Top 10 siêu máy tính mạnh mẽ nhất toàn cầu hiện nay

Sunway TaihuLight là một siêu máy tính đột phá của Trung Quốc, đứng thứ ba trong danh sách TOP 500 tính đến tháng 11 năm 2018, với hiệu suất LINPACK đạt 93 petaflop, gấp gần ba lần so với siêu máy tính Thiên Hà 2 trước đó. Được phát triển bởi Trung tâm nghiên cứu quốc gia về kỹ thuật và công nghệ máy tính song song (NRCPC), Sunway TaihuLight đặt tại Trung tâm siêu máy tính quốc gia vô tích, tỉnh Giang Tô, Trung Quốc.

Sunway TaihuLight từng nắm giữ vị trí siêu máy tính mạnh nhất thế giới từ tháng 6 năm 2016 đến tháng 6 năm 2018, theo danh sách TOP 500. Tuy nhiên, kỷ lục này đã bị vượt qua vào tháng 6 năm 2018 bởi siêu máy tính Summit của IBM. Sunway TaihuLight sử dụng 40.960 bộ vi xử lý SW26010 64-bit RISC, mỗi bộ chứa 256 lõi xử lý cùng bốn lõi phụ, tổng cộng 10.649.600 lõi vi xử lý. Hệ thống vận hành trên hệ điều hành Sunway RaiseOS 2.0.5, tùy chỉnh trên nền tảng Linux và sử dụng OpenACC 2.0 để tối ưu hóa mã hóa song song.

Chỉ trong vòng 15 năm, Trung Quốc đã vươn mình từ một vị trí khiêm tốn, giờ đây trở thành đối thủ mạnh mẽ trên trường quốc tế, thể hiện qua sự ra đời của Sunway TaihuLight. Đây không chỉ là một biểu tượng về khả năng công nghệ mà còn là minh chứng cho sự phát triển vượt bậc của ngành công nghiệp vi xử lý Trung Quốc, vượt qua cả Mỹ trong nhiều khía cạnh.

Nvidia gần đây đã công bố quá trình lắp ráp của siêu máy tính Selene, một trong những siêu máy tính nhanh nhất thế giới, đứng thứ 7 trong danh sách Top 500 vào tháng 6 vừa qua. Điều đặc biệt là toàn bộ quá trình lắp ráp diễn ra chỉ trong 3 tuần rưỡi, trong bối cảnh đại dịch, với sự tham gia của chỉ 6 kỹ sư và một robot hỗ trợ tên Trip, tất cả đều tuân thủ quy định giãn cách xã hội.

Siêu máy tính Selene là một kỳ tích công nghệ độc đáo. Thay vì sử dụng kiến trúc CPU tùy biến như hầu hết các siêu máy tính khác, Selene sử dụng kiến trúc SuperPOD DGX, tăng tốc bằng GPU mà Nvidia đang bán trên thị trường. Nó cũng đứng thứ 2 trong danh sách Green500, xếp hạng những siêu máy tính tiết kiệm điện năng nhất. Cấu hình của Selene gồm 560 CPU AMD Epyc 7742 và 2240 GPU Nvidia A100, với hiệu suất lý thuyết đạt 35.000 teraflops. Đặc biệt, độ đồng đều trong cấu hình giúp quá trình lắp ráp diễn ra nhanh chóng và hiệu quả.

Quá trình lắp ráp siêu máy tính này chủ yếu là việc di chuyển các pod DGX vào đúng vị trí, kết nối chúng và kiểm tra hoạt động. Dù nối dây một siêu máy tính không hề đơn giản, Nvidia đã sử dụng mạch chuyển InfinitiBand của Mellanox để giảm số lượng cáp cần thiết, đồng thời nâng cao băng thông hệ thống, giúp tối ưu hóa hiệu suất.

Tianhe-2 là một siêu máy tính với khả năng tính toán lên đến 33,86 petaflops, được đặt tại Trung tâm Siêu Máy Tính Quốc Gia ở Quảng Châu, Trung Quốc. Được phát triển bởi đội ngũ 1.300 nhà khoa học và kỹ sư, Tianhe-2 từng là siêu máy tính nhanh nhất thế giới theo danh sách TOP500 trong nhiều năm liên tiếp từ 2013 đến 2015. Tuy nhiên, vào năm 2016, kỷ lục này đã bị vượt qua bởi siêu máy tính Sunway TaihuLight. Một sự kiện đáng chú ý là vào năm 2015, một kế hoạch nâng cấp Tianhe-2 nhằm tăng gấp đôi hiệu suất của nó đã bị đình trệ do chính phủ Mỹ từ chối cấp phép xuất khẩu vi xử lý của Intel.

Trước sự bế tắc này, Trung Quốc đã phát triển siêu máy tính Sunway TaihuLight vào năm 2016, mang lại những bước tiến vượt bậc với công nghệ hoàn toàn trong nước, vượt qua Tianhe-2 về hiệu suất và đứng thứ 4 trong danh sách TOP500. Tianhe-2A được phát triển bởi Đại học Công nghệ Quốc phòng Trung Quốc (NUDT), và hiện Trung Quốc đang phát triển các hệ thống exascale mới như Sunway Oceanlite và Tianhe-3.

Tuy nhiên, Tianhe-2 cũng gặp phải sự chỉ trích từ các nhà nghiên cứu về việc khó sử dụng. Dù đứng đầu về khả năng tính toán, nhưng tính năng và khả năng lập trình của Tianhe-2 vẫn còn yếu so với các siêu máy tính tại Mỹ và Nhật Bản. Một số người dùng cho rằng sẽ mất hàng năm, thậm chí hàng thập kỷ để viết mã phù hợp. Ngoài ra, vị trí đặt máy ở miền nam Trung Quốc, với khí hậu nóng bức, có thể khiến mức tiêu thụ điện năng cao hơn khoảng 10% so với các địa điểm ở miền bắc.

JUWELS Booster Module là một phần của hệ thống siêu máy tính Blue Gene/Q, được IBM chế tạo và tài trợ bởi Hiệp hội Helmholtz cùng Trung tâm Siêu Máy Tính Gauss (GCS), với sự đóng góp từ quỹ liên bang và quỹ nhà nước của North Rhine-Westphalia. Được đưa vào hoạt động tại Forschungszentrum Jülich vào năm 2012, JUWELS là sự kế thừa của siêu máy tính JUGENE. Đây là hệ thống siêu máy tính mạnh nhất tại Châu Âu và đứng thứ 5 trong danh sách TOP500 những máy tính mạnh nhất thế giới. Với 458.752 lõi xử lý và hiệu suất tối đa lên đến 5,9 petaflop, JUWELS đã được sử dụng trong nhiều nghiên cứu quan trọng, bao gồm cả dự án não người.

JUWELS không chỉ mạnh mẽ mà còn là một trong những siêu máy tính tiết kiệm năng lượng nhất, xếp thứ 5 trong danh sách Green500. Tuy nhiên, vào tháng 5 năm 2018, sau sáu năm hoạt động, JUWELS đã ngừng hoạt động và được thay thế bởi hệ thống JUWELS kế nhiệm. JUWELS Booster Module, một phần của hệ thống mới này, được xây dựng bởi Atos và đã được lắp đặt tại Forschungszentrum Jülich (FZJ) ở Đức. Đây là hệ thống siêu máy tính mạnh mẽ nhất tại Châu Âu, đạt tốc độ 44,1 petaflop HPL.

Với kiến trúc mô-đun, JUWELS được cung cấp bởi bộ xử lý AMD và GPU NVIDIA, tương tự như hệ thống Selene, giúp tối ưu hiệu suất và sức mạnh tính toán cho các nghiên cứu khoa học đột phá.

HPC5 là một kỳ quan công nghệ do Dell phát triển, được triển khai bởi Eni tại trung tâm dữ liệu xanh ở Ferrera Erbognone, miền bắc Italy. Với khả năng xử lý lên đến 51.721 petaflop, HPC5 đứng thứ 9 trong danh sách TOP500 siêu máy tính mạnh nhất thế giới tính đến tháng 11 năm 2021. Đặc biệt, vào tháng 6 năm 2020, nó cũng góp mặt trong Top 6 siêu máy tính tiết kiệm năng lượng của Green500.

Được nâng cấp từ hệ thống HPC4, HPC5 là sự kết hợp mạnh mẽ của hơn 1.820 máy chủ Dell EMC PowerEdge C4140, mỗi máy được trang bị bộ xử lý Intel Gold 6252 với 24 lõi và bốn bộ tăng tốc GPU Nvidia V100. Tổng cộng, hệ thống bao gồm 7.280 GPU Nvidia V100, giúp nó giải quyết những thuật toán phức tạp trong việc xử lý dữ liệu địa chất dưới lòng đất. Với khả năng xử lý đỉnh cao lên tới 70 petaflop, HPC5 có thể thực hiện 70 triệu tỷ phép toán trong một giây.

HPC5 được trang bị đến 4 ổ cắm CPU, hơn 3.400 bộ xử lý và 10.000 card đồ họa, tạo ra những mô hình 3D cực kỳ chi tiết của các tầng đất ở độ sâu từ 10 đến 15 km, với diện tích trải rộng hàng trăm km2 và độ phân giải lên tới vài chục mét. Với tốc độ đạt 35.450 petaflop và hiệu suất đỉnh điểm 51.721 petaflop, HPC5 là công cụ đắc lực trong các nghiên cứu địa chất tiên tiến.

Vào tháng 8 năm trước, thế giới công nghệ đã chứng kiến sự hợp tác đáng chú ý giữa Dell EMC và Intel, khi hai gã khổng lồ này công bố kế hoạch phát triển một siêu máy tính đỉnh cao mang tên Frontera. Dự án này không chỉ thu hút sự chú ý của các chuyên gia mà còn nhận được sự tài trợ ấn tượng từ quỹ khoa học quốc gia Hoa Kỳ, lên tới 60 triệu đô la. Frontera được tạo ra để thay thế siêu máy tính cũ kỹ Stampede2, và được lắp đặt tại trung tâm điện toán nâng cao ở Austin, Texas.

Với khả năng xử lý lên tới 38.7 petaflops (38.7 triệu tỷ phép toán mỗi giây), Frontera nhanh gấp đôi so với người tiền nhiệm Stampede2 (chỉ 18 petaflops). Siêu máy tính này được thiết kế đặc biệt để xử lý các tác vụ học thuật phức tạp như mô phỏng, dữ liệu lớn, và học máy. Điểm nhấn đáng chú ý của Frontera chính là việc sử dụng công nghệ bộ nhớ Intel Optane DC, giúp cải thiện hiệu suất và tiết kiệm thời gian xử lý. Optane DC giúp kết hợp bộ nhớ cache lớn và bộ nhớ DRAM nhỏ, đồng thời mang đến tốc độ xử lý vượt trội.

Đặc biệt, khi kết hợp với bộ xử lý Xeon Scalable Processor thế hệ mới của Intel, Frontera có thể thực hiện lên đến 287.000 thao tác mỗi giây, gấp nhiều lần so với các hệ thống DRAM thông thường. Điều này giúp Frontera đạt được hiệu suất mạnh mẽ, với thời gian khởi động lại chỉ mất vỏn vẹn 17 giây, mang đến một công cụ nghiên cứu vượt trội cho các nhà khoa học toàn cầu.

Ngày nay, Aramco và stc đã giới thiệu Dammam 7, một siêu máy tính đầy ấn tượng, gia nhập vào top 10 những cỗ máy tính mạnh mẽ nhất thế giới. Dammam 7 không chỉ nâng cao khả năng thăm dò và phát triển mà còn giúp Aramco đưa ra những quyết định quan trọng về đầu tư và thăm dò. Đây là một bước tiến mạnh mẽ trong hành trình chuyển đổi kỹ thuật số của Aramco, bổ sung cho một bộ công nghệ tiên tiến đang thay đổi mạnh mẽ các hoạt động cốt lõi, cải thiện hiệu quả công việc và củng cố vị trí dẫn đầu của công ty trong lĩnh vực khoa học địa lý.

Được phát triển tại thung lũng công nghệ Dhahran thông qua sự hợp tác giữa Solutions (một công ty con của stc Group) và CRAY (một công ty con của Hewlett Packard Enterprise), Dammam 7 sở hữu sức mạnh tính toán lên đến 55,4 petaflop, cho phép xử lý và phân tích những bộ dữ liệu địa vật lý khổng lồ. Được đặt tên theo giếng dầu đầu tiên phát hiện ở Ả Rập Xê Út, Dammam 7 không chỉ giúp mở rộng khả năng thăm dò mà còn sử dụng công nghệ tiên tiến để vượt qua các giới hạn truyền thống trong ngành.

Với các thuật toán hình ảnh tinh vi và học sâu, Dammam 7 có thể mô phỏng các mô hình trái đất 3D chi tiết, giúp tăng cường khả năng phát hiện và thu hồi dầu khí. Điều này không chỉ giảm thiểu rủi ro trong các dự án thăm dò và phát triển mà còn thúc đẩy các quyết định chiến lược về thăm dò, phát triển tài nguyên và đầu tư vào tương lai.

Fugaku là một siêu máy tính nổi bật với khả năng tính toán cực kỳ mạnh mẽ, tọa lạc tại trung tâm khoa học tính toán Riken ở Kobe, Nhật Bản. Được phát triển từ năm 2014 như một người kế nhiệm cho siêu máy tính K, Fugaku chính thức ra mắt vào năm 2020 và ngay lập tức trở thành siêu máy tính nhanh nhất thế giới trong bảng xếp hạng TOP500. Đặc biệt, Fugaku là máy tính đầu tiên sử dụng kiến trúc ARM đạt được thành tích này. Vào thời điểm đó, Fugaku đạt 1,42 exaFLOPS, sử dụng điểm chuẩn HPL-AI chính xác hỗn hợp. Siêu máy tính này bắt đầu hoạt động thường xuyên từ năm 2021.

Đến tháng 5 năm 2022, Fugaku vẫn giữ vững vị trí siêu máy tính nhanh nhất thế giới, vượt qua cả Frontier. Tuy nhiên, có báo cáo cho rằng Trung Quốc đã phát triển một siêu máy tính vượt xa Fugaku về hiệu suất, với công nghệ riêng biệt, và đã bí mật vận hành nó để tránh các lệnh trừng phạt từ Hoa Kỳ. Một nghiên cứu sử dụng máy tính này đã giành được giải thưởng Gordon Bell cho bài báo xuất sắc nhất. Tính đến tháng 5 năm 2022, Trung Quốc được cho là sở hữu hai siêu máy tính với hiệu suất exascale.

Fugaku được xây dựng trên nền tảng ARM thế hệ mới, với khả năng thực hiện 415 triệu tỷ phép tính mỗi giây, nhanh hơn gấp 2,8 lần so với hệ thống Summit. Siêu máy tính này được sử dụng trong các nghiên cứu y tế, đặc biệt là nghiên cứu về COVID-19, bao gồm việc mô phỏng sự lây lan của virus SARS-CoV-2 và hỗ trợ các phương pháp chẩn đoán và trị liệu.

Summit (hay OLCF-4) là một trong những siêu máy tính vĩ đại của IBM, được phát triển để phục vụ các nghiên cứu tại phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge, Mỹ. Vào tháng 11 năm 2019, Summit đã chiếm vị trí siêu máy tính nhanh nhất thế giới, với khả năng đạt tới 200 petaFLOPS. Điểm chuẩn LINPACK của nó đạt tốc độ 148,6 petaFLOPS. Đặc biệt, Summit còn nổi bật với khả năng tiết kiệm năng lượng, đứng thứ ba thế giới với hiệu suất năng lượng lên tới 14,668 gigaFLOPS trên mỗi watt.

IBM Summit không chỉ là một siêu máy tính mạnh mẽ mà còn là thiết bị đầu tiên đạt tốc độ exaop (một tỷ tỷ phép tính mỗi giây), đạt được 1,88 exaop trong các nghiên cứu bộ gen và dự kiến sẽ đạt 3,3 exaop khi sử dụng phép tính hỗn hợp chính xác. Summit mở ra cơ hội vô giá cho các nhà khoa học và nhà nghiên cứu trong các lĩnh vực đầy thách thức như năng lượng, trí tuệ nhân tạo, sức khỏe và khoa học vũ trụ.

Mỗi nút máy tính trong Summit, với tổng số lên đến 4.608 nút, được trang bị hơn 600 GB bộ nhớ, có thể được truy cập bởi tất cả các CPU và GPU. Cộng thêm 800 GB RAM bộ nhớ điện tĩnh, thiết bị này có thể sử dụng làm bộ nhớ burst buffer hoặc bộ nhớ mở rộng. Các CPU Power và GPU Volta của Summit được kết nối qua NVLink của Nvidia, cho phép hoạt động đồng bộ và tối ưu trong một mô hình điện toán không đồng nhất. Summit chủ yếu được dùng cho các nghiên cứu khoa học dân sự tại Oak Ridge và sẽ phục vụ nhiều lĩnh vực, từ y học đến khí hậu học.

Sierra là một siêu máy tính mạnh mẽ do IBM xây dựng, phục vụ cho phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore tại California. Mặc dù đã duy trì vị trí thứ hai trong danh sách TOP500, Sierra không ngừng khẳng định sức mạnh của mình với 1.572.480 lõi xử lý từ bộ vi xử lý IBM Power9, kết hợp cùng 1.382.400 lõi bổ sung từ bộ tăng tốc Nvidia Volta GV100. Hiệu suất của nó vẫn ổn định ở mức 94,6 petaflop, không thay đổi so với sáu tháng trước.

Với cấu trúc gồm 4320 node, mỗi node trang bị hai CPU Power9 và bốn GPU NVIDIA Tesla V100, Sierra có kiến trúc tương tự như Summit, thể hiện sức mạnh vượt trội trong việc xử lý các dữ liệu khổng lồ. Siêu máy tính này không chỉ phục vụ cho các nghiên cứu khoa học mà còn là công cụ quan trọng trong việc mô phỏng các hiện tượng vũ trụ, thiên văn học, dự báo biến đổi khí hậu, và nghiên cứu y học nhằm chữa trị những căn bệnh nan y.

Sierra cũng ghi dấu ấn trong danh sách Green500, xếp hạng những siêu máy tính tiết kiệm năng lượng nhất thế giới, khi nó lọt vào vị trí thứ 15. Dù hoạt động chủ yếu trong nghiên cứu vũ khí hạt nhân và các thí nghiệm về biến đổi khí hậu, Sierra cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tìm kiếm các phương pháp điều trị ung thư. Cả Summit và Sierra đều được trang bị công nghệ của IBM, sử dụng bộ vi xử lý IBM Power9 và chip GPU Nvidia Tesla V100 để đạt được hiệu suất tối ưu.