Atomowy superkomputer

Modele matematyczne pozwalają analizować przebieg reakcji jądrowej oraz pracę mechanizmów odbierających ciepło z reaktora. Minimalizuje to ryzyko katastrofy, którą mogłaby spowodować źle zaprojektowana instalacja. Ponieważ takie obliczenia są niezwykle obciążające, do ich prowadzenia niezbędny jest potężny superkomputer.

Taka właśnie maszyna jest obecnie budowana w Centrum Informatycznym Świerk (CIŚ). Pierwsze węzły tego, wartego 100 mln złotych, superkomputera zaczną działać już na wiosnę. Pełna moc maszyny, która zostanie ukończona w 2015 roku, będzie wynosiła 500 teraflopów, co oznacza, że superkomputer trafi na 60. miejsce listy najszybszych komputerów na świecie. Dla porównania, obecnie najmocniejszy polski superkomputer ma połowę tej wydajności.

Komputer powstający w Świerku, podobnie jak większość współczesnych superwydajnych maszyn, będzie klastrem zbudowanym ze standardowych komponentów PC. Na pierwszym etapie budowy zostanie zainstalowanych blisko 900 procesorów Intel Xeon E5–2680v2, z których każdy ma 10 rdzeni obliczeniowych, co daje 9000 takich rdzeni. Po ukończeniu rozbudowy liczba ta powinna osiągnąć 20 tys. rdzeni. Maszyna będzie korzystała ze 100 TB pamięci RAM oraz 3000 TB pamięci masowej, złożonej z szybkich, 400 GB, dysków SSD o dużej niezawodności.

Ze względu na to, że obliczenia wymagają ciągłej wymiany informacji między węzłami obliczeniowymi, kluczowym komponentem jest bardzo szybka sieć spinająca klaster. Jest to interfejs w standardzie InfiniBand.

Jak tłumaczy dr Adam Padée, kierownik Działu Infrastruktury Obliczeniowej z CIŚ, zastosowanie tego interfejsu zapewnia opóźnienia 100 razy mniejsze niż te w typowej sieci domowej. Całość będzie pracowała pod kontrolą wyspecjalizowanej dystrybucji oprogramowania open source – Scientific Linux, która bazuje na Red Hat Enterprise Linux.

Aby dodatkowo zminimalizować opóźnienia, projektanci superkomputera zdecydowali się na maksymalne zagęszczenie jednostek obliczeniowych. To z kolei jest wyzwaniem dla systemu chłodzenia. Tradycyjne chłodzenie powietrzem nie wystarcza. Dlatego w Świerku powstała wyrafinowana instalacja do chłodzenia wodnego, która ma wydajność 4000 razy większą niż typowe chłodzenie wentylatorami. Podzespoły są montowane w szafach, które mają zintegrowaną instalację obiegu wody. W obecnie instalowanych węzłach same procesory są chłodzone powietrzem, które następnie jest schładzane wodą o temperaturze 18 st. C, krążącą w ściankach szafy serwerowej.

Na drugim etapie rozbudowy zostaną zastosowane nowoczesne szafy francuskiej firmy Bull, które pozwalają na doprowadzenie wody bezpośrednio do komponentów. Instalowane w nich obudowy serwerowe typu blade doprowadzają wodę do punktów montażowych dla procesora, pamięci operacyjnej oraz dysków, które razem tworzą jeden węzeł klastra obliczeniowego. Takie rozwiązanie pozwala na chłodzenie tzw. ciepłą wodą o temp. 35 st. C, którą można pasywnie chłodzić niemal przez cały rok, co zapewnia wymierne oszczędności energii.

W budynku superkomputera zbudowano wyrafinowaną instalację hydrauliczną, która zapewnia obieg płynu chłodzącego. Ciepła woda z superkomputera jest doprowadzana do wymienników ciepła zainstalowanych w piwnicach, gdzie jest ono odbierane przez drugą instalację wypełnioną glikolem, która z kolei odprowadza ciepło do chłodnic zainstalowanych na dachu.

Model reaktora wykorzystuje tzw. symulacje cieplno-przepływowe, wymagające rozwiązania dużej liczby skomplikowanych równań różniczkowych. Pozwalają one odtworzyć warunki panujące w instalacji odbierającej ciepło czy w turbinach produkujących prąd.

– W czasie symulacji – mówi prof. Wojciech Wiślicki, fizyk z Zakładu Fizyki Wysokich Energii, który kieruje projektem budowy superkomputera – można przekraczać warunki bezpieczeństwa, by sprawdzić, jak reaktor i cała związana z nim instalacja, będzie zachowywać się w razie awarii. Można analizować nawet ekstremalne zjawiska, na przykład stopić rdzeń reaktora.

Dodatkowo na superkomputerze będą prowadzone obliczenia i symulacje związane z działaniem całej polskiej sieci energetycznej. Modelowanie obciążeń będzie zapobiegało awariom na wielką skalę, tzw. blackoutom, a także pozwoli lepiej zaplanować dystrybucję energii.

W związku z tym, że klaster w Świerku będzie przetwarzał informacje kluczowe z punktu widzenia bezpieczeństwa państwa, szczególny nacisk położono na bezpieczeństwo. Sama placówka w Świerku, w związku z tym, że na jej terenie działa reaktor i są przechowywane materiały radioaktywne, jest strzeżona przez uzbrojoną straż przemysłową. W ramach adaptacji budynku przeznaczonego na superkomputer wprowadzono także modyfikacje, które pozwolą na odcięcie od internetu i fizyczne odizolowanie części klastra przeznaczonego do zadań objętych klauzulą tajności. Przewidziane jest również miejsce na klatkę Faradaya, która zapobiega szpiegostwu dzięki przechwytywaniu promieniowania elektromagnetycznego.

Izolacja będzie obejmowała tylko część klastra, gdyż pozostałe węzły superkomputera będą zaangażowane w projekty publiczne. Jednym z ważnych zadań, tylko częściowo związanym z sektorem energetycznym, będzie analiza rozprzestrzeniania się skażeń atmosferycznych. Cała Polska jest pokryta siecią kilku tysięcy czujników, które na podstawie spektroskopowej analizy powietrza są w stanie wykryć zanieczyszczenie. Gdy nastąpi takie zjawisko, zebrane informacje zostaną przekazane do Świerku w celu wykrycia źródła. Na podstawie stężenia skażenia zarejestrowanego w poszczególnych punktach oraz dzięki uwzględnieniu danych pogodowych algorytm jest w stanie odkryć źródło skażenia.

Chociaż taką operację można wykonać dla skażenia radioaktywnego (np. gdyby w kraju sąsiednim wydarzyła się katastrofa elektrowni), to znacznie częstsze są awarie konwencjonalne: nieszczelny komin czy wyciek chemikaliów z fabryki.

Po zakończeniu budowy w 2015 roku superkomputer będzie miał przed sobą 5 lat ciągłej pracy, gdyż tak drogich urządzeń się nie wyłącza. Po tym okresie niezbędna będzie wymiana sprzętu.