Siêu máy tính Mac của Virginia Tech: System X và System G

Siêu máy tính dựng từ Mac: câu chuyện System X và System G của Virginia Tech

Khi nhắc đến trung tâm dữ liệu ngày nay, người ta thường hình dung những dãy rack chất đầy GPU do Microsoft, Google, Amazon hay Meta vận hành, phục vụ các phòng thí nghiệm AI như OpenAI và Anthropic. Nhưng hai thập kỷ trước, một trường đại học đã chứng minh điều ngược lại: có thể dựng siêu máy tính từ máy tính để bàn thương mại, cụ thể là các máy Mac, mà vẫn đạt thứ hạng hàng đầu thế giới.

System X: 1.100 chiếc Power Mac G5 và 5,2 triệu USD

Mùa hè năm 2003, Virginia Tech lắp ráp System X (đọc là "System Ten") từ 1.100 chiếc Power Mac G5, với mục tiêu đạt 10 teraflop. Đến mùa thu cùng năm, cỗ máy xếp thứ ba trong danh sách những siêu máy tính nhanh nhất thế giới và nhanh nhất tại một cơ sở học thuật.

Điểm đáng chú ý nhất là chi phí: tổng cộng 5,2 triệu USD, trong khi Earth Simulator — siêu máy tính nhanh nhất thời điểm đó — tiêu tốn tới 400 triệu USD.

Mỗi node chạy Mac OS X, khởi đầu với phiên bản 10.2.7 và dự kiến nâng lên Panther. Cấu hình từng máy gồm hai vi xử lý 2,0 GHz, 4 GB RAM DDR400, ổ cứng Serial ATA 160 GB và card Mellanox InfiniBand PCI-X để kết nối tốc độ cao giữa các máy. Một chi tiết quan trọng: Power Mac G5 không hỗ trợ bộ nhớ ECC (Error Correcting Code — bộ nhớ có khả năng tự sửa lỗi bit) — điều này sẽ có hệ quả về sau.

Tiến độ triển khai rất nhanh theo tài liệu FAQ của trường:

• Quy hoạch bắt đầu tháng 1/2003, cải tạo cơ sở vật chất từ đầu tháng 8 và hoàn tất ngày 23/9/2003.
• Máy tính đến trong sáu chuyến hàng trong bảy ngày, mỗi chuyến được đưa vào rack trong chưa đầy 2 giờ với tối đa 30 tình nguyện viên mỗi ca.
• Khoảng 1.200 kết nối Ethernet hoàn thành trong dưới 14 ngày bởi nhóm bốn người.
• Khoảng 1.700 kết nối InfiniBand bắt đầu ngày 13/9/2003 và hoàn tất trong 10 ngày với nhóm năm người.

Sam Davies, khi đó là sinh viên và đại diện Apple tại Virginia Tech, kể lại rằng 1.100 chiếc G5 đầu tiên rời dây chuyền của Apple được hàng loạt giảng viên, nhân viên và sinh viên tình nguyện bốc khỏi xe tải, mở hộp và đưa vào rack. Chỉ một chiếc trong lô không dùng được — vì bị một nhân viên bán hàng của Apple làm rơi.

Xserve G5: giải bài toán mật độ

Nhồi hàng trăm thùng máy tower vào rack không hiệu quả về không gian. Tháng 1/2004, Apple giới thiệu Xserve G5 — máy chủ dạng rack 1U dùng chính vi xử lý PowerPC G5 64-bit, cung cấp hơn 30 gigaflop mỗi hệ thống, cao hơn khoảng 60% so với Xserve G4.

Xserve G5 mang theo điểm mà bản Power Mac thiếu: bộ điều khiển hệ thống mới hỗ trợ tới 8 GB bộ nhớ PC3200 ECC, ba module ổ Serial ATA hot-plug (tối đa 750 GB), RAID phần cứng tùy chọn, hai khe PCI-X và hai cổng Gigabit Ethernet tích hợp. Giá khởi điểm 2.999 USD.

Tháng 1/2004, nhóm của Virginia Tech tháo dỡ System X bản Power Mac trong sáu ngày. Mùa hè năm đó, hệ thống được dựng lại bằng 1.100 máy Xserve G5 dual 2,3 GHz và sáu Xserve RAID. Những máy 2,3 GHz này do Apple sản xuất riêng cho Virginia Tech — công chúng phải đến tháng 1/2005 mới mua được. Mỗi máy có 4 GB RAM ECC và ổ Serial ATA 80 GB. Lý do nâng cấp được nhà trường nói rõ: "Chúng tôi cần nâng cấp hệ thống lên loại có RAM ECC. Power Mac không hỗ trợ, còn Xserve thì sắp có."

Phiên bản mới đạt 12,25 teraflop, xếp thứ 7 trong danh sách TOP500 năm 2004, với chi phí chỉ bằng một phần năm hệ thống rẻ thứ nhì trong top 10.

"Khi dựng siêu máy tính đầu tiên từ Power Mac G5, chúng tôi đã chứng minh rằng một công nghệ truyền thông hoàn toàn khác có thể được dùng để tạo ra một nền tảng tính toán quy mô lớn" — Tiến sĩ Srinidhi Varadarajan, giám đốc Terascale Computing Facility và là kiến trúc sư trưởng của hệ thống.

System G: bước sang kỷ nguyên Intel, lấy "xanh" làm trọng tâm

Đến giữa năm 2007, System X tụt xuống vị trí 71 trong TOP500. Tháng 11/2008, hệ thống kế nhiệm System G đi vào hoạt động, gồm 324 chiếc Mac Pro, mỗi máy hai vi xử lý Intel Xeon 4 nhân 2,8 GHz (tổng cộng 2.592 nhân) và 8 GB RAM.

System G ra mắt ở vị trí 280 trong TOP500 tháng 11/2008 với điểm Linpack 16,87 teraflop, dù Virginia Tech công bố hiệu năng bền vững 22,8 teraflop. Chi phí: 1,2 triệu USD.

Nhóm nghiên cứu chọn Mac Pro thay vì Xserve vì vài lý do. Xserve có mật độ công suất cao, đòi hỏi nhiều làm mát để tránh điểm nóng cục bộ, trong khi System G được đặt trong phòng làm mát bằng không khí thông thường. Mac Pro có sẵn nhiều cảm biến công suất và nhiệt độ — cần thiết cho nghiên cứu tối ưu hiệu năng — cùng một khe PCI Express 2.0 full-height cho các dự án khác. Và theo Varadarajan, Mac Pro còn thắng cả về giá so với việc tự lắp máy trắng từ linh kiện rẻ nhất.

Đây là siêu máy tính đầu tiên chạy trên InfiniBand QDR (40 Gb/s) và là hệ thống nghiên cứu nhận biết công suất (power-aware) lớn nhất thời điểm đó. Hàng nghìn cảm biến công suất và nhiệt độ cho phép nhóm nghiên cứu phát triển thuật toán và phần mềm hệ thống đạt hiệu năng cao với yêu cầu năng lượng khiêm tốn.

Kirk W. Cameron, phó giáo sư khoa học máy tính, mô tả: "Nó mạnh gấp đôi, nhỏ bằng một phần ba và dùng một phần ba điện năng." Ông đến Virginia Tech năm 2004, ngay sau khi System X khai trương, và nhận ra nhu cầu tiết kiệm điện khi mà "điện toán xanh" (green computing) còn chưa phải khẩu hiệu của ngành.

Khác với System X phục vụ toàn trường, System G là máy nghiên cứu khoa học máy tính thuộc Trung tâm Máy tính Hiệu năng cao (CHECS), được Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF) tài trợ một phần và đặt tại Corporate Research Center của trường. Nhóm nghiên cứu thu thập dữ liệu từ cảm biến nhiệt tích hợp trong Mac Pro, ghi lại điện áp và dòng điện vào rack, cùng dữ liệu môi trường phòng máy, rồi tổng hợp thành thông tin đọc được để tối ưu hiệu quả.

Di sản để lại

Cả hai hệ thống đều đã ngừng hoạt động, nhưng dấu ấn vẫn còn. Chọn phần cứng Mac để dựng siêu máy tính không phải chuẩn mực, nhưng công trình của Varadarajan và Cameron đã chứng minh có thể làm được, và làm trong giới hạn ngân sách.

System X không phải hệ thống Mac duy nhất theo hướng này. Tháng 1/2005, Đại học Bowie State (Maryland) ra mắt XSEED, cụm 224 Xserve G5 trị giá 1 triệu USD. Cùng thời gian, Đại học Illinois tại Urbana-Champaign có Turing Xserve Cluster với 640 máy Xserve G5 dual 2,0 GHz, còn UCLA có Dawson, khởi đầu với 128 Xserve G5.

Di sản của System G nằm ở trọng tâm về tiêu thụ điện năng. Cameron là thành viên sáng lập SPECpower, góp phần tạo ra danh sách Green500 và thúc đẩy ngành siêu máy tính coi hiệu năng trên mỗi watt là thước đo quan trọng khi thiết kế hệ thống. Ông vẫn là giảng viên tại Virginia Tech.

Góc nhìn

Câu chuyện System X và System G cho thấy một bài học vẫn còn nguyên giá trị: phần cứng thương mại phổ thông, kết hợp với kiến trúc mạng tốc độ cao và phần mềm phù hợp, có thể đạt hiệu năng mà trước đó chỉ hệ thống đặt riêng mới làm được. Với kỹ sư Việt Nam, đây là lời nhắc rằng hạ tầng tính toán lớn không nhất thiết bắt đầu từ phần cứng đắt tiền nhất — nút thắt thường nằm ở kết nối giữa các node, độ trễ và cách quản lý tài nguyên.

Việc Virginia Tech buộc phải thay toàn bộ máy vì thiếu ECC cũng là bài học về độ tin cậy: với khối lượng tính toán đủ lớn, một lỗi bit hiếm gặp cũng đủ làm sai kết quả, và chi phí thay thế luôn đắt hơn chi phí mua thiết bị đúng chuẩn từ đầu. Còn hướng đi của System G — đo đạc công suất đến từng CPU và điều chỉnh theo tải — chính là tư duy mà các trung tâm dữ liệu hiện đại vẫn đang theo đuổi khi bài toán chi phí vận hành ngày càng lấn át chi phí mua sắm.