המירוץ אחר מחשב העל הישראלי

חברות ישראליות מעורבות בבניית מאות מחשבי על בעולם, אבל לישראל אין מחשב על משלה. "מחשבי על הכרחיים כיום בכל תחום. אם ישראל לא תבנה מחשב על בקרוב, היא עלולה לאבד את יכולת הקיום העצמאית שלה", מזהירים המומחים

מחשב-על (אילוסטרציה: Dreamstime)

מחשב על מורכב משלושה קודקודים: שרתים, רשת מהירה שתחבר ביניהם, ויישומים שידעו איך לעבוד על הארכיטקטורה.

"הרעיון הוא לקחת בעיה ולפרק אותה לכמה בעיות קטנות, כאשר כל תת בעיה רצה על מחשב אחר. היכולת להשתמש בכל יחידות העיבוד לפתרון אותה בעיה, היא המהות של מחשב על", אומר מיכאל כגן, ה-CTO של חברת מלאנוקס. "אחד האתגרים העיקריים בתחום הוא לצמצם ככל הניתן את משך העברת הנתונים בין יחידות החישוב. כיום, זמן זה עומד על פחות ממיקרו שניה (750 ננו שניות), עם הציוד החדיש ביותר שלנו, בתנאי שיחידות החישוב מותקנות באותו חדר".

"מה שהופך אוסף של שרתים למחשב על זו העובדה שהם יכולים לעבד ביחד את אותה בעיה. אם תקח למשל פארק תעשייה, האם כל השרתים באותו פארק נחשבים למחשב על? מבחינת כוח עיבוד כן. אבל היות ומדובר על 'איי' עיבוד בלתי תלויים שאינם מאוגדים בכדי לבצע פעילות משותפת, זה לא מחשב על", מוסיף כגן. "ההגדרה הרווחת היום למחשב על היא יכולת עיבוד של 100 טרה פלופ ומעלה". (המחשב הראשון ברשימת 500 מחשבי העל בעולם נמצא ביפן ומציג ביצועים של 10.51 פטה פלופ. הוא בנוי מ88,000 מעבדים מסוג SPARC64).

בעיית המרחק

"ברגע שיחידות החישוב רחוקות מזו מזו אנו תלויים במהירות האור", ממשיך כגן. "אם תקח מחשב בישראל ואחד בארה"ב, תקבל שיהוי של כמה אלפיות שניה בגלל קצב ההתפשטות של האות האופטי".

כאשר מדברים על מרחק, נהוג להתייחס לשני שימושים עיקריים של מערכת HPC: סוג אחד של מחשב על נועד לפתור בעיה אחת כמו במחקר מדעי או פיתוחים ביטחוניים (במקרה זה צריך תקשורת מאד מהירה ולכן יחידות העיבוד צריכות להיות קרובות זו לזו), ואילו סוג שני מיועד לפתור בעיות גדולות המורכבות ממספר בעיות קטנות ואז כל יחידת מחשוב (חוות שרתים לצורך העניין) לא חייבת להיות באותו מקום, כאשר כל אחת עובדת על חלק מהבעיה, ויש כל הזמן סנכרון בין יחידות העיבוד השונות.

אחת הדוגמאות לפתרון מבוזר היא המערכת של גוגל, המריצה יישום אחד על פני יחידות עיבוד שונות, הפרוסות במספר חוות שרתים במקומות שונים בעולם. "הם עושים זאת כך שכל בקשה ממשתמש מגיעה לחווה הכי קרובה אליו גיאוגרפית ושם מתבצע העיבוד", אומר כגן. "במקביל, מתבצע סנכרון נתונים בין כל החוות בעולם במחזורים של כמה אלפיות שניה. מנקודת מבט של משתמש הקצה זה כמו זמן אמת".

מה עושים עם מחשב על?

"כשמדברים על מחשבי על הכוונה היא לאשכולות של שרתים ומחשבים מרובי מעבדים שמחוברים יחדיו. צבר המחשבים כולל עשרות אלפי מעבדים, המאפשרים לבצע פעולת חישוביות מורכבות ביותר, שמכילות נתונים רבים בבת אחת, זאת לטובת שימושים שונים וביניהם לוחמת סייבר (הגנה והתקפה - פענוח והגנה על צפנים), מחקר, סימולציות וניסויים (כולל בנשק גרעיני), חיזוי מזג אוויר ועוד. אחת הסוגיות שניתנות לה הכי הרבה מקום כיום היא בעיית עודף המידע, הכמות בלתי נדלית של נתונים, פעולות פיננסיות, שיחות ותמונות שמסתובבות ברשת", אומר איל ולדמן, מייסד ומנכ"ל חברת מלאנוקס.

ואילו גלעד שיינר, המכהן כיו"ר HPC Advisory Councilוגם כדירקטור במלאנוקס, אומר כי השימוש במחשבי על נוגע לחיים של כל אחד מאיתנו. הרבה יותר ממה שאנו יודעים. "כל מה שנוגעים בו פותח על ידי מחשבי על", אומר שיינר. "מרבית המוצרים שכל אחד מאיתנו משתמש בהם בחיי היום יום מפותחים באמצעות סימולציות שרצות על מחשבי על, מפחית הקולה, דרך בקבוקי פלסטיק של חומרי ניקוי, בגדי ים של ספידו, מזגנים, מכוניות, מטוסים, סימולציות CFD וCAD ועד מחקר בתחום הביולוגיה והפיסיקה. אם לוקחים את זה לכיוון הביטחוני, אפשר להוסיף לרשימה גם ניסויי טילים והדמיות של פיצוצים. מחשבי על מגיעים היום עד פתח הבית".

גם אם בוחנים את השימוש השגרתי שעושה כל משתמש ביתי, מבינים כי מחשב על הוא כורח המציאות. אם פעם כל הפעילות הייתה מתבצעת על המחשב האישי וגם המידע היה נשמר עליו, היום הכל עובר לרשת במודל ענן. "כאשר אתה ניגש לשירותים כמו גוגל, פייסבוק או אמזון אתה לא יודע על איזה מחשב אתה נמצא ואיפה הוא ממוקם. מבחינתך כמשתמש זה שקוף. בדיוק כמו במקרה של חשמל בבית. אתה לא באמת יודע מאיזו טורבינה אתה מקבל את האלקטרונים וזה לא מעניין אותך. הבסיס לכל מחשוב הענן הוא מחשבי על", אומר מיכאל כגן.

"כסף קטן גדול"

"מחיר הקמה של מחשב על הוא כ-10 מליון דולר", אומר כגן. "כסף קטן במונחים של תקציב ממשלתי. צריך להבין שמדובר בפרוייקט לאומי שישרת את המגזר התעשייתי, האקדמי והצבאי. אפשר לראות מדינות כמו ארצות הברית, סין, יפן, צרפת ושוויץ, המובילות עם מחשבים בראש רשימת 500 מחשבי העל המהירים בעולם. זה לא סתם. מי שלא יהיה לו מחשב על, לא יהיה תחרותי וימצא את עצמו תלוי במדינות אחרות. עלות ההקמה והתחזוקה היא שולית ביחס לצורך האמיתי של ישראל בכוח עיבוד".

אחד הפרדוקסים בתחום מחשבי העל הוא שחברה ישראלית כמו מלאנוקס נמצאת עם הציוד שלה בחמישה מתוך עשרת מחשבי העל המהירים ביותר בעולם וב-42 אחוזים מתוך רשימת 500 מחשבי העל החזקים ביותר, ובישראל אין אפילו מחשב על אחד רשמי. גם אם יש מחשב כזה במגזר הביטחוני, הוא אינו נגיש למגזר העסקי ולא לאקדמיה.

במאלונקס מפתחים ומייצרים ציוד תקשורת למערכות HPC על בסיס טכנולגיות InfiniBand ו Ethernet, עם יכולת לספק בכרטיס אחד 16 מליון ערוצי I/O וירטואלים ורוחב פס של 56 גיגהביט ובקרוב גם מאה. עובדה זו מאפשרת לכל יישום לקבל ערוץ I/O משלו או לפעמים כמה ערוצים ובשונה ממחשבים רגילים, התחרות בין היישומים השונים על משאבי הרשת והמעבד כמעט ואינה קיימת במערכות אלו.

"אנו מבצעים Offload של כל הפעולות שאינן פעולות חישוב גרידא מהמעבד לכרטיס הרשת ומאפשרים לאפליקציות לנצל את יכולת החישוב של המעבד בצורה יעילה יותר", אומר כגן.

במילים אחרות, הטכנולוגיה של מלאנוקס מאפשרת לקבל יותר ביצועים מיחידת העיבוד ובכך מאפשרת יישומים הצורכים יותר כוח עיבוד כמו המפות של בינג, WAZE או סימולטורים. "כמו שהיום אומרים תקשורת ומיד 'קופץ' סיסקו לראש, בעוד כמה שנים יגידו interconnect ויקפוץ מלאנוקס", אומר כגן. צריך לזכור כי ברגע שכוח העיבוד אינו מהווה צוואר בקבוק, הטכנולוגיה בעולם מתקדמת. לא סתם הצהירה חברת אורקל כי היא בונה את העתיד שלה על טכנולוגיה של מלאנוקס ורכשה כ-10 אחוז ממניות החברה. גם מיקרוסופט משתמשת בטכנולוגיית החברה בגרסת 8 Windows שעתידה לצאת השנה וכך גם מספר רב של מערכות HPC מסביב לעולם.

לפי כגן, מלאנוקס היא הקטר שדוחף את תעשיית הטכנולוגיה העולמית קדימה, באמצעות הגברת כוח המחשוב הקיים: "ההבדל בין זמן הגישה למשאבים במחשב מקומי לעומת גישה למשאבים במחשב מרוחק דרך הרשת היה פי 1000 בערך. כיום, ההבדל הוא קצת פחות מפי שניים. במציאות הזו, הרשת אינה מהווה מגבלה וניתן לחלק את הבעיה ליחידות החישוב הקיימות בצורה היעילה והכדאית ביותר. חברת אורקל למשל עברו לציוד שלנו ועל רשת מהירה פי 4 הצליחו לקבל ביצועי DB מהירים עשרות מונים, באמצעות גישה מהירה יותר של יישומים למשאבי הרשת" .

ישראל מאחור 

"מחשב-על הוא אמצעי הכרחי למדינת ישראל כיום, גם מבחינת הגנה וגם לטובת מחקר", אומר איל ולדמן. "מדינה שלא תחזיק במחשב על, תאבד את העצמאות שלה, היות ותהיה תלויה במדינות אחרות. זה מה שקורה היום בישראל", אומר גלעד שיינר. "יש לנו אקדמיה פורצת דרך, אבל את החישובים עושים על מחשבים בחוץ לארץ". כגן טוען כי פיתוח מחשבי על זה צורך קיומי של המדינה באותה מידה כמו שיש צבא, חשמל ואקדמיה. "ילדים חיים היום על תשתיות מחשוב. לפתוח מחשב זה כמו לפתוח אור בחדר. זה החיים שלנו. ומאחרי הדפדפן שאתה פותח יש מחשב על".

ומה קורה אצל השכנים? "אני מניח שיש מדינות ערביות שכבר מחזיקות ביכולות האלה. גם איראן צריכה מחשב גדול, לטובת התכנית הגרעינית שלה", אומר ולדמן. "לגודל המחשב ולאיכותו יש קשר ישיר ליכולת שלך להגן על עצמך ולתקוף. במסגרת פעילות סייבר התקפית אתה יכול לחדור להרבה יותר מקומות, ומנגד, אם תוקפים אותך, במידה ויש לך מחשב שהוא יותר חזק ויותר חכם, יש לך סיכוי להיות צעד אחד לפני אלה שמנסים לתקוף אותך".

יעקב נגל, שעמד בראש ועדה שבדקה את נושא מחשוב העל בישראל, במסגרת המיזם הקיברנטי הלאומי שבעקבות מסקנותיו הוקם מטה הסייבר הלאומי, אומר כי "בישראל אין כרגע מחשבי-על אמיתיים, למרות שיש לנו את היכולת להיות מובילים בעולם בנושא זה. במצב הקיים – גם כאשר יש ידע לגבי מחשוב על, אף אחד לא יודע כיצד להשתמש בו. חייבים לטפל בפער בין היכולת הקיימת ובין מימושה".

מנחושת לאופטיקה

גלעד שיינר אומר כי המחקר כיום מתמקד בעיקר במעבר מנחושת לאופטיקה ברכיבים עצמם בתחום הקרוי photonics. "אם אנחנו מדברים על מהירויות של 50–60 גיגהביט לשנייה כיום, הרי שבעוד שנתיים נגיע ל-100 גגהביט. את זה עדיין אפשר לספק בנחושת במרחק של 2-3 מטרים, ואחר כך באופטיקה. אבל, אם מסתכלים גם חמש ועשר שנים קדימה, מדובר יהיה על מהירויות של 400 גיגהביט, שיתמכו ברמת ביצועים של אקסה פלופ ויותר. בשביל זה צריך אופטיקה". לגבי פיתוחים אחרים של מחשבים על מצע ביולוגי או מחשבים המבוססים על מכניקת הקוואנטים כמו אלו של חברת dwavesys, שיינר אומר כי מדובר בשלבים ראשוניים של מחקר ופיתוח ויקח לפחות עוד שנתיים או שלוש עד שמחשבים אלו יהפכו להיות מסחריים."אין ספק כי ישראל צריכה לבנות מחשב על בזמן הקרוב. לא צריך לחכות למחשב הקוואנטי או לזה שיבוא אחריו", הוא מוסיף.

אחת הסיבות לכך שאין מחשב כזה היא העובדה שישראל אינה חתומה על האמנה לאי הפצת נשק גרעיני (NPT): במשך שנים רבות ארצות הברית הטילה הגבלות קשות על היצוא של מחשבי-על לישראל, מחשש שאלה ישמשו לפיתוח נשק גרעיני.

דעה אחרת מושמעת על ידי כגן: "כוח העיבוד של מחשב על הוא שווה ערך מבחינת החשיבות שלו לחשמל שזורם בשקעים של כל אחד בבית. הבעיה היא שאין מספיק מודעות לנושא בארץ. אם היו מחליטים ברמה לאומית שצריך מחשב על – היה מחשב על. בישראל יש את הידע והיכולת להיות אחת המובילות בעולם בתחום. זה רק עניין של החלטה", הוא אומר ומספר על פגישה שהייתה לו עם פרופסור בטכניון, שסיפר לו כי יש להם מנהרת רוח לבדיקת כנפיים של מטוסים. "זו בדיחה", הוא אומר בצער. "מי בונה מנהרות רוח בעידן של מחשבי על?".

***
הכתבה פורסמה לראשונה בגיליון הראשון של המגזין ישראל דיפנס-טק