De rol van grote computers in onze maatschappij

Onze samenleving is afhankelijk van computers. Iedere dag gebruiken we smartphones en tablets om informatie te vinden of met anderen te communiceren. Snelle rekenapparatuur is essentieel voor vele industrieën. Bedrijven zoals Google, Amazon en Meta gebruiken krachtige rekenapparatuur om vragen te beantwoorden, of hun gebruikers de juiste suggesties of advertenties voor te schotelen. Vliegtuigmaatschappijen en vervoersbedrijven hebben snelle computers nodig om hun planning te optimaliseren. Farmaceutische en chemische bedrijven gebruiken rekenapparatuur om nieuwe medicijnen, chemicaliën en materialen te ontwikkelen.

In de wetenschap maken we gretig gebruik van grote en snelle computers. In veel wetenschapsgebieden zijn simulaties op computers een derde pilaar, gezamenlijk met experimenten en theorie. Computers worden gebruikt om virtuele experimenten te doen en nieuwe inzichten te verkrijgen. In mijn onderzoekswereld van (bio)chemie en materialen maken wij gretig gebruik van krachtige computers, de zogenoemde supercomputers, om de kwantumchemische en fysische vergelijkingen door te rekenen. Het doel van deze berekeningen is om nieuwe materialen en chemische processen te ontwikkelen, bijvoorbeeld om betere batterijen en zonnecellen te maken.

De krachtigste computer ter wereld, genaamd Frontier, werd recent in gebruik genomen in Oak Ridge National Laboratory in de Amerikaanse staat Tennessee. Deze computer is in staat om een miljard keer miljard berekeningen, zoals vermenigvuldigingen, per seconde te doen. Dit is de eerste zogenoemde exaflop supercomputer, en meerdere van dit kaliber zullen de komende jaren in actie komen.

Men kan zich afvragen waarom we alsmaar krachtigere en snellere computers nodig hebben. De rekenproblemen die we als wetenschappers nauwkeurig moeten oplossen zijn zeer gecompliceerd. Iedere keer dat een supercomputer groeit kunnen we betere en meer realistische beschrijvingen van de weterschappelijke problemen modeleren, en meer nauwkeurige antwoorden krijgen. Ook de industrie neemt continue snellere computers in gebruik zodat ze steeds sneller nieuwe producten kunnen ontwikkelen.

De ontwikkeling van zulke supercomputers is mogelijk gemaakt door verschillende revoluties in de computerindustrie. Sinds de ontwikkeling van de eerste transistor, de bouwstenen van een computerchip, hebben fabrikanten veel werk verricht om deze bouwstenen kleiner te maken, zodat ze meer van deze rekenelementen op een chip kunnen plaatsen waardoor we sneller kunnen rekenen. Als voorbeeld: de M1 chip van Apple heeft meer dan honderd miljard transistors op een oppervlakte van ongeveer 20 bij 20 millimeter. De kleinste transistors zijn maar 10 tot 20 atomen groot. Veel kleiner kunnen we niet.

De limieten van de verkleining hebben geleid tot de tweede revolutie, het doen van parallelle berekeningen door meerdere rekenchips tegelijk aan te sturen. Dit wordt gerealiseerd door meerdere chips in een computer te stoppen, en door meerdere computers aan elkaar te koppelen via een snel netwerk. Het efficiënt uitvoeren van parallelle berekeningen is niet eenvoudig. Nieuwe programmeermethoden moesten worden ontwikkeld en nieuwe software moest worden geschreven om optimaal gebruik te maken deze technologie.

De laatste revolutie die heeft plaatsgevonden is de adoptie van zogenaamde grafische verwerkingseenheid (afkomstig uit de gigantisch grote gamingindustrie) als rekenchips voor wetenschappelijke en industriële toepassingen. Deze gespecialiseerde rekenchips, we noemen ze GPU’s, kunnen snel grafische afbeeldingen met hoge resolutie en video genereren, maar zijn niet zo veelzijdig als de chips in een gewone computer. Het voordeel van deze GPU’s is dat ze veel efficiënter met energie om gaan. 95% van de rekencapaciteit in eerdergenoemde Frontier-supercomputer maakt gebruik van deze technologie. Net als bij de transitie naar parallelle computers moesten nieuwe methodes en manieren van reken worden ontwikkeld zodat wetenschappelijke en industriële organisaties het meeste uit deze gespecialiseerde rekenapparatuur kon halen.

Nu exascale computers een realiteit zijn, is de vraag hoe veel verder de rekencapaciteit van de volgende generatie computers zou kunnen groeien. Laten we beginnen met een realitycheck. De energie die nodig is om de Frontier-supercomputer te laten werken is 20 megawatt, genoeg om tien- tot twintigduizend huizen van stroom te voorzien, met een stroomrekening van meer dan één miljoen Amerikaanse dollars per jaar. Door het gebruik van nieuwe materialen en rekentechnologieën kunnen we het energieverbruik terugbrengen, maar er zijn limieten hoe ver we de energie per rekenoperatie kunnen minimaliseren.

Tegenwoordig wordt er veel intellectuele energie en geld gestoken in het ontwikkelen van kunstmatige intelligentie (AI) en kwantumcomputers. Een AI die de vergelijkingen en regels begrijpt zou weterschappelijke en industriële problemen op kunnen lossen. Alhoewel de AI ontwikkeld door Google nu weet hoe proteïnes zich kunnen vouwen, is AI op dit moment vooral goed met foto’s en vertalingen. Veel onderzoek is nodig om AI breed toepasbaar te maken. Kwantumcomputers maken gebruik van kwantummechanische principes om problemen uit te rekenen en snel informatie over netwerken te versturen. Ze hebben het potentieel om berekeningen op exascale computers te vervangen voor het oplossen van optimalisatie, planning, fysische, chemische en biologische probleemstellingen.  Het zal nog wel wat jaren duren voordat de kwantumrevolutie leidt tot de eerste bruikbare kwantumcomputers.