Siêu máy tính mạnh nhất thế giới: FLOPS, bảng TOP500 và đường tăng tốc

Siêu máy tính nhanh nhất thế giới đã tăng từ khoảng 3 triệu phép tính số thực mỗi giây (3 megaFLOPS) với CDC 6600 năm 1964 lên khoảng 1,7 tỉ tỉ phép tính mỗi giây (1,7 exaFLOPS) với El Capitan, máy đứng đầu bảng xếp hạng TOP500 tính tới giữa năm 2025. Đó là mức tăng khoảng 500 tỉ lần trong sáu mươi năm, tương đương gấp đôi sau mỗi khoảng một năm rưỡi. Mốc exaFLOPS, tức một tỉ tỉ phép tính mỗi giây, được vượt lần đầu năm 2022.

FLOPS là gì

FLOPS là viết tắt của floating-point operations per second, số phép tính dấu phẩy động mỗi giây. Phép tính dấu phẩy động là phép cộng, nhân với các số có phần thập phân như 3,14159 hay 0,000127, loại phép tính dùng trong mô phỏng thời tiết, dòng chảy không khí quanh cánh máy bay, va chạm của các phân tử.

Các tiền tố đi theo bậc nghìn:

Mỗi bậc cách nhau một nghìn lần. Từ mega lên exa là bốn bậc, tức một triệu triệu lần.

Bảng mốc: những cỗ máy đầu bảng

Từ tera (1997) lên peta (2008) mất 11 năm. Từ peta lên exa (2022) mất 14 năm. Mỗi bậc nghìn lần tốn khoảng một thập kỷ rưỡi, chậm hơn một chút so với các bậc trước.

Tự tính: nhịp gấp đôi

Từ 3 megaFLOPS (1964) lên 1,7 exaFLOPS (2024):

• 1,7 × 10 mũ 18 chia 3 × 10 mũ 6 ≈ 5,7 × 10 mũ 11, tức khoảng 570 tỉ lần.
• 2 mũ 39 ≈ 5,5 × 10 mũ 11. Vậy đã có khoảng 39 lần gấp đôi.
• 60 năm chia 39 lần ≈ 1,54 năm mỗi lần gấp đôi.

Con số này nhanh hơn nhịp "hai năm" của định luật Moore. Vì sao? Vì siêu máy tính không chỉ dùng chip tốt hơn mà còn dùng nhiều chip hơn. CDC 6600 có một bộ xử lý trung tâm. Các máy exa ngày nay có hàng chục nghìn bộ xử lý đồ hoạ và hàng triệu lõi tính toán. Tốc độ tăng là tích của hai thứ: mỗi chip mạnh hơn, và số chip nhiều hơn.

Bảng TOP500 đo thế nào

Từ tháng 6 năm 1993, bảng xếp hạng TOP500 công bố hai lần mỗi năm (tháng 6 và tháng 11) danh sách 500 hệ thống tính toán mạnh nhất thế giới. Dự án do Hans Meuer, Erich Strohmaier và Jack Dongarra khởi xướng; Dongarra nhận giải Turing năm 2021, phần lớn vì đóng góp cho các thư viện tính toán và bài đo hiệu năng.

Bài đo chuẩn là LINPACK (bản dùng cho máy song song gọi là HPL): giải một hệ phương trình tuyến tính khổng lồ, hàng triệu ẩn. Lý do chọn bài này là nó đơn giản, chạy được trên mọi máy, nên so sánh được qua nhiều thập kỷ. Nhược điểm là nó không phản ánh mọi loại công việc. Có máy rất mạnh trên LINPACK nhưng kém hơn khi chạy những bài toán phải chuyền dữ liệu qua lại liên tục.

Đường cong tổng sức mạnh của cả 500 máy tăng rất đều trong khoảng hai mươi năm đầu, rồi từ khoảng giữa thập niên 2010 chậm lại thấy rõ trên đồ thị thang logarit, cùng lúc với giai đoạn các chip đơn lẻ không còn tăng nhanh như trước.

Bức tường điện năng

Một siêu máy tính exa tiêu thụ khoảng 20–30 megawatt khi chạy hết sức. Frontier khi lập kỷ lục năm 2022 dùng khoảng 21 megawatt, đủ cấp điện cho hàng chục nghìn hộ gia đình.

Nếu dùng hiệu quả điện năng của máy petaFLOPS năm 2008 để chạy ở mức exa, cần tới hàng tỉ oát, cỡ sản lượng của cả một nhà máy điện lớn. Vì vậy trong thập niên 2010, mục tiêu chính của các dự án exa không phải là nhanh hơn mà là tiết kiệm điện hơn: Bộ Năng lượng Hoa Kỳ từng đặt mục tiêu máy exa phải nằm trong khoảng 20–30 megawatt. Câu chuyện này nối thẳng với định luật Koomey về hiệu quả điện năng của máy tính.

Song song với TOP500 có bảng Green500, xếp hạng theo số phép tính cho mỗi oát. Các máy đầu bảng Green500 gần đây đạt khoảng vài chục gigaFLOPS mỗi oát.

Siêu máy tính dùng để làm gì

• Dự báo thời tiết và khí hậu: chia bầu khí quyển thành hàng triệu ô, giải phương trình chuyển động cho từng ô qua từng bước thời gian. Ô càng nhỏ dự báo càng chi tiết, nhưng chia ô nhỏ đi một nửa theo mỗi chiều thì khối lượng tính toán tăng hơn chục lần.
• Mô phỏng vật liệu và thuốc: tính tương tác giữa các phân tử, thử hàng triệu ứng viên trên máy trước khi thử trong phòng thí nghiệm.
• Thiên văn và vật lý: mô phỏng sự hình thành thiên hà, sóng hấp dẫn khi hai lỗ đen va nhau, phân tích dữ liệu từ máy gia tốc hạt.
• Kỹ thuật: dòng khí quanh ô tô, máy bay, tua bin gió; mô phỏng động đất tác động lên công trình.

Phép tính nhỏ về thời tiết

Giả sử một mô hình chia mặt đất thành lưới ô 10 km. Muốn chi tiết hơn, chia còn 5 km. Số ô theo chiều ngang gấp 2 × 2 = 4 lần. Bước thời gian cũng phải ngắn đi khoảng một nửa để tính toán ổn định, nên số bước gấp đôi. Nếu tăng cả số tầng khí quyển theo chiều đứng thì thêm khoảng gấp đôi nữa. Tổng cộng 4 × 2 × 2 = 16 lần khối lượng tính toán chỉ để làm lưới mịn gấp đôi. Đây là lý do ngành khí tượng luôn đói sức mạnh máy tính.

Góc nhìn hôm nay: siêu máy tính trong túi

Một điện thoại thông minh đời mới có bộ xử lý đồ hoạ đạt cỡ một tới vài teraFLOPS theo thông số hãng công bố (thường đo ở độ chính xác thấp hơn bài đo LINPACK). Con số đó ngang ASCI Red, cỗ máy năm 1997 chiếm cả một gian phòng, dùng gần mười nghìn bộ xử lý và tiêu thụ điện gần một megawatt. Hai mươi lăm năm đã thu cả gian phòng ấy vào lòng bàn tay, dù so sánh như vậy chỉ đúng ở mức bậc độ lớn.

Ai muốn xem tận mắt danh sách có thể tìm trang TOP500 chính thức, nơi có bảng mới nhất và đồ thị lịch sử từ 1993. Một bài tập hay: lấy tốc độ máy đứng đầu mỗi năm, chấm lên giấy kẻ thang logarit, rồi đo xem đường thẳng gãy ở chỗ nào. Hiện nay mỗi lần bảng mới ra, câu hỏi được chờ đợi nhất không còn là "ai nhanh nhất", mà là "đường cong còn giữ nhịp không".