ENIAC-ൽ നിന്ന് Summit-ലേക്കുള്ള ദൂരം

Read Time:18 Minute

ഡോ: ദീപക് ഗോപാലകൃഷ്ണൻ

സയൻസ് ഗവേഷണങ്ങളിൽ ഒഴിച്ചുനിർത്താനാവാത്ത വിധം നിർണ്ണായകമായിരിക്കുന്നു കമ്പ്യൂട്ടർ മോഡലുകൾ ഉപയോഗിച്ചുള്ള പഠനങ്ങൾ. കമ്പ്യൂട്ടിങ് രംഗത്തെ മുന്നേറ്റങ്ങൾ അതിനാൽ തന്നെ പൊതുവിൽ സയൻസിന്റെ തന്നെ മുന്നേറ്റത്തിനു വഴിതുറക്കുന്നു.

ചിത്രത്തിൽ കാണുന്നത് രണ്ട് കമ്പ്യൂട്ടറുകൾ ആണ്. രണ്ടിനും ഒരു വീടിന്റെ വലുപ്പമുണ്ട്. ഒന്ന് 1945 കാലത്തു വികസിപ്പിച്ച ENIAC എന്ന പേരിൽ അറിയപ്പെടുന്ന ആദ്യകാല കമ്പ്യൂട്ടർ. അടുത്തത് ഇന്ന് നിലവിലുള്ളതിലേക്ക് ഏറ്റവും വേഗമേറിയ കമ്പ്യൂട്ടർ Summit – അമേരിക്കയിലെ ഓക് റിഡ്ജ് നാഷണൽ ലാബിൽ (Oak Ridge National Laboratory) ഗവേഷണ ആവശ്യങ്ങൾക്ക് ഉപയോഗിക്കുന്നു. ഈ രണ്ടു ചിത്രങ്ങളും തമ്മിൽ ഏതാണ്ട് അറുപതിലധികം വർഷങ്ങളുടെ ദൂരമുണ്ട്. ഈ കാലത്തിനിടയ്ക്ക് കമ്പ്യൂട്ടിങ് രംഗത്ത് ഏറെ മാറ്റങ്ങൾ സംഭവിച്ചു. ENIAC ൽ ഉപയോഗിച്ചിരുന്ന വാക്വം ട്യൂബുകൾ രൂപാന്തരം പ്രാപിച്ച് ട്രാൻസിസ്‌റ്ററുകൾക്കും IC ചിപ്പുകൾക്കും മൈക്രോപ്രൊസസ്സറുകൾക്കും വഴിമാറിയപ്പോൾ വലിയ മുറികളുടെ വലുപ്പത്തിൽ നിന്ന് കമ്പ്യൂട്ടർ കയ്യിൽ ഒതുങ്ങുന്ന സ്ഥിതിയെത്തി. ഇതിനിടയ്ക്ക് എപ്പോഴാണ് കമ്പ്യൂട്ടറുകൾ വീണ്ടും വലിയ മുറികളോളം വലുതാവാൻ തുടങ്ങിയത്? സങ്കീർണ്ണമായ ഗണിത പ്രശ്നങ്ങൾ കൈകാര്യം ചെയ്യുവാൻ സാധാരണ കമ്പ്യൂട്ടറുകൾക്ക് മതിയാവില്ലെന്നും കൂടുതൽ വേഗമേറിയ “സൂപ്പർകമ്പ്യൂട്ടറുകൾ” ആവശ്യമാണെന്നും ആദ്യ കാലത്തുതന്നെ തിരിച്ചറിഞ്ഞു. 1950 കളിൽ തന്നെ കൂട്ടത്തിൽ വേഗമേറിയ കമ്പ്യൂട്ടറുകൾ IBM പോലുള്ള കമ്പനികൾ പുറത്തിറക്കിയിരുന്നു. എങ്കിലും 1964 ൽ സെയ്മർ ക്രേയും (Seymour Cray) സംഘവും ചേർന്ന് വികസിപ്പിച്ച CDC 6600 എന്ന സിസ്റ്റമാണ് പൊതുവിൽ ആദ്യത്തെ സൂപ്പർകമ്പ്യൂട്ടറായി കണക്കാക്കുന്നത്. ചരിത്രം സെയ്മർ ക്രെയിനെ സൂപ്പർകമ്പ്യൂട്ടറുകളുടെ പിതാവെന്ന് അടയാളപ്പെടുത്തി. അദ്ദേഹം 1972 തുടങ്ങിയ ക്രേ റിസർച്ച് ഇന്ന് സൂപ്പർകമ്പ്യൂട്ടർ മാർക്കറ്റിലെ അതികായരാണ്.

പാരലൽ കമ്പ്യൂട്ടിങ് (parallel computing) എന്നൊരു സങ്കേതമാണ് പ്രധാനമായും കമ്പ്യൂട്ടിങ് ശേഷി വർദ്ധിപ്പിക്കുവാൻ ഉപയോഗപ്പെടുത്തുന്നത്.

IBMന്റെ Blue Gene/P പാരലല്‍ സൂപ്പര്‍ കമ്പ്യൂട്ടര്‍ കടപ്പാട് വിക്കിപീഡിയ

എന്താണ് പാരലൽ കമ്പ്യൂട്ടിങ് ?

ഒരു ടിക്കറ്റ് കൗണ്ടർ സങ്കൽപ്പിക്കുക. 50 പേർ ക്യൂവിലുണ്ട്. ആകെ ഒരു കൗണ്ടറും. ടിക്കറ്റ് കൊടുക്കുന്നയാൾ പരമാവധി വേഗതയിൽ പണിയെടുത്താലും ഒരു പരിധിയ്ക്കപ്പുറം പോകില്ല. എന്നാൽ കൗണ്ടറിന്റെ എണ്ണം വർദ്ധിപ്പിച്ചാലോ ? ഒരു കൗണ്ടറിനു പകരം അഞ്ചോ പത്തോ കൗണ്ടറുകൾ തുറന്നാൽ പണി എളുപ്പം കഴിയും. ഇതേ യുക്തിയാണ് പാരലൽ കമ്പ്യൂട്ടിങ്ങിലും ഉപയോഗപ്പെടുത്തുന്നത്. സാധാരണ കമ്പ്യൂട്ടറുകളിൽ ഒരു പ്രോസസ്സർ മാത്രമേ കാണൂ. ജോലികൾ ഒന്നിനുപിറകെ ഒന്നായി ഒരൊറ്റ പ്രോസസ്സർ ചെയ്തു തീർക്കേണ്ടതായി വരും (ഇതിനെ സീരിയൽ കമ്പ്യൂട്ടിങ് എന്ന് പറയുന്നു). എന്നാൽ ഒന്നിലധികം പ്രൊസസ്സറുകൾ ഉപയോഗിച്ചാൽ ആകെയുള്ള ജോലി പലതിനായി പങ്കിട്ടുകൊടുത്തുകൊണ്ട് വേഗത്തിൽ പണികഴിക്കാനാകും. ഇതിൽ ഏറ്റവും പ്രധാനപ്പെട്ട കാര്യം ചെയ്യാനുള്ള ജോലിയുടെ സ്വഭാവമാണ്. ഒരു സീരിയൽ സ്വഭാവമുള്ള ജോലിയാണെങ്കിൽ, അതായത് ഒന്നിനുപിറകെ ഒന്നായി മാത്രം ചെയ്തു തീർക്കാൻ കഴിയുന്നതരം ടാസ്ക് ആണെങ്കിൽ എത്ര പ്രോസസ്സർ ഉണ്ടായാലും കാര്യമില്ല. മറിച്ച്, കുറെയധികം ഡാറ്റ ഉപയോഗിച്ച് ഒരേതരം കണക്കുകൂട്ടലുകൾ ആവർത്തിച്ച് ചെയ്യേണ്ടതുണ്ടെങ്കിൽ ആകെ ഡാറ്റയെ പലതായി ഭാഗിച്ച് കൂടുതൽ പ്രൊസസ്സറുകൾ ഉപയോഗിച്ചു വേഗത്തിൽ ചെയ്തുതീർക്കാനാകും. ഇങ്ങനെ നൂറും ആയിരവും പ്രൊസസ്സറുകൾ കൂട്ടിയിണക്കി കമ്പ്യൂട്ടറിന്റെ വേഗത വർദ്ധിപ്പിക്കാം.

1964 ൽ വികസിപ്പിച്ച സൂപ്പർകമ്പ്യൂട്ടർ CDC 6600 കടപ്പാട് വിക്കിപീഡിയ

ഇന്നുള്ള സാധാരണ കമ്പ്യൂട്ടറുകളിൽ (PCs) ഒരു പ്രോസസ്സർ മാത്രമാണുള്ളത്. എന്നാൽ പല പ്രൊസസ്സറുകളും ഒന്നിലധികം കോറുകൾ (cores) ഉള്ളവയാണ് (multi-core processors). അതായത്, ഒരൊറ്റ processor chip ൽ ഒന്നിലധികം working unit കൾ. സ്വാഭാവികമായും 2 കോറുകൾ ഉള്ള പ്രോസസ്സറിന് രണ്ടു ടാസ്കുകൾ ഒരുസമയം ചെയ്യാനാവും, അതുവഴി കമ്പ്യൂട്ടിങ് സ്പീഡും വർദ്ധിപ്പിക്കാം. നിലവിലുള്ള intel i3, i5 എന്നീ പ്രൊസസ്സറുകളിൽ 2 മുതൽ 6 കോറുകളും, i7 ൽ പരമാവധി 10 കോറുകൾ വരെയും ലഭ്യമാണ്. ഇനി സൂപ്പർ കമ്പ്യൂട്ടറുകളിൽപ്രൊസസ്സറുകളുടെ എണ്ണം നോക്കാം. നിലവിലെ ഏറ്റവും വേഗമേറിയ കമ്പ്യൂട്ടർ US ഗവണ്മെന്റിന്റെ ഓക് റിഡ്ജ് നാഷണൽ ലാബിലുള്ള ‘സമ്മിറ്റ്’ (Summit) ആണ്. ഇതിൽ പതിനായിരത്തോളം പ്രൊസസ്സറുകളുണ്ട്. ഓരോ പ്രൊസസ്സറുകൾക്കും 22 കോറുകളും. ആകെ 2 ലക്ഷത്തിലധികം കോറുകൾ! ഇതിനു പുറമെ hyperthreading പോലുള്ള സങ്കേതങ്ങൾ വഴി processing capability കൂടുതൽ വർദ്ധിപ്പിക്കാനും കഴിയും. 2002 ൽ intel വികസിപ്പിച്ച ഒരു വിദ്യയാണ് hyperthreading. ഒരു പ്രൊസസ്സറിൽ രണ്ടു കോറുകൾ ഉണ്ടെങ്കിൽ hyperthreading ഉപയോഗിക്കുന്നതുവഴി 4 കോറുകൾ ഉണ്ടെന്ന പ്രതീതി ജനിപ്പിക്കുവാൻ കഴിയും (virtual cores). അങ്ങനെ ഓരോ പ്രൊസസ്സറുകളെയും അതിന്റെ പരമാവധി ശേഷിയിൽ വിനിയോഗിക്കാൻ കഴിയും.

പൊതുവിൽ സൂപ്പർ കമ്പ്യൂട്ടറുകളുടെ വേഗത പറയുന്നത് ഒരു സെക്കന്റിൽ എത്ര floating-point operations ചെയ്യാൻ കഴിയുന്നു എന്നതുമായി ബന്ധപ്പെടുത്തിയാണ്. കമ്പ്യൂട്ടർ സയൻസിൽ ദശാംശം (decimal point) ചേർന്നുവരുന്ന സംഖ്യകളെ float എന്നാണ് അടയാളപ്പെടുത്തുന്നത്. Floating-point operations (FLOPS) എന്നാൽ float variables ഉൾപ്പെടുന്ന കണക്കുകൂട്ടലുകൾ. താരതമ്യേന സമയം കൂടുതൽ വേണ്ടവയാണ് floating-point operations. 1950 ലെ ENIAC ന്റെ വേഗത ഏതാണ്ട് 5000 FLOPS ആയിരുന്നു. 70 വർഷങ്ങൾക്കിപ്പുറം Summit എന്ന സൂപ്പർകമ്പ്യൂട്ടറിന് വേഗത ഏതാണ്ട് 200 petaFlops (10^¹⁵ Flops). അതായത് 200 നു ശേഷം 15 പൂജ്യം!

സെയ്മർ ക്രേയും Cray-1 എന്ന സൂപ്പർകമ്പ്യൂട്ടറും. കടപ്പാട് : Computer History Museum)

ഏറെ ചിലവേറിയ ഒന്നാണ് ഇത്രയും ഭീമമായ കമ്പ്യൂട്ടിങ് സംവിധാനങ്ങൾ. ഏതാണ്ട് 200 മില്യൺ ഡോളറാണ് Summit ന്റെ വില, 1500 കോടിയിലധികം ഇന്ത്യൻ രൂപ. സിസ്റ്റത്തിന് വേണ്ട കൂളിംഗ് സംവിധാനവും മറ്റും വേറെ ചിലവുകൾ. ഏതാണ്ട് രണ്ട് ബാസ്കറ്റ് ബോൾ കോർട്ടിനോളം വലുപ്പംവരുന്ന വലിയ മുറിയിലാണ് ഇത്തരം കമ്പ്യൂട്ടറുകളുടെ പതിനായിരത്തോളം വരുന്ന പ്രൊസസ്സറുകൾ സൂക്ഷിക്കുന്നത്. പ്രൊസസ്സറുകളുടെ എണ്ണത്തിന് അനുസരിച്ചു മുറിയുടെ വലുപ്പവും മാറിവരും.

ഇത്രയും ഭീമമായ കമ്പ്യൂട്ടിങ് സംവിധാനങ്ങൾ പ്രധാനമായും ശാസ്ത്രീയ ഗവേഷണങ്ങൾക്ക് ആണ് ഉപയോഗിക്കുന്നത്. ജെനെറ്റിക് പഠനങ്ങൾ, പ്രപഞ്ചോൽപ്പത്തിയുമായി ബന്ധപ്പെട്ട പഠനങ്ങൾ, കാലാവസ്ഥാ പഠനങ്ങൾ, ആസ്ട്രോ ഫിസിക്സ്, പുതിയതരം മരുന്നുകളുമായി ബന്ധപ്പെട്ട ഗവേഷണം, ക്രിപ്റ്റോഗ്രഫി എന്നിങ്ങനെ വിവിധ മേഖലകളിൽ കമ്പ്യൂട്ടർ സിമുലേഷനുകൾ തീരെ ഒഴിവാക്കാൻ കഴിയാത്ത ഒന്നായി മാറിയിരിക്കുന്നു ഇന്ന്.

അന്തരീക്ഷാവസ്ഥാ പ്രവചനവും സൂപ്പർകമ്പ്യൂട്ടറും

1950 കാലഘട്ടം വരെ ലോകത്തെമ്പാടും അന്തരീക്ഷാവസ്ഥ (weather) പ്രവചിച്ചിരുന്നത് പ്രധാനമായും ചാർട്ടുകൾ വിശകലനം ചെയ്തായിരുന്നു. പല സ്ഥലങ്ങളിൽ നിന്നും ശേഖരിക്കുന്ന വിവരങ്ങൾ വലിയ മാപ്പുകളിൽ (weather maps) രേഖപ്പെടുത്തും. ഇവ പരിശോധിച്ച് ഓരോ സമയത്തെയും സവിശേഷതകൾ വിലയിരുത്തിയാണ് പ്രവചനം സാധ്യമാക്കിയിരുന്നത്. ഇരുപതാം നൂറ്റാണ്ടിന്റെ ആദ്യ കാലങ്ങളിൽ തന്നെ ഗണിത മാതൃകകൾ (mathematical models) ഉപയോഗിച്ച് അന്തരീക്ഷാവസ്ഥ പ്രവചിക്കാൻ കഴിയുമെന്ന് മനസ്സിലാക്കിയിരുന്നെങ്കിലും അതിനുവേണ്ട കമ്പ്യൂട്ടിങ് സംവിധാനങ്ങളൊന്നും അന്ന് ലഭ്യമായിരുന്നില്ല. 1922 ൽ അത്തരമൊരു ശ്രമം നടത്തിയെങ്കിലും നിർഭാഗ്യവശാൽ അത് വിജയം കണ്ടില്ല. പിന്നീട് 1950 ലാണ് പ്രിൻസ്റ്റണിൽ ആദ്യമായി കമ്പ്യൂട്ടർ ഉപയോഗിച്ച് ഒരു അന്തരീക്ഷമോഡൽ (atmospheric model) പ്രവർത്തിപ്പിക്കുകയും വിജയകരമായി പ്രവചനം നടത്തുകയും ചെയ്തത്. അന്ന് ENIAC എന്ന കമ്പ്യൂട്ടർ (ചിത്രത്തിൽ കാണുന്ന) ആയിരുന്നു ജൂലി ചാർണിയും സംഘവും ഉപയോഗിച്ചത്. പിന്നീട് കൂടുതൽ മികച്ച കമ്പ്യൂട്ടറുകൾ ലഭ്യമായതോടെ കൂടുതൽ കൃത്യതയാർന്ന മോഡലുകൾ വികസിപ്പിക്കുവാനും പരീക്ഷിക്കുവാനും കഴിഞ്ഞു. നേരത്തെ സൂചിപ്പിച്ചതുപോലെ ഇന്ന് ലഭ്യമായതിൽ വെച്ച് ഏറ്റവും വേഗതയേറിയ കമ്പ്യൂട്ടറുകൾ ഉപയോഗപ്പെടുത്തിയാണ് ഇന്ന് അന്തരീക്ഷാവസ്ഥ പ്രവചിക്കുന്നതും മറ്റ് കാലാവസ്ഥാ പഠനങ്ങൾ നടത്തുന്നതും. ഇന്നുപയോഗിക്കുന്ന ചില കാലാവസ്ഥാ മോഡലുകളുടെ പ്രോഗ്രാമുകൾ ഒരു പുസ്തകത്തിലേക്ക് പകർത്തിയാൽ പതിനായിരത്തിലധികം പേജുകൾ വേണ്ടിവരും. കാലാവസ്ഥാ പഠനങ്ങൾക്കും അന്തരീക്ഷാവസ്ഥ പ്രവചിക്കുന്നതിനുമായി പ്രത്യുഷ്, മിഹിർ എന്നിങ്ങനെ petaFlops ശേഷിയുള്ള രണ്ട് സൂപ്പർകമ്പ്യൂട്ടറുകൾ ഇന്ത്യക്ക് സ്വന്തമായുണ്ട്. ഇവ രണ്ടിനും ചേർത്ത് 18 വീതം കോറുകൾ ഉള്ള 5600 ലധികം പ്രൊസസ്സറുകളുണ്ട് (പരമാവധി വേഗത 6.8 petaFlops വരെ). കാലാവസ്ഥാ പഠനത്തിന് പ്രത്യേകമായി ഉപയോഗിക്കുന്ന ലോകത്തിലെ മികച്ച നാലാമത്തെ കമ്പ്യൂട്ടറാണിത്.

മറ്റൊരു രസകരമായ വസ്തുത, മോഡലുകൾ അടിസ്ഥാനപ്പെടുത്തിയുള്ള അന്തരീക്ഷാവസ്ഥ പ്രവചിക്കുന്നതിന് ആദ്യമായി ഒരു പ്രായോഗിക സംവിധാനം രൂപകൽപ്പന ചെയ്ത ലൂയി റിച്ചാർഡ്സൺ എന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞൻ, ആഗോളതലത്തിൽ അന്തരീക്ഷപ്രവചനം നടത്താൻ, ഏതാണ്ട് 64000 മനുഷ്യർ ഇടതടവില്ലാതെ ജോലിനോക്കുന്ന ഒരു ഫാക്ടറി മനസ്സിൽ കണ്ടിരുന്നു. കണക്കുകൂട്ടുവാൻ ഇത്രയധികം മനുഷ്യർക്ക് പകരം ഇത്രയുംപേരുടെ ജോലിചെയ്യുന്ന അനേകം കമ്പ്യൂട്ടർ പ്രൊസസ്സറുകളാണ് നാം ഇന്ന് ഉപയോഗിക്കുന്നത്. അതായത്, ഒരു workforce വിഭാവനം ചെയ്യുന്നതിൽ റിച്ചാർഡ്സണ് അധികം തെറ്റിയില്ലെന്നു വേണം കരുതാൻ.

ഇന്ത്യയുടെ സൂപ്പർകമ്പ്യൂട്ടർ പ്രത്യുഷ്. കടപ്പാട് : IITM

കമ്പ്യൂട്ടിങ് മേഖലയിലെ സാങ്കേതികവിദ്യകൾ മെച്ചപ്പെടുന്നതുവഴി മറ്റു പല മേഖലകളിലേയും ഗവേഷണ പദ്ധതികൾ വേഗത്തിൽ, കൂടുതൽ കാര്യക്ഷമമായി തീർക്കുന്നതിനുള്ള അവസരമാണ് ഒരുങ്ങുന്നത്. മറ്റൊന്ന്, മുൻപില്ലാത്തവിധം സങ്കീർണ്ണമായ സിമുലേഷനുകൾ വരെ ഇന്ന് ശാസ്ത്രജ്ഞർക്ക് ഡിസൈൻ ചെയ്യുവാനും അതുവഴി പുതിയ അറിവുകളിലേക്ക് എത്തിച്ചേരുവാനും കഴിയുന്നു. കമ്പ്യൂട്ടിംഗിൽ ഇപ്പോൾ ലോകം ഉറ്റുനോക്കുന്ന ഒരു പ്രധാന സാങ്കേതികവിദ്യ ക്വാണ്ടം കമ്പ്യൂട്ടിങ് (quantum computing) ആണ്. ക്വാണ്ടം ഫിസിക്സിലെ സൂപ്പർപോസിഷൻ. എന്ടാങ്കിൾമെന്റ് (superposition, entanglement) എന്നീ തത്വങ്ങൾ അടിസ്ഥാനപ്പെടുത്തിയാണ് ക്വാണ്ടം കമ്പ്യൂട്ടറുകൾ പ്രവർത്തിക്കുക. ഇന്ന് നിലവിലുള്ള ഏറ്റവും വേഗമേറിയ conventional കമ്പ്യൂട്ടർ പതിനായിരത്തോളം വർഷങ്ങൾ എടുത്തേക്കാവുന്ന ഒരു ടാസ്ക് (random number generation മായി ബന്ധപ്പെട്ട ഒന്ന്), ഗൂഗിൾ വികസിപ്പിച്ച Sycamore എന്നു പേരിട്ട ക്വാണ്ടം ചിപ്പിൽ പ്രവർത്തിക്കുന്ന കമ്പ്യൂട്ടർ വെറും 200 സെക്കന്റുകൾ മാത്രമെടുത്തു ചെയ്തതായി കഴിഞ്ഞ വർഷം അവകാശപ്പെട്ടു (Quantum supremacy). പിന്നാലെ, അത്തരമൊരു ടാസ്കിന് 10000 വർഷമൊന്നും വേണ്ടതില്ലെന്നും തങ്ങളുടെ Summit എന്ന സൂപ്പർകമ്പ്യൂട്ടറിനു രണ്ടര ദിവസം മതിയാവുമെന്നും IBM തിരുത്തി. എങ്കിലും, 200 സെക്കന്റും 2.5 ദിവസവും തമ്മിൽ വലിയ വ്യത്യാസമുണ്ട്. മറ്റൊരു മേഖല സ്പിൻട്രോണിക്‌സ് (spintronics) ആണ്. സ്പിൻ-ഇലക്ട്രോണിക്സ് (spin-electronics) എന്നതിന്റെ ചുരുക്കെഴുത്താണ് സ്പിൻട്രോണിക്സ്. നിലവിൽ ഇലക്ട്രോണിന്റെ ചാർജുമായി ബന്ധപ്പെടുത്തിയാണ് പ്രധാനമായും ഇലക്ട്രോണിക് ഡിവൈസുകൾ പ്രവർത്തിക്കുന്നത്. എന്നാൽ ഇലെക്ട്രോണിന്റെ spin എന്ന സ്വഭാവം കൂടി ഉപയോഗപ്പെടുത്താമെന്ന് കണ്ടെത്തിയതോടെ, ഇപ്പോൾ സ്പിൻ അടിസ്ഥാനപ്പെടുത്തി പ്രവർത്തിക്കുന്ന കൂടുതൽ വേഗമേറിയ, കാര്യക്ഷമമായ മെമ്മറി ഡിവൈസുകളും മറ്റും വികസിപ്പിച്ചുവരുന്നു.