Siêu máy tính là cuộc chạy đua lớn giữa các quốc gia có tiềm lực về công nghệ và tài chính hồi những năm 90 của thế kỷ trước, khi cả Hoa Kỳ, Trung Quốc và nhiều nước khác cạnh tranh lẫn nhau để xây dựng những chiếc máy tính có năng lực tính toán mạnh mẽ nhất. Mặc dù hiện nay, cuộc đua này đã phần nào chậm lại, nhưng những chiếc máy tính "quái vật" vẫn được sử dụng để giải nhiều bài toán lớn của thế giới.
Định luật Moore (một dự đoán được đưa ra ở thời kỳ đầu của máy tính, cho rằng sức mạnh tính toán của các máy tính hiện đại sẽ tăng gấp đôi sau mỗi hai năm) đã thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp phần cứng máy tính đi rất xa. Tuy nhiên, cùng với đó cũng là sự gia tăng về mức độ phức tạp của các bài toán mà loài người cần tìm ra lời giải. Trước kia, các siêu máy tính có kích thước tương đối nhỏ, nhưng giờ đây chúng có thể chiếm trọn diện tích của cả một nhà kho. Mỗi siêu máy tính gồm rất nhiều máy tính nhỏ được kết nối với nhau một cách tinh vi.
Điều gì khiến cho mọi chiếc máy tính được gọi là "siêu máy tính"?
Siêu máy tính là chiếc máy tính khổng lồ, có sức mạnh tính toán cao gấp nhiều lần chiếc máy tính xách tay.
Thuật ngữ "siêu máy tính" được dùng để chỉ một chiếc máy tính khổng lồ, có sức mạnh tính toán cao gấp nhiều lần chiếc máy tính xách tay ở nhà của bạn. Tuy nhiên, về nguyên lý hoạt động, chúng không khác biệt nhiều so với những máy tính thường ngày chúng ta vẫn sử dụng. Các siêu máy tính được tạo thành bởi hàng nghìn máy tính nhỏ hơn, được kết nối với nhau để thực hiện cùng một tác vụ cụ thể.
Mặc dù vậy, điều đáng ngạc nhiên là các nhân CPU được lắp đặt trong các siêu máy tính này thường có tốc độ không bằng so với chiếc máy tính để bàn ở nhà của bạn! Chính sự phối kết hiệu quả giữa hàng nghìn nhân xử lý như vậy mới là điều mang lại sức mạnh khổng lồ cho các siêu máy tính. Các chuyên gia sẽ thiết kế những hệ thống mạng và phần cứng rất đặc biệt để có thể kết nối các máy tính ở quy mô lớn như vậy, chứ không đơn giản chỉ là cắm dây mạng vào và mọi thứ sẽ nghiễm nhiên hoạt động một cách trơn tru như những chiếc máy tính ở nhà của chúng ta. Tuy nhiên, về mặt bản chất, bạn có thể hiểu nôm na như vậy cho đơn giản.
Không phải mọi tác vụ đều có thể xử lý bằng cấu trúc tính toán song song, do đó bạn sẽ không thể sử dụng siêu máy tính để chơi game với tốc độ hàng triệu khung hình mỗi giây được. Tính toán song song thường được sử dụng để tăng tốc các tác vụ điện toán thiên về tính toán.
Tốc độ của các siêu máy tính được đo bằng FLOPS, tạm dịch là Số phép tính số thực dấu phẩy động tính toán được trên một giây. Hiểu đơn giản, đây là đơn vị đo tốc độ giải các bài toán của máy tính. Chiếc máy tính có tốc độ cao nhất trên thế giới hiện tại là cỗ máy có tên Summit của hãng IBM, có thể đạt tới tốc độ trên 200 PetaFLOPS, gấp một triệu lần đơn vị đo "Giga" mà chúng ta vẫn thường sử dụng.
Vậy siêu máy tính thường dùng để làm gì? Chủ yếu là trong nghiên cứu khoa học
Siêu máy tính là xương sống của ngành khoa học tính toán. Chúng được sử dụng trong lĩnh vực y tế để thực hiện mô phỏng quá trình chuyển hoá protein, ứng dụng trong nghiên cứu bệnh ung thư; trong lĩnh vực vật lý, để chạy mô phỏng cho các dự án kỹ thuật lớn và các tính toán lý thuyết; và thậm chí ứng dụng trong cả ngành tài chính – ngân hàng để theo dõi thị trường chứng khoán, nhằm giúp các nhà đầu tư đưa ra các quyết định đem lại nhiều lợi ích nhất.
Có lẽ ứng dụng đem lại những lợi ích rõ ràng nhất đối với người dùng phổ thông như chúng ta là khả năng mô phỏng các mô hình thời tiết của siêu máy tính.
Để tính toán chính xác xem liệu bạn có cần phải mang theo áo khoác và ô ra đường vào ngày thứ tư tuần sau hay không là một công việc phức tạp và khó khăn đến mức bạn sẽ khó lòng hình dung ra. Ngay cả những siêu máy tính khổng lồ của thời hiện đại cũng không thể làm được điều đó với độ chính xác cao nhất.
Về lý thuyết, để có thể chạy các mô hình thời tiết hoàn chỉnh, chúng ta sẽ cần những siêu máy tính có tốc độ lên đến hàng ZettaFLOPS - đơn vị đo cao hơn hai cấp độ so với PetaFLOPS và có sức mạnh gấp khoảng 5000 lần so với chiếc máy Summit của IBM. Có lẽ chúng ta sẽ chưa thể nghiên cứu chế tạo ra được những chiếc máy như vậy cho tới năm 2030, mặc dù rào cản lớn nhất đối với việc xây dựng các cỗ máy như vậy không phải là vấn đề về phàn cứng, mà là giá thành.
Nhiều siêu máy tính có thể tiêu tốn hàng triệu USD chi phí điện năng mỗi năm để hoạt động.
Mức giá để mua sắm và xây dựng các hệ thống phần cứng khổng lồ đúng là một rào cản lớn để xây dựng các siêu máy tính, nhưng còn một vấn đề lớn hơn nữa lại nằm ở hoá đơn tiền điện mà chiếc máy này tiêu thụ hàng tháng. Nhiều siêu máy tính có thể tiêu tốn hàng triệu USD chi phí điện năng mỗi năm để hoạt động. Do đó, mặc dù về lý thuyết không có giới hạn về số toà nhà chúng ta có thể xây để lắp đặt những chiếc siêu máy tính, nhưng thông thường, người ta chỉ dựng những chiếc máy có sức mạnh vừa đủ để giải các bài toán mà họ cần ở thời điểm hiện tại.
Liệu tôi có thể sở hữu siêu máy tính tại nhà trong tương lai?
Trên một ý nghĩa nào đó, bạn đã sở hữu chúng rồi đấy. Nhiều máy tính để bàn hiện đại có sức mạnh tính toán vượt xa các siêu máy tính cổ lỗ. Thậm chí, các điện thoại thông minh tầm trung hiện nay đã có sức mạnh tính toán cao hơn siêu máy tính nổi tiếng Cray-1 xưa kia. Điều này có được là nhờ tốc độ phát triển nhanh chóng của các bộ vi xử lý (CPU) trong thời gian vừa qua. Tuy nhiên, tốc độ này hiện đang có dấu hiệu chậm lại.
Gần đây, định luật Moore đang có dấu hiệu bị chậm lại do loài người đã đạt tới giới hạn về kích thước (độ nhỏ) của các bóng bán dẫn mà chúng ta có thể sản xuất, do đó các CPU đời mới có lẽ sẽ khó có thể đạt được những đột phá vè tốc độ. Các CPU hiện nay chỉ đang dần thu nhỏ về kích thước và tiêu thụ điện năng hiệu quả hơn, do đó các nhà sản xuất đang đi theo hướng tăng số nhân xử lý trên mỗi chip để giúp gia tăng tốc độ cho các mẫu CPU mới.
Tuy nhiên, các nhu cầu của người dùng phổ thông cũng khó có thể khai thác hết sức mạnh tính toán của các máy tính hiện đại. Sau tất cả, có lẽ bạn không cần phải sở hữu siêu máy tính tại nhà để lên mạng Internet đọc báo, hay hầu như chẳng có người nào có ý định chạy các mô hình mô phỏng chuyển hoá protein tại nhà cả. Các máy tính thương mại tiêu dùng mạnh mẽ nhất hiện nay đã có sức mạnh xử lý cao hơn nhiều so với nhu cầu sử dụng của người dùng phổ thông, và thường được sử dụng bởi các chuyên gia trong một số lĩnh vực cụ thể, chẳng hạn như kết xuất, dựng hình 3D hay biên dịch mã nguồn (trong lập trình).
Do đó, câu trả lời sẽ là không. Bạn sẽ không cần phải mua siêu máy tính để lắp đặt ở nhà. Chúng ta cần trông chờ những tiến bộ tiếp theo trong lĩnh vực công nghệ di động, bởi sức mạnh xử lý của điện thoại thông minh và máy tính bảng ngày nay đang áp sát các máy tính để bàn truyền thống, và đây rõ ràng là một tín hiệu tích cực.