VŠB-TUO provozuje největší a nejmodernější veřejné výpočetní systémy v ČR

Národní superpočítačové centrum IT4Innovations, součást VŠB – Technické univerzity Ostrava od roku 2011, je strategickou výzkumnou infrastrukturou v České republice. Společně s dalšími dvěma, CESNET a CERIT-SC, tvoří takzvanou e-infrastrukturu ČR (e-INFRA CZ). Dnes disponuje IT4Innovations čtyřmi superpočítači, ten poslední, který byl pořízen v rámci modernizace a rozšíření superpočítače Anselm, byl představen na začátku října a dostal jméno Barbora. Nejen o IT4Innovations jsme mluvili s jeho vědeckým ředitelem, profesorem Tomášem Kozubkem.

Na začátek, co je to vlastně superpočítač? 
Je to v podstatě velké množství (třeba i tisíce) počítačů tvořených nejmodernějšími procesory a paměťmi, které jsou uloženy v řadě skříní s blikajícími světýlky a propojeny prostřednictvím velmi rychlé sítě. Skříně s jednotlivými počítači jsou pak ještě doplněny dalšími skříněmi například s datovými úložišti. Propojení a spolupráce jednotlivých částí vytváří výpočetní sílu a kapacitu, která mnohonásobně převyšuje běžné počítače

Zmínil jste nejnovější superpočítač. Jaké další superpočítače v IT4Innovations, máte?
Náš první superpočítač Anselm jsme uvedli do provozu v roce 2013 a jméno dostal podle jednoho z prvních hlubinných černouhelných dolů na Ostravsku. V roce 2015 to byl superpočítač Salomon, který v době spuštění byl 40. nejvýkonnějším superpočítačem na světě. Jeho jméno odkazuje na další ostravskou šachtu a také na známého barona Salomona Mayera von Rothschilda, který je pevně spjat s regionem i hornictvím. Letos jsme pořídili specializovaný systém pro výpočty umělé inteligence NVIDIA DGX-2. Obsahuje 2 velmi výkonné procesory, 16 nejmodernějších grafických karet a vše je opět propojeno ultrarychlou sítí. Je mnohonásobně menší než ostatní naše superpočítače a bez problému by se vlezl třeba i na psací stůl. Na začátku října jsme v rámci modernizace výpočetních systémů rozšířili superpočítač Anselm, který se bude postupně vyřazovat, o nový systém, který dostal název Barbora podle dalšího z ostravských černouhelných dolů. Finance na pořízení superpočítačů a jejich provoz jsme získali díky úspěšným projektům v rámci programů OP VaVpI, OP VVV a programu na podporu Velkých výzkumných infrastruktur ČR.

Zaujalo mě, že budete Anselm postupně vyřazovat. Jak se vyřazuje takový superpočítač, co se s ním děje?
Odpojení, demontáž i recyklace jednotlivých částí probíhá běžně ve spolupráci s dodavateli superpočítačových technologií. Většina těchto technologií bývá po 6 a více letech provozu zcela nepoužitelná. Nicméně často se nejdříve provede analýza, zda aspoň některé části by nemohly nadále sloužit pro výpočetní potřeby univerzit nebo datových center, případně mohou některé části putovat např. jako exponát do technického muzea.

Je VŠB – Technická univerzita Ostrava výjimečná počtem superpočítačů nebo tím, že nějaký superpočítač má?
Každá univerzita disponuje menším superpočítačem, který jí slouží zejména pro vlastní účely. Naše univerzita je výjimečná tím, že prostřednictvím Národního superpočítačového centra IT4Innovations provozuje největší a nejmodernější veřejné výpočetní systémy v ČR a zprostředkovává přístup k těmto moderním superpočítačovým technologiím vědcům a výzkumníkům z českých univerzit, výzkumných institucí, ale i firem.

Superpočítače se používají v různých oblastech vědy, asi nejznámějším příkladem je předpověď počasí. Uplatňují se ale i při návrhu nových materiálů, vývoji a optimalizaci nových výrobků a výrobních procesů, a také při vývoji léčiv.  Umožňují lépe pochopit rozsáhlé složité systémy a předpovídat jejich další vývoj např. v oblasti vývoje ekonomiky, šíření epidemií a přírodních katastrof. Obecně se tedy superpočítače uplatní všude tam, kde by to jinak bylo v podstatě nemožné, velmi nákladné nebo časově velmi náročné. 

K čemu superpočítače využíváte vy? Má každý z nich své zaměření, využití?
Máme rozmanité superpočítačové technologie, které jsou vhodné na různé problémy a jejich řešení. Jako příklad mohu uvést systémy nebo jejich části akcelerované grafickými kartami. Jsou vhodné primárně pro výpočty umělé inteligence, vizualizaci vědeckých dat a renderování. Neakcelerované části jsou vhodné pro obecné užití a odborníci z centra IT4Innovations jejich prostřednictvím řeší různé optimalizační úlohy z oblasti strojírenství, jako např. optimalizaci účinnosti čerpadel a turbín, optimalizaci chlazení elektromotoru, vývoj digitálních dvojčat a návrh kraniálních ortéz s optimálními parametry. V oblasti nanotechnologií se zaměřujeme na návrh nových materiálů, vývoj speciálních povrchů pro nanooptiku a modelování a návrh nanokompozitů. Z oblasti IT to jsou analýzy velkých objemů dat s využitím umělé inteligence s aplikacemi např. v medicíně, logistice, modelování a predikci krizových situací, Smart Cities, Smart Grids, bezpečnosti sítí a vědách o Zemi.

Zmiňujete umělou inteligenci, to je dnes velmi diskutované téma. Jaký je vztah mezi umělou inteligencí a superpočítačem?
Pojem umělé inteligence se v posledních letech objevuje ve všech oblastech vědy a výzkumu, v průmyslu, medicíně atd. Metody umělé inteligence se dnes uplatňují při předpovědi počasí, autonomním řízení vozidel, diagnostice medicínských snímků, detekci objektů v obrázcích a videosekvencích, filtrování příspěvků v elektronických databázích a na sociálních sítích apod.

Jako příklad si uveďme neuronovou síť, pomocí níž se počítač automatizovaně učí řešit jednu konkrétní úlohu, aniž by byl explicitně naprogramován k vyřešení této úlohy. Zmíněné učení spočívá v předložení počítači dostatečně velké trénovací množiny vstupů a k nim odpovídajících výstupů (například sada snímků z magnetické rezonance spolu s indikací, zda snímek obsahuje nález určité nemoci). Výsledkem je pak počítačový program, který je schopný diagnostikovat nálezy na snímcích. Díky tomuto přístupu je počítač schopný se často relativně rychle naučit řešit různé problémy s vysokou přesností. Ovšem čím větší přesnost požadujeme, tím větší trénovací množinu (více vstupů a výstupů) potřebujeme. Tímto současně rostou i požadavky na výpočetní výkon, a právě zde sehrávají svou významnou roli superpočítače.

Jak vidíte vývoj superpočítačů a umělé inteligence do budoucna? Můžeme říct, že už jsme na vrcholu technologického pokroku?
Jak už jsem zmínil, umělá inteligence se dnes již vyskytuje všude kolem nás, přesto si mnoho lidí pod tímto pojmem stále představuje samostatně uvažující a mluvící roboty ze scén celé řady sci-fi filmů. Něco podobného je ovšem i dnes stále v oblasti sci-fi, takže rozhodně ještě nejsme na vrcholu technologického pokroku.

Nicméně v oblasti superpočítačů se např. vyvíjí alternativní technologie, které mohou jednou výrazně překonat ty stávající, konkrétně se jedná o kvantové počítače. Tyto představují slibný koncept pro provádění výpočtů a řešení komplexních výpočetních úloh na základě zákonů kvantové mechaniky. 

Často se hovoří o tom, že Evropa ve vývoji superpočítačů zaostává za USA a Asií. Jak je tedy na tom?
Výkon nejrychlejších výpočetních systémů na světě se měří v jednotkách Flop/s pomocí benchmarku Linpack, přičemž jednotka Flop/s označuje počet operací v pohyblivé řádové čárce za sekundu. Např. teoretický výpočetní výkon daný procesory a akcelerátory našeho superpočítače Salomon je 2 PFlop/s, tj. 2 biliardy (2 000 000 000 000 000) operací za sekundu, kdežto reálný (Linpack) výkon je nížší, pouze 1,5 biliardy operací za sekundu.

Nejvýkonnější superpočítače na světě jsou zařazovány do žebříčku Top500 a aktuálně prvních pět je v USA a Číně. Přibližně 25 procent celkové superpočítačové kapacity je instalováno v Americe (převážně v USA), 53 procent v Asii (převážně v Číně a Japonsku) a 20 procent v Evropě. Evropská unie si uvědomuje, že investice do superpočítačů přinášejí technologickou i ekonomickou převahu, proto se rozhodla prostřednictvím společného podniku EuroHPC výrazně posílit svoji pozici a zajistit vybudování nejvýkonnějších evropských superpočítačů srovnatelných s těmi ve Spojených státech a v Číně. Díky úspěchu IT4Innovations v rámci tzv. petascalové výzvy programu EuroHPC bude jeden z těchto evropských superpočítačů přímo v Ostravě již v roce 2020 a bude v první padesátce nejvýkonnějších superpočítačů na světě.

V roce 1998 jste složil státní závěrečné zkoušky na Fakultě elektrotechniky a informatiky VŠB-TUO. Jak vzpomínáte na svá studia?
Vybral jsem si obor Aplikovaná matematika v rámci studijního programu Informatika a komunikační technika, protože matematika a informatika mě velmi bavila už na střední škole. Následně jsem tam absolvoval i doktorské studium. Všem se zájmem o řešení náročných úloh ve vědě i průmyslu mohu současný studijní program s názvem Výpočetní a aplikovaná matematika jednoznačně doporučit. Ve svém výzkumu jsem se věnoval metodám umožňujícím efektivní paralelizaci různých inženýrských problémů na superpočítačích, např. řešení rozsáhlých kontaktních úloh mechaniky se třením.

Mnozí zaměstnavatelé se domnívají, že IT odborníci stále chybí. Souhlasíte?
Ano. V Moravskoslezském kraji a Ostravě rostou nová a nová prestižní výzkumná centra firem jako Continental, Siemens, či Porsche a rovněž nové IT firmy, a to i díky obrovskému rozmachu a široké aplikovatelnosti superpočítačových technologií a umělé inteligence. Poptávka po odbornících do takovýchto center a firem, ale i na univerzitách, nadále roste.

IT4Innovations národní superpočítačové centrum sídlí v Ostravě. Myslíte, že se z Ostravy již stalo město informačních technologií?
Činnost řady podniků, které se specializovaly na těžký průmysl, byla v posledních desetiletích ukončena, díky čemuž se otevřely dveře firmám a výzkumným centrům zaměřeným na IT technologie. Rozvoj tohoto sektoru podporuje nejen VŠB-TUO, ale také i vedení Moravskoslezského kraje. IT4Innovations rovněž tomuto trendu významně přispívá, protože díky našim národním i mezinárodním aktivitám (účast v celé řadě mezinárodních projektů programu Horizont 2020 a členství v prestižních evropských organizacích) a poskytovaným službám v oblasti digitálních inovací nás znají nejen v celé České republice, ale i v celé Evropě.