna, predvsem zato, ker se Vega že približuje koncu svoje življenjske dobe in tehnološko že krepko zaostaja za najnovejšimi sistemi. Najnovejša pridobitev na FRI UL, sistem FRIDA, z 32 najsodobnejšimi pospeševalniki UI predstavlja generacijski preskok glede na HPC Vega in lahko pri določenih obremenitvah doseže neprimerno večjo zmogljivost od 240 pospeševalnikov, ki so na HPC Vega.
Vse to kaže, kako hitro napreduje strojna oprema za umetno inteligenco in zakaj so nove generacije sistemov ključne za razvoj sodobnih modelov UI. Produkcijski cikli vseh superračunalnikov na svetu se zato gibljejo med petimi do največ desetimi leti.
Novi superračunalnik bo ključnega pomena za razvoj raziskav in inovacij
Novi superračunalnik, ki bo nasledil HPC Vega po letu 2027, bo ključnega pomena za nadaljnji razvoj raziskav in inovacij. Ob tem, ko se bo uporaba HPC Vega postopno iztekala, bo novi sistem ohranil vse ključne funkcije, od podpore znanstvenim in komercialnim aplikacijam do trajnega shranjevanja podatkov, odprte podatkovne infrastrukture in mednarodnega sodelovanja.
»Velik poudarek bo na zmogljivostih za umetno inteligenco, saj bo večina investicije namenjena opremi, optimizirani za UI. Sistem bo zasnovan za učinkovito rabo virov in enostaven dostop v skladu s pravili SLING in EuroHPC JU, z naprednim razporejevalnikom računskih nalog ter podporo oblačni infrastrukturi. Pomemben del bodo tudi komercialne storitve, hitra uporabniška podpora ter aktivnosti na področju usposabljanja in izobraževanja.«
Investicija vredna 75 milijonov evrov
Novi superračunalnik bo tesno povezan z evropskimi centri, z omogočenim preglednim dostopom do podatkov in virov partnerskih okolij (npr. s superračunalnikom v Bolonji, IT4LIA), hkrati pa bo zasnovan prilagodljivo na način, da se bo lahko sproti prilagajal potrebam uporabnikov, storitev in varnostnih zahtev predvsem malih in srednje velikih podjetij.
Pričakuje se, da bo novi superračunalnik neprimerno zmogljivejši od HPC Vega, kar je skladno z napredkom tehnologij in tudi z investicijami v opremo. Finančni vložek v HPC Vega je znašal dobrih 17 milijonov evrov, za investicijo v novi superračunalnik pa se bo namenilo preko 75 milijonov evrov. Večino denarja je pridobljeno iz evropskih sredstev preko različnih finančnih mehanizmov, kot so neposredni vložki EuroHPC JU, kohezijska sredstva in sredstva iz Načrta za okrevanje in odpornost (NOO).
Omogočal bo še hitrejše delo z večjimi količinami podatkov
Novi sistem bo tako omogočil bistveno več računske moči, kar pomeni hitrejše raziskave, delo z večjimi količinami podatkov in razvoj naprednejših tehnologij, predvsem na področju umetne inteligence, kjer so potrebe po zmogljivosti danes največje.
Ključen za nadaljnji razvoj umetne inteligence
Po besedah Valha, bo imel novi superračunalnik ključni vpliv na nadaljnji razvoj umetne inteligence, predvsem zato, ker bodo prav aplikacije UI v prihodnje med najzahtevnejšimi uporabniki računske infrastrukture. Nova platforma bo omogočala bistveno večjo računsko moč, optimizirano prav za umetno inteligenco, to pa v praksi pomeni hitrejše učenje modelov, obdelavo večjih količin podatkov in razvoj kompleksnejših algoritmov, kot jih danes lahko podpira Vega.
Še več možnosti za raziskovalce
Za umetno inteligenco je ključno, da bo arhitektura masovno slonela na najsodobnejših namenskih grafičnih pospeševalnikih, kar bo raziskovalcem omogočilo urjenje velikih jezikovnih modelov in kompleksnih vizualnih modelov od začetka, namesto zgolj finega nastavljanja obstoječih odprtokodnih modelov.
»Gre za vzpostavitev nacionalne platforme generativne umetne inteligence, ki bo podpirala Slovensko tovarno umetne inteligence – SLAIF, in bo dostopna predvsem malim in srednje velikim podjetjem ter javnemu sektorju. Nova infrastruktura bo tako še bolj odprta in uporabna za industrijo ter mala ter srednja podjetja.«
Zaradi izjemne gostote moči, ki jo zahtevajo sodobni pospeševalniki GPU, bo novi superračunalnik umeščen v nov, napreden podatkovni center Arnesa blizu hidroelektrarne Mariborski otok. To bo omogočalo neposreden dostop do stabilnega vira električne energije in napredno, energetsko učinkovito hlajenje.
Novi sistem bo povezan z evropskimi superračunalniškimi centri
Poleg same zmogljivosti in vpliva novega sistema pa je po besedah Valha pomemben tudi širši ekosistem. Novi sistem bo namreč povezan z evropskimi superračunalniškimi centri in podatkovnimi viri, kar bo raziskovalcem in podjetjem omogočilo sodelovanje pri največjih mednarodnih projektih na področju umetne inteligence.
»Razvoj ne bo omejen le na lokalne projekte, temveč bo Slovenija aktivno sodelovala pri napredku UI na evropski ravni - od raziskav do konkretnih uporab v industriji in javnih storitvah. Upravičeno je govoriti tudi o tem, da bo z novo infrastrukturo Slovenija pridobila tehnološko suverenost in možnost nadaljnjega razvoja lastnih jezikovnih modelov, ki bodo delovali znotraj strogo nadzorovanega domačega okolja, skladno z evropskim Aktom o umetni inteligenci,« o dodatni dimenziji, ki jo bo prinesel novi superračunalnik meni Valh.
Vega uporablja energije za manjši industrijski obrat, novi superračunalnik bo potreboval več moči
Vodjo sektorja za superračunalnike smo povprašali tudi, koliko energije že sedaj porabi superračunalnik Vega, ter koliko je bo porabil novi. Kot je pojasnil Valh, porabi obstoječi superračunalnik HPC Vega v povprečju okoli 600 kW, pri tem pa ta stalna poraba niha med 400 kW in 800 kW.
»Pri tem je treba upoštevati še energijo za hlajenje, ki predstavlja povprečno manj kot 15 odstotkov dodatne porabe. Če bi poenostavili, HPC Vega porablja energijo v rangu nekaj sto kilovatov stalne moči, kar je primerljivo z manjšim industrijskim obratom ali večjim poslovnim objektom,« ponudi primerjavo Valh.
Za nov superračunalnik se predvideva nekajkrat višja stalna moč, ki se bo predvidoma gibala med 2 MW pa vse do 3 MW, odvisno od tega, kako zmogljiva oprema bo ponujena ob nabavi. V zadnjem obdobju prihaja na področju opreme IT do velikih sprememb pri cenah, predvsem na področju superračunalniške opreme za umetno inteligenco, kar pa je posledica velikih vlaganj v projekte z umetno inteligenco.
