RIKEN se asocia con Fujitsu y NVIDIA para el superordenador «FugakuNEXT»

RIKEN está colaborando con Fujitsu Limited (Fujitsu) y NVIDIA para lanzar una iniciativa internacional para el desarrollo de la nueva supercomputadora insignia de Japón - el sucesor de la próxima generación de la actual superordenador "Fugaku" - (nombre en clave de desarrollo: "FugakuNEXT"). Por primera vez en los sistemas de supercomputación insignia de Japón, las GPU serán adoptadas como aceleradoras, con NVIDIA liderando el diseño para la infraestructura de la GPU. Fujitsu, que ya ha estado trabajando con RIKEN, dirigirá el diseño básico del sistema general, los nodos de cómputo y las CPU. Como base para la infraestructura de computación de alto rendimiento (HPC), las tres organizaciones trabajarán juntas para construir una "plataforma I-HPC" para resolver desafíos a través del cómputo.

Apostando por el funcionamiento alrededor de 2030, FugakuNEXT está previsto ofrecer no sólo el rendimiento de simulación perseguido por supercomputadoras anteriores, sino también capacidades líderes a nivel mundial tanto en simulación como en IA, con los dos trabajando en estrecha integración como una plataforma unificada "AI-HPC". Con este fin, FugakuNEXT ampliará las tecnologías de CPU desarrolladas para Fugaku, al tiempo que incorpora GPU como aceleradores, con el objetivo de maximizar el rendimiento de ejecución tanto para aplicaciones de simulación como de IA. Al mismo tiempo, para generar continuamente logros científicos mediante el uso de la infraestructura informática de próxima generación, es cada vez más importante perseguir no sólo los avances en la tecnología de hardware, sino también innovaciones integrales en software y algoritmos.

 

En este proyecto, las tres organizaciones combinarán los puntos fuertes de RIKEN en tecnologías de software y algoritmo, la experiencia de Fujitsu en tecnologías de integración de CPU y sistemas, y las tecnologías y ecosistema GPU de NVIDIA. A través de esta colaboración, pretendemos desarrollar un sistema altamente competitivo y establecer un ecosistema global mediante el despliegue en el mercado internacional. Además, FugakuNEXT perseguirá hasta un centenar de veces el rendimiento de la aplicación sobre Fugaku, con el objetivo de ofrecer estos logros en todo el mundo. Además, a través de los esfuerzos conjuntos Japón-Estados Unidos en el desarrollo de FugakuNEXT, el proyecto busca establecer una "plataforma AI-HPC" como un nuevo estándar global, y acelerar dramáticamente "AI for Science" - la automatización y el avance de procesos de investigación como la generación de hipótesis y la validación. El desarrollo de esta "plataforma AI-HPC" de clase mundial mejorará las tecnologías nacionales competitivas a nivel mundial y fortalecerá la indispensabilidad estratégica de Japón en la industria de la información y las tecnologías de semiconductores, fortaleciendo así su competitividad industrial.

Desafíos en el desarrollo de supercomputadoras

Fugaku entregó aproximadamente un aumento de cuarenta veces en el rendimiento del hardware con respecto a su predecesor, la "computación K", a través de la adopción de tecnologías semiconductoras de vanguardia y memoria de alto rendimiento disponible en ese momento. Además, a través del liderazgo de RIKEN en la mejora y optimización de aplicaciones, el rendimiento se aceleró en aproximadamente tres veces, permitiendo ganancias totales en el rendimiento de la aplicación que superaron el objetivo de una mejora cien veces mayor para ciertas aplicaciones. Sin embargo, en los últimos años, la ralentización del rendimiento y el aumento de la eficiencia energética de la tecnología de procesos semiconductores ha hecho cada vez más difícil lograr mejoras significativas en el rendimiento del hardware. Por lo tanto, además de los avances en hardware, son indispensables los nuevos enfoques impulsados por innovaciones en software y algoritmos.

Por Avanzando la Ciencia y la Competitividad Industrial en HPC

FugakuNEXT contribuirá a fortalecer la infraestructura de semiconductores y computación de Japón, al tiempo que garantiza la soberanía nacional en tecnologías avanzadas de IA y en plataformas informáticas avanzadas. Al mismo tiempo, su objetivo es establecer un ecosistema mundial, tanto en hardware como en software, mediante el despliegue en el mercado internacional. En el lado del hardware, el sistema contará con un sucesor de la CPU de propósito general "FUJITSU-MONAKA", actualmente en desarrollo por Fujitsu, evolucionó aún más en una nueva CPU llamada tentativamente "FUJITSU- MONAKA-X", combinada con una GPU diseñada por NVIDIA que enfatiza el rendimiento de procesamiento paralelo y el ancho de banda como el acelerador. El diseño básico explorará la adopción de tecnologías de conexión de vanguardia entre la CPU y la GPU, al tiempo que se considerará la incorporación de tecnologías de memoria avanzada. Como resultado, FugakuNEXT se dirigirá a más de cinco veces la mejora en el rendimiento del hardware sobre Fugaku.

La CPU FUJITSU-MONAKA-X, que actualmente está siendo diseñada por Fujitsu, será una versión mejorada del alto rendimiento, eficiencia energética y de alta seguridad FUJITSU-MONAKA. Con núcleos ultra-muchos y funcionalidad extendida SIMD proporcionando alta escalabilidad, ofrecerá un rendimiento de procesamiento excepcional para aplicaciones HPC como simulaciones numéricas. Además, al integrar el motor de cálculo de la matriz (Arm SME) en la CPU, permite el procesamiento de inferencia de IA de baja latencia. Cuando se combina con la GPU con un ancho de banda de alto ancho, integración apaleada, el sistema ofrecerá un rendimiento excepcional en entrenamiento de IA y aplicaciones HPC optimizadas por GPU. Estos avances permitirán al sistema abordar un amplio espectro de necesidades informáticas, desde cargas de trabajo para fines generales hasta simulaciones numéricas y procesamiento de IA.

El acelerador de computación (GPU) diseñado por NVIDIA permitirá mejoras dramáticas y sostenidas de rendimiento para aplicaciones HPC que requieren procesamiento paralelo avanzado y para aplicaciones de IA, incluyendo IA generativa cuya adopción se está expandiendo rápidamente en la industria, así como para aplicaciones de próxima generación que integran AI y HPC. Además, ofrecerá una eficiencia de potencia superior, alta fiabilidad y disponibilidad.

Para mejorar aún más el rendimiento de la aplicación, las innovaciones del lado del software serán indispensables - abarcando el uso proactivo de la computación de precisión mixta, el uso eficaz de hardware orientado a la IA, como el aprovechamiento de unidades de bajo precisión para cálculos de alta precisión (por ejemplo, el esquema Ozaki), y optimizaciones algorítmicas incluyendo la adopción de modelos de alquiler y PINNs (Physics-ded Neural Networks) para reemplazar cálculos complejos con IA. A través de los esfuerzos conjuntos de investigación y desarrollo liderados por RIKEN en colaboración con Fujitsu y NVIDIA, el proyecto tendrá como objetivo lograr un aumento adicional de diez a veinte veces en el rendimiento efectivo de la aplicación, más allá de la aceleración proporcionada por hardware solamente.

En última instancia, al combinar las mejoras de rendimiento del hardware logradas a través del desarrollo conjunto por RIKEN, Fujitsu y NVIDIA con las innovaciones algorítmicas y de software impulsadas por su colaboración, el proyecto tiene como objetivo ofrecer, dentro de la misma restricción de potencia de aproximadamente 40MW que durante el desarrollo de Fugaku, hasta un aumento global de cien veces en el rendimiento de la aplicación - comparable a la escala de mejora dirigida en la transición de la computadora "K" a Fugaku. Además, al avanzar en "AI for Science" -incluyendo la generación y validación de hipótesis impulsada por IA, la generación de código automatizado y la automatización de experimentos físicos- el proyecto buscará acelerar todo el ciclo de descubrimiento científico.

Diseñado sobre la base de tecnologías avanzadas tanto de Japón como de los EE.UU., FugakuNEXT contará con un rendimiento de hardware orientado a la IA superior a 600 exaFLOPS (EFLOPS) en precisión del FP8 (escasa), y se espera que se convierta en el primer sistema "Zetta-scale" del mundo como superordenador para HPC. El software, los modelos de IA y las aplicaciones desarrolladas en este proyecto se pondrán abiertamente a disposición a través de entornos en la nube -como a través del "virtual Fugaku"- incluso antes del lanzamiento del sistema FugakuNEXT, fomentando así un ecosistema para infraestructura informática de alto rendimiento en la era de la convergencia de simulación de IA.

Camino para lograr hasta 100x Aplicación Perfomance

Innovaciones avanzadas de software y aplicaciones Habilitado por FugakuNEXT (Ejemplos)

En el proyecto FugakuNEXT, junto con el desarrollo de hardware, también se reconoce el apoyo al desarrollo de aplicaciones avanzadas como un componente crítico de la iniciativa. RIKEN promoverá el soporte de porte y optimización de GPU, así como la construcción del banco de pruebas FugakuNEXT, aprovechando los sistemas CPU/GPU disponibles como el "AI for Science Development Supercomputer". En particular, para el diseño de sistemas y el codiseño de aplicaciones que incorporen tecnologías CI/CD/CB, RIKEN trabajará en colaboración con los EE.UU. Departamento de Energía (DOE) bajo el "Acuerdo de Projección para la Cigación de Alto Nivel e Inteligencia Artificial" entre el Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología de Japón (MEXT) y el DOE. Esta colaboración promoverá el desarrollo de un entorno de evaluación continua del rendimiento mediante el uso del entorno de benchmarking automatizado "Benchpark", e implicará un compromiso cercano con la comunidad de aplicaciones más amplia.

Por el lado del software, RIKEN liderará los esfuerzos en estrecha colaboración con universidades e instituciones de investigación, trabajando junto con Fujitsu y NVIDIA para desarrollar entornos avanzados, como permitir el uso eficaz de las capacidades de procesamiento de IA, preparar bibliotecas que faciliten la aceleración de cálculos complejos a través de la IA, y apoyar el desarrollo y optimización de códigos impulsados por IA para FugakuNEXT. También será importante asegurar que las aplicaciones comerciales y una amplia variedad de software de código abierto (OSS) funcionen sin problemas, y por lo tanto, la pila de software desarrollada por RIKEN para Fugaku y el Fugaku virtual se ampliará y se pondrá a disposición para su uso en FugakuNEXT.

En el despliegue concreto de la aplicación, aprovechar plenamente las capacidades de la infraestructura informática de próxima generación requerirá no sólo mejoras en la simulación física, sino también la integración y optimización de tecnologías basadas en datos como la IA. El grupo liderado por el profesor asociado Kohei Fujita (Earthquake Research Institute, The University of Tokyo / Visiting Researcher at RIKEN) está trabajando para profundizar la comprensión de los mecanismos de la generación de terremotos, con el objetivo final de contribuir a la prevención y mitigación de desastres futuros para terremotos y tsunamis. Al avanzar en el desarrollo de un "simulador multiescala" capaz de abordar sin problemas tanto la deformación de la crustal a gran escala como el movimiento sísmico localizado, se prevé que los investigadores, por ejemplo, podrán utilizar modelos computacionales para evaluar la probabilidad de terremotos posteriores en áreas circundantes tras un gran evento sísmico.

 

También se están realizando esfuerzos para llevar la innovación a la fabricación mediante la combinación de HPC y AI. Tradicionalmente, los procesos de diseño de fabricación dependían en gran medida de la experiencia humana y la prueba iterativa y el error. En la actualidad, se están logrando mejoras de eficiencia integrando simulaciones basadas en HPC con el reconocimiento de patrones y el modelado predictivo basado en IA. En el futuro, la IA podrá aprender de las simulaciones de HPC de alta precisión, y se espera que la colaboración de los agentes de IA con IA generativa automatice la creación de diseños óptimos que cumplan múltiples requisitos -incluyendo rendimiento, seguridad y costo- permitiendo un desarrollo de productos rápido y altamente competitivo.

 

Planes de futuro

En cuanto al desarrollo de FugakuNEXT, el diseño básico está programado para completarse dentro del año fiscal 2025, con una transición al diseño detallado del año fiscal 2026. RIKEN prevé establecer un marco de colaboración internacional con los principales institutos de investigación de HPC en todo el mundo, incluidos los de los Estados Unidos. Departamento de Energía (DOE), para avanzar en el desarrollo de software y algoritmos, fomentando así la creación de un ecosistema centrado en FugakuNEXT.

RIKEN fomentará la creación de nuevas aplicaciones en los ámbitos científicos y tecnológicos emergentes previstos para la era FugakuNEXT, incluyendo "AI for Science", y promoverá la preparación para los aceleradores ya designados para su introducción en FugakuNEXT. Estos esfuerzos irán acompañados de iniciativas de desarrollo de los recursos humanos para garantizar que se puedan lograr resultados tangibles tan pronto como FugakuNEXT entre en funcionamiento alrededor de 2030.

Además, la integración de HPC con computadoras cuánticas (QC) se está volviendo cada vez más importante en la expansión de las fronteras computacionales, ya que las aplicaciones que aprovechan la utilidad cuántica ya se están realizando. Anticipando que la integración QC-HPC progresará aún más en alrededor de 2030, cuando se espera que FugakuNEXT entre en funcionamiento, RIKEN trabajará para adaptar las pilas de software desarrolladas en RIKEN, universidades, instituciones de investigación y empresas, para que también puedan ser utilizadas en FugakuNEXT para construir un entorno híbrido QC-HPC.

Comentarios de Organizaciones

Makoto Gonokami, Presidente de RIKEN,

"Es un gran honor para RIKEN colaborar con Fujitsu y NVIDIA en el avance del desarrollo de FugakuNEXT. Desde tiempos antiguos, la humanidad ha construido civilizaciones y sociedades avanzadas a través de la ciencia de la computación. Hoy en día, la aparición de IA, semiconductores avanzados y computadoras cuánticas está provocando una transformación discontinua en la ciencia computacional - un cambio de paradigma histórico que abre horizontes completamente nuevos.

RIKEN ha estado durante mucho tiempo a la vanguardia de la ciencia computacional, demostrando el liderazgo global a través del desarrollo y el despliegue de sistemas superordenadores de clase mundial como la computadora K y Fugaku. Con el principio de "herencia e innovación", FugakuNEXT integrará el conocimiento que abarca hardware, software y algoritmos para lograr un rendimiento sin precedentes y establecer nuevos estándares globales. En consonancia con la estrategia de semiconductores de Japón, y a través de una fuerte colaboración con diversos socios nacionales e internacionales, el proyecto FugakuNEXT contribuirá a resolver los desafíos globales y fomentar el crecimiento industrial sostenible -realizado a través de la visión de "Made with Japan"".

Vivek Mahajan, Director Ejecutivo Corporativo, Vicepresidente Corporativo, CTO, a cargo de Systems Platform, Fujitsu Limited

"Fujitsu se honra de ser parte de esta colaboración. Aprovechando nuestra tecnología de CPU FUJITSU-in-Japón de vanguardia desarrollada a través de proyectos de construcción de sistemas como Fugaku, contribuiremos a establecer una infraestructura computacional líder en el mundo, trabajando en una fuerte colaboración con RIKEN y nuestros proveedores asociados. Fujitsu también está comprometido con la tecnología de computación cuántica, con el objetivo de construir una computadora cuántica superconductora con más de 10.000 qubits físicos y 250 qubits lógicos para el año fiscal 2030. Integraremos la tecnología desarrollada en el proyecto FugakuNEXT con esta tecnología cuántica para realizar una plataforma híbrida cuántico-HPC y crear un nuevo valor a través de nuevos métodos computacionales".

Ian Buck, vicepresidente de Hipércula y Alto Complejo de Interpretación, NVIDIA

"Japón es un líder tecnológico global, promoviendo la fabricación, la robótica y la excelencia en la ingeniería, al tiempo que se centra en la resiliencia de los desastres naturales y el envejecimiento de la población, y AI y HPC están preparados para ayudar a abordar estos complejos desafíos. A través de la colaboración de RIKEN, Fujitsu y NVIDIA, FugakuNEXT ofrecerá un rendimiento de zettascale con velocidades de aplicación casi 100 veces más rápidas - dentro de la misma huella energética que su predecesor - acelerando la investigación, impulsando la competitividad industrial y impulsando el progreso para la gente en Japón y en todo el mundo".