HPC (high-performance computing) tarkoittaa suurteholaskentaa. Suurteholaskennassa ratkaistaan tieteellisesti haastavia ongelmia supertietokoneiden valtavan laskentakapasiteetin avulla. Supertietokone kykenee laskemaan tuhansia biljoonia laskutoimituksia sekunnissa.

Tietokonesimulaatioiden avulla voidaan tutkia esimerkiksi ilmastonmuutosta ja jäätiköiden sulamista, ratkaista uusiutuvaan energiaan ja fuusioenergiaan liittyviä kysymyksiä sekä etsiä uusia entistä tehokkaampia lääkeaineita moniin sairauksiin. Digitalisaatio ja kasvavat datamäärät ovat tuoneet myös humanistit ja yhteiskuntatieteilijät laskennallisten menetelmien käyttäjiksi.

Laskennallinen tiede on Suomessa korkeatasoista. Suomessa tutkijoiden käytössä ovat suuret kansalliset tietokoneresurssit. Nämä yhdistyvät pienempiin, korkeakoulujen omiin hajautettuihin laskentaresursseihin ja kansainvälisiin todella suuriin laskentaresursseihin.

Suomi ja  kahdeksan muuta maata isännöivät pian yhtä maailman tehokkainta supertietokonetta, kun EuroHPC-hankkeen LUMI-supertietokone sijoitetaan Suomeen Kajaanissa sijaitsevaan datakeskukseen. LUMI tulee olemaan yksi aikansa tunnetuimmista tieteellisistä instrumenteista.

Tieteen kansallisesta kilpailukyvystä on pidettävä jatkuvasti huolta. Omat supertietokoneet ja maailman huipputason resurssit mahdollistavat osaavan tutkijayhteisön muodostumisen, kansainvälisen yhteistyön ja pääsyn todella suuriin laskentaresursseihin.

Eurooppalainen suurteholaskennan yhteistyö on kriittinen menestystekijä Suomelle. Se lisää kilpailukykyä ja tuottavuutta. Supertietokoneet, datan hyödyntäminen ja laskennallinen tiede ovat avainasemassa, kun etsimme ratkaisuja ihmiskunnan suuriin haasteisiin.

HPC:n tuomat edut tutkimukselle

Supertietokone on tietokone, joka on suorituskyvyltään maailman nopeimpien tietokoneiden joukossa. Yhtenä kriteerinä pidetään pääsyä maailman supertietokoneiden top500-listalle. Supertietokoneen elinikä on tyypillisesti neljästä kuuteen vuotta.

Supertietokoneen teho ei riipu pelkästään suorittimien tehosta ja määrästä, sillä koneen sisäinen suorittimien välinen nopea kytkentäverkko on myös keskeisessä asemassa.

Supertietokoneet ovat kuin tietokoneiden Formula 1 -autoja: ne suorittavat laskutoimituksia miljoonia kertoja nopeammin kuin normaalikäytössä olevat tietokoneet. Erittäin suurta laskentatehoa tarvitaan huippututkimuksen tekoon monilla data- ja laskentaintensiivisillä tieteenaloilla, esimerkiksi lääkeainetutkimuksessa ja ilmastotieteissä.

Supertietokoneet soveltuvat moneen. Ne ovat kuin teleskooppeja: niiden avulla voidaan simuloida esimerkiksi maailmankaikkeuden alkuräjähdystä ja tähtien elinkaarta.

Supertietokoneet ovat kuin mikroskooppeja: niiden avulla voidaan simuloida esimerkiksi aineen elektronirakennetta, molekyylitason tapahtumia ja solukalvojen toimintaa.  

Supertietokoneet ovat myös kuin aikakoneita: simuloimalla menneitä sääolosuhteita voidaan paremmin ennustaa tulevia sääilmiöitä ja auttaa ratkaisemaan esimerkiksi ilmastonmuutokseen liittyviä kysymyksiä. Supertietokoneiden avulla laajennetaan tieteellisen tutkimuksen rajoja. Ilman supertietokoneita mallinnukset kestäisivät hyvin pitkään tai tutkimus olisi kokonaan mahdotonta tehdä.

Perinteinen HPC

Tieteellisellä laskennalla on pitkät perinteet. Loppusyksyllä 1989 otettiin käyttöön kauan odotettu uutuus: Suomen ensimmäinen supertietokone Cray X-MP.

Näistä päivistä alkaen, jo 30 vuoden ajan, suomalaisten korkeakoulujen ja tutkimuslaitosten tutkijat ovat ratkaisseet tieteellisiä ongelmia matemaattisen mallinnuksen, suurteholaskennan ja supertietokoneen avulla.

Perinteisesti suurteholaskentaa on käytetty muun muassa fysiikan virtauslaskennassa ja kemian molekyylidynamiikkasimulaatioissa.

Uudet alat

1980-luvulla supertietokoneita käyttävä tutkijajoukko laajeni. Suurteholaskenta nosti päätään niin nanotieteen tutkimuksissa kuin tiheysfunktionaaliteorioita hyödyntävien tutkimusten parissa.

1990-luvulla bioinformatiikan tutkijat nousivat merkittäväksi suurteholaskentaa käyttäväksi tutkijajoukoksi ja esimerkiksi geeniteknologian alalla otettiin harppauksia eteenpäin.

2000-luvun nousija suurteholaskennan parissa on digihumanismi. Nykyinen digitalisaatio avaa yhteiskuntatieteilijöille ja humanisteille uusia mahdollisuuksia. Vaikka yhteiskuntatieteilijät ja humanistit ovat käyttäneet jo kauan tilastotiedettä, rekisteridataa ja sähköisiä kieliaineistoja, vasta nykyinen digitalisaatio avaa heille aivan uusia mahdollisuuksia tehdä tutkimusta. Data-aineistojen määrän kasvun, aineistojen saatavuuden parantumisen ja datatieteen menetelmien kehittymisen myötä myös yhteiskuntatieteilijät ja humanistit ovat ryhtyneet tieteen laskennallisten menetelmien käyttäjiksi, digihumanisteiksi.

Kvanttilaskenta

Kvanttitietokoneet eivät ole enää pelkkää spekulaatiota tai scifiä. Lokakuussa 2019 Googlen Sycamore-tietokoneen kehittäjät kertoivat laskentaoperaatiosta, josta kvanttitietokone oli ensimmäisen kerran suoriutunut ylivertaisesti nopeammin kuin tehokkaimmat perinteiset super­tietokoneet.

Toistaiseksi kvanttitietokoneita ei ole hyötykäytössä. Tietotekniikka-alan jätit pyrkivät kehittämään omia kvanttikoneitaan ja kilpajuoksu on kovaa.

Mikä kvanttitietokone oikeastaan on? Se on tietokone, jonka avulla voidaan ratkaista  tiettyjä ongelmia huomattavasti perinteisiä tietokoneita nopeammin. Tavallinen tietokone käyttää laskennassa bittejä. Jokainen bitti sisältää joko ykkösen tai nollan, ja laite suorittaa laskutoimitukset bittien arvoja muuttamalla.

Kvanttitietokoneen toiminta perustuu kubitteihin.  Yksi kubitti voi sisältää joko ykkösen, nollan tai näiden niin kutsutun superposition, jolloin kummankin toteutumiselle on oma todennäköisyytensä. Superpositio ei vielä yksikseen riitä, vaan kvanttilaskentaan tarvitaan sekä tilojen superpositio että niiden lomittumisena tunnettu kvantti-ilmiö. Siinä kvanttitilat voivat olla kytkeytyneitä toisiinsa tavalla, jolla ei ole vastaavuutta arkimaailmassa. Suuri määrä mahdollisia tiloja sallii kvanttitietokoneiden suorittaa suuren määrän laskutoimituksia paljon nopeammin kuin mihin bitteihin perustuvat tietokoneet pystyvät.

Kvanttitietokoneet eivät sovellu mihin tahansa laskutehtäviin eikä niistä tule perinteisten tietokoneiden korvaajia kaikissa tapauksissa. Niistä voi tulla ylivoimaisia tehtävissä, joissa on yksinkertainen vastaus, mutta läpikäytävänä valtava määrä mahdollisuuksia.

Kansainvälinen yhteistyö

Yliopistot, tutkimuslaitokset ja kansalliset laskentakeskukset tarjoavat laskentaresursseja, jotka riittävät useimpien kotimaisten tutkimusprojektien tarpeisiin. Kun puhutaan eri alojen huippututkimuksesta, on tilanne tyystin eri. Mikäli halutaan pysyä maailmanlaajuisen tutkimuksen kärjessä, tarvitaan maailman nopeimpia tietokoneita.

Euroopassa on puhallettu yhteen hiileen suurteholaskennan alalla Euroopan unionin tukemana jo reilun viidentoista vuoden ajan. Eurooppalainen yhteistyö on ollut avaintekijä myös suurteholaskennan seuraavan askeleen muotoutumisessa. Yksi maailman tehokkaimmista supertietokoneista, EuroHPC-hankkeen LUMI-supertietokone sijoitetaan CSC:n Kajaanin datakeskukseen. LUMI on Euroopan unionin ja kymmenen maan yhteinen ponnistus. Suomen ja yhdeksän muun maan muodostama LUMI-konsortio on esimerkki uudentyyppisestä HPC-investoinnista: maat investoivat yhdessä EU:n tukemana yhteen huippuluokan supertietokoneeseen, joka sijoitetaan yhteen maahan.

EuroHPC:n myötä jatkuu eurooppalainen suurteholaskennan yhteistyö, josta suomalaiset tutkijat ovat jo hyötyneet vuosien saatossa merkittävästi. Investoinnin myötä CSC:n datakeskuksesta tulee yksi maailman ja Euroopan suurimpia toimijoita suurteholaskennan saralla.