Stroje se stále větším výpočetním výkonem už zvládají vlastní výzkum
Čtyřicet dva. Tak zní odpověď na základní otázku Života, Vesmíru a vůbec, s níž ve Stopařově průvodci Galaxií přišel superpočítač Hlubina myšlení. Rozverný příběh Douglase Adamse se ale svým způsobem v realitě rozehrává od 60. let. Základ pro trh se superpočítači se vytvořil už v roce 1964, kdy se prodala první stovka výpočetních strojů Seymoura Craye, každý s cenovkou osm milionů dolarů.
Jestliže možnosti prvních superpočítačů dnes předčí snad každý chytrý telefon, aktuální
nejvýkonnější výpočetní stroje už jsou někde úplně jinde.
Prvenství již přes rok drží čínský Tianhe-2 stojící v čínské Národní univerzitě obranných technologií, který dokáže mimo jiné simulovat chování jaderného reaktoru. Má v sobě 3,12 milionu jader, operační paměť 1024 terabytů (TB; biliony bytů) a teoretický výkon 54 902 teraFLOPS (TFLOPS; počet operací v plovoucí řádové čárce za sekundu). Kromě toho, že je dvakrát tak výkonný než druhý nejlepší, americký Titan Cray, ke srovnání snad postačí český zatím nejvýkonnější superpočítač Anselm s 3344 jádry, 15 TB operační paměti a teoretickým výkonem 94 TFLOPS.
Laikovi, který uvedeným číslům nemusí příliš rozumět, řekněme jednodušší věc: superpočítače jsou tak chytré, že v podstatě zvládnou samostatně provádět vědecký výzkum. Přečíst a pochopit Právě probíhající zkouškové období znamená pro studenty často dny i týdny pročítání studijních materiálů, které se snaží pochopit a jejich závěry využít u zkoušky. To samé dělají i zavedení vědci při procházení studií, které mohou užít při vlastním výzkumu, což je ale trochu problém ve chvíli, kdy jen ve veřejných databázích je dostupných zhruba 50 milionů vědeckých prací, které se každou minutu rozšiřují o dvě další.
„V průměru může vědec přečíst mezi jednou až pěti studiemi, když má dobrý den,“ říká Olivier Lichtarge, profesor genetiky a biologie na texaské Baylor College of Medicine. S kolegy vedl mimo jiné i studii, jak tento problém vyřešit pomocí počítačů, třeba při výzkumu proteinu p53, jenž ve spojení se speciálními
enzymy (kinázami) potlačuje nádory v lidském těle. Jen o nich bylo napsáno tolik studií, že by je při rychlosti čtení pěti za den vědec pochopil za 38 let. Superpočítač v projektu KnIT je ale zvládl „pobrat“ za dvě hodiny. KnIT pročítal práce uveřejněné do roku 2003 a po analýze správně identifikoval sedm z devíti p53 kináz objevených v následujících deseti letech. Důležitější ale je, že zřejmě našel další dvě, které věda prozatím nezná, což mají potvrdit laboratorní testy.
Zatímco lidé jsou schopni kreativně přicházet s novými studiemi a informacemi, počítač je zvládá lépe analyzovat v širších souvislostech oboru. Tak může objevit něco, co lidskému oku uniká, zvlášť při užším zaměření na konkrétní výzkum. Projekt KnIT vznikl ve spolupráci s firmou IBM, která pro „počítání vědy“ využila kognitivní technologii Watson. Ta má být schopná analýzy a interpretace dat podobnější lidskému přemýšlení, což ostatně stejnojmenný počítač ukázal v roce 2011, když porazil šampiony soutěže Jeopardy, v Česku známé jako Riskuj.
„Doufáme, že kognitivní schopnosti technologie Watson pomohou vědcům urychlit pochopení biologických základů nemocí. To by mohlo nakonec vést k lepší léčbě těch nejsložitějších chorob, jako je rakovina“ uvádí Scott Spangler, hlavní datový vědec IBM, jenž se svým týmem pracoval na technologii KnIT.
Adam a Eva Když už stroje pomáhají s vědou, možná se jednou dočkají i vlastní kreacionistické teorie. Pro její předobraz by mohly sloužit automatizované systémy pojmenované Adam a Eve.
Adam se stal prvním robotem, který v roce 2009 přišel s vlastním výzkumem; týkal se genů kvasinek používaných například v pivovarnictví. Nejde přitom o superpočítač jako v Číně, coby mozek systému slouží čtyři běžné počítače doplněné o robotické paže, kamery, inkubátory a další laboratorní vybavení. Využíval databázi informací o genech kvasinek, jejich metabolismu a enzymech, k dispozici měl i zásobu kvasinek bez určitých genů a pozoroval, jak se vyvíjejí za různých podmínek.
Za den mohl zvládnout až tisíc experimentů a učit se tak o vlastnostech různých genů a metabolitů.
Adam sám došel k 20 hypotézám kódování genů 13 enzymů. Celkem 12 hypotéz se potvrdilo experimenty, mimo jiné identifikoval tři geny kódující enzym potřebný pro produkci lyzinu, jenž je nezbytný pro produkci bílkovin a pomáhá růstu a obnově tkání. Vše samozřejmě překontroloval i vědecký tým vedený Rossem Kingem.
Stejný vědec vede i projekt Eve, další automatizovaný systém, jenž je vlastně druhou generací Adama, který podle výzkumníka umělé inteligence na Stanfordské univerzitě pracoval na úrovni doktoranda. Robotická Eva řeší složitější problém – provádí laboratorní experimenty zaměřené na hledání nových léků. Ne každému se povede „objev náhodou“, tak jako profesoru Antonínu Holému s jeho antivirotiky, častěji končí komplikovaný proces nezdarem.
„Místo slepého testování velkého množství sloučenin si je vybírá podle vlastní hypotézy toho, co je důležité ve struktuře molekuly a její aktivity. Sloučeniny si vybírá tak, aby získala co nejvíce informací o dané funkci,“ vysvětluje odlišný přístup systému Eve Ross King v článku serveru Pharmaceutical-technology.
com.
Podle časopisu New Scientist už se Eve podařilo najít nový lék bojující s malárií. Podrobnosti si King nechává pro sebe, než bude studie publikována, ale základní sloučenina je prý součástí některých zubních past.
Vzhůru do budoucna Pokud se automatizovaný výzkum nových léků potvrdí, dá se čekat, že o ně budou mít velký zájem farmaceutické firmy. A když takové pokroky dokáže relativně jednoduchý systém jako Eve, poroste poptávka i po superpočítačích.
Ostatně pro celý trh superpočítačů a serverů analytická společnost IDC předpokládá sedmiprocentní roční růst a do roku 2017 celkovou hodnotu 14 miliard dolarů, tedy 297 miliard korun.
„Tržby porostou zdravým tempem kvůli klíčové roli, kterou hrají v ekonomické konkurenceschopnosti a vědeckém pokroku,“ uvedl v červnu Earl Joseph z IDC.
Na samotné superpočítače připadá zhruba 40 procent z celkového trhu, aktuálně zhruba čtyři miliardy dolarů. To je pro jejich výrobce dobrá zpráva vzhledem k tomu, že na začátku 90. let po konci studené války a snížených investicích vlád byl jen zhruba 400 milionů dolarů.
Pozitivní trend očekává třeba i jeden z největších výrobců superpočítačů, firma Cray.
Tvůrci druhého nejlepšího počítače patří spolu se společnostmi IBM a Hewlett-Packard k jejich největším producentům, za loňský rok měli tržby 500 milionů dolarů a pro letošek čekají o sto milionů více. Superpočítače se objevují v mnoha oborech a jejich rozšiřování pomáhá i častější využívání takzvaných velkých dat. Z jejich analýzy vlastně vychází i výzkum robotického Adama a Evy. Podobně jako v biologii a vývoji nových léků se postupuje i při zkoumání lidského mozku, vesmíru, fyziky.
Mílové kroky ve výzkumu nových materiálů předvídají i Gerbrand Ceder a Kristin Perssonová, kteří s nimi pracují v projektu Materials Project zahájeném v roce 2011. Díky superpočítačům podle nich půjde vývoj daleko rychleji než jako v případě lithium-iontové baterie, která byla po 20 letech výzkumu představena v roce 1991. Jejich snahou je na superpočítačích vytvořit databázi otevřenou výzkumníkům, v níž budou k nalezení vlastnosti a modely všech neorganických materiálů
spočítané na superpočítačích. Jiné týmy podobně vytvářejí databázi slitin nebo katalytických vlastností kovů.
Díky datům z podobných databází mohou vznikat virtuální modely nových materiálů, které se pak snáze vyrobí. Mohou vzniknout lehčí a odolnější slitiny využitelné při výrobě aut nebo letadel, kde snížení váhy o desetinu ušetří až osm procent paliva. Podobně se může změnit stavebnictví i samotná elektronika, která do budoucna sází na grafen, speciální formu uhlíku, jejíž praktické využití ale zatím pokulhává. Pokročilé termoelektrické materiály by zase mohly vést k revoluční výrobě energie například díky efektivnějšímu převodu odpadního tepla, kde je odpadem písek nebo voda.
„Ve velmi blízké budoucnosti budou vědci využívat superpočítače k projektování takřka všeho. Věříme, že to povede k technologiím, které změní svět – přelomově se přemění výpočetní technologie, eliminuje znečištění, výroba čisté energie a naše životy se zlepší způsoby, které jsou dnes těžko představitelné,“ tvrdí Ceder s Perssonovou v časopise American Scientist. Česká stopa Ať budou změny budoucnosti přicházet odkudkoli, Česko by nemělo stát stranou. Ostatně už dávno výzkumníci Ústavu fyziky atmosféry Akademie věd ČR pomáhali se superpočítačem s poetickým názvem Amálka Evropské kosmické agentuře (ESA) i americké NASA při analýze dat z kosmických sond. Její první generace vznikla v roce 1998 a její šestá generace z roku 2009 se dopracovala k výkonu 6,38 TFLOPS.
Nynější nejsilnější stroj v Česku Anselm byl slavnostně pokřtěn v Ostravě loni v květnu. Je součástí projektu IT4Innovations, jenž s cenovkou dvě miliardy korun patří k šesti největším vědeckým centrům spolufinancovaným z dotací Evropské unie. Projekt spadá pod Vysokou školu báňskou – Technickou univerzitu Ostrava a do budoucna se má stát nejvýkonnějším strojem ve střední Evropě. Nedávno pro něj byla dokončena budova a 1. září byla zahájena stavba datového sálu pro superstroj, do nějž se Anselm rozroste.
„Vybudování non-IT technologií je posledním krokem před nákupem samotného superpočítače, který svým výkonem více než desetinásobně překročí výkon současného superpočítače Anselm,“ uvedl ředitel centra Martin Palkovič.
Superpočítač by mohl dosahovat výkonu 855 TFLOPS a zařadil by se tak mezi stovku nejvýkonnějších strojů světa. Podobně jako ony se pak zaměří na vývoj nových léků či materiálů. Data se nevyužijí jen pro výzkum, ale i pro průmysl. Anselm už vytvářel 3D modely měst pro mapovou službu serveru Seznam.
cz, inovoval konstrukci sedadel vlakových souprav pro firmu Borcad nebo zkoumal chování prací jednotky průmyslových praček společnosti Primus.
„Díky Anselmu už také pracujeme společně s evropskými centry na tom, jak se bude programovat superpočítač budoucnosti, který bude ještě tisíckrát výkonnější,“ dodal Palkovič. Uvidíme, s jakými odpověďmi přijdou superpočítače budoucnosti, které právě vznikají pomocí těch současných. Snad pak odpověď nebude stejně matoucí jako ta vygenerovaná na sklonku věků Hlubinou myšlení ve Stopařově průvodci Galaxií. Koneckonců, právě Země měla být tím superpočítačem, jenž odpověď na definitivní otázku nalezne. Hlavní stejně je nepropadat panice. l
Rekordmani
Nejrychlejší počítače světa (FLOPS – počet operací v plovoucí řádové čárce za sekundu*)
Od Země Stroj Výkon
listopad 2000 USA ASCI White 4,9 TFLOPS až 7,2 TFLOPS
červen 2002 Japonsko Earth Simulator Center 35,86 TFLOPS
listopad 2004 USA BlueGene/L 70,72 TFLOPS až 478,2 TFLOPS
červen 2008 USA Roadrunner 1,026 PFLOPS až1,105 PFLOPS
listopad 2009 USA Jaguar 1,759 PFLOPS
listopad 2010 Čína Tianhe-1A 2,57 PFLOPS
červen 2011 Japonsko K 8,16 PFLOPS až 10,51 PFLOPS
červen 2012 USA Sequoia 16,32 PFLOPS
listopad 2012 USA Titan 17,6 PFLOPS
červen 2013 Čína Tianhe-2 33,86 PFLOPS
* Pozn.: TFLOPS – biliony FLOPS; PFLOPS – biliardy čili tisíce bilionů FLOPS Zdroj: Top500.org
O autorovi| Jakub Křešnička • kresnicka@mf.cz
