ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ พลังขับเคลื่อนการค้นพบของอเมริกา

ซูเปอร์คอมพิวเตอร์คืออะไร?

คำว่า "ซูเปอร์คอมพิวเตอร์" หมายถึงคอมพิวเตอร์ที่มีความเร็วและพลังประมวลผลสูงที่สุดในโลก ณ ช่วงเวลาหนึ่ง ซูเปอร์คอมพิวเตอร์สามารถจัดการข้อมูลจำนวนมหาศาลและซับซ้อนได้ โดยอาศัยพลังรวมของระบบคอมพิวเตอร์จำนวนมากที่เชื่อมต่อกันและทำงานพร้อมกัน ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ถูกใช้เป็นหลักในงานวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมที่ต้องการสมรรถนะการคำนวณระดับสูงสุด ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีตลอดหลายทศวรรษ ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ในปัจจุบันมีความเร็วเหนือกว่าเครื่องรุ่นแรกในทศวรรษ 1960 อย่างเทียบไม่ติด ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ยุคแรกทำได้เพียงประมาณ 3 ล้านครั้งต่อวินาที ซึ่งช้ากว่าสมาร์ทโฟนสมัยใหม่อย่างมาก ขณะที่ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ยุคปัจจุบันสามารถประมวลผลได้ถึง หลายล้านล้านล้าน (quintillions) ครั้งต่อวินาที ซึ่งเร็วกว่าสมาร์ทโฟนมากกว่าหนึ่งล้านเท่า

ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ Expanse ซึ่งตั้งอยู่ที่ศูนย์ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ซานดิเอโก (San Diego Supercomputer Center) ที่มีการทำงานด้านการจำลองขั้นสูงที่อาจปฏิวัติกระบวนการผลิตโลหะ การแพทย์ (reconstructive medicine) และเทคโนโลยีการแยกเกลือออกจากน้ำทะเล

เครดิต: San Diego Supercomputer Center

ทำไมซูเปอร์คอมพิวเตอร์จึงสำคัญ?

ทุกสาขาของวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ รวมถึงการแพทย์และสังคมศาสตร์ พึ่งพาซูเปอร์คอมพิวเตอร์มากขึ้นเพื่อสร้างความก้าวหน้าที่เปลี่ยนแปลงโลก โดยการวิเคราะห์และการจำลองที่ซับซ้อนอย่างมีประสิทธิภาพ ซูเปอร์คอมพิวเตอร์แก้ปัญหาที่จะใช้เวลานานเกินไป มีราคาแพงเกินไป หรือแม้แต่เป็นไปไม่ได้สำหรับคอมพิวเตอร์มาตรฐาน ตัวอย่างเช่น

• จำลองปฏิสัมพันธ์และประสิทธิภาพของยา ซึ่งจะช่วยเร่งการพัฒนาการรักษาโรคต่างๆ

• จำลองพฤติกรรมของโมเลกุลขนาดใหญ่และซับซ้อนเพื่อพัฒนาวัสดุที่แข็งแรงขึ้น ทนทานขึ้น หรือเบาขึ้น ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ ความปลอดภัยและประสิทธิผลในหลากหลายการใช้งาน

• ทำนายความแรงและเส้นทางในอนาคตของพายุเฮอร์ริเคนได้อย่างแม่นยำและรวดเร็วยิ่งขึ้น ช่วยให้เตรียมการได้ดีขึ้นซึ่งช่วยรักษาชีวิตและลดความสูญเสียทางเศรษฐกิจ

• วิเคราะห์พันธุกรรมและชีววิทยาของพืชเพื่อพัฒนาพืชผลที่ให้มีผลผลิตสูงขึ้นและมีความทนทานมากขึ้น

• ปรับแต่งกระบวนการผลิตเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ ปรับปรุงผลิตภาพและลดต้นทุน

• ช่วยให้ทำการวัดการขยายตัวของจักรวาลได้อย่างแม่นยำและช่วยให้นักวิทยาศาสตร์กำหนดได้ว่าดาวฤกษ์ดวงแรกในจักรวาลก่อตัวขึ้นอย่างไร

  
  

โอกาสใดที่ยังคงอยู่?

เมื่อการใช้งานที่ขับเคลื่อนด้วยข้อมูลเติบโตอย่างรวดเร็ว โดยเฉพาะงานที่ใช้ปัญญาประดิษฐ์ (AI) ความต้องการทรัพยากรซูเปอร์คอมพิวติ้งก็เพิ่มสูงขึ้นตามไปด้วย ภาระงานเหล่านี้ต้องใช้พลังงานจำนวนมาก ส่งผลให้เกิดความท้าทายใหม่ทั้งด้าน ความพร้อมของพลังงาน และ ความสามารถในการขยายระบบในระยะยาว ข้อจำกัดเหล่านี้กำลังกระตุ้นให้นักวิจัยสำรวจแนวทางใหม่สำหรับการคำนวณขั้นสูง ทิศทางหนึ่งที่มีความหวังคือการคำนวณแบบนิวโรมอร์ฟิก (neuromorphic computing) ซึ่งแตกต่างจากการคำนวณแบบเดิมที่ต้องใช้เวลาและพลังงานในการส่งข้อมูลระหว่างหน่วยประมวลผลและหน่วยความจำที่แยกจากกัน การคำนวณแบบนิวโรมอร์ฟิกเลียนแบบเครือข่ายเซลล์ประสาทที่มีประสิทธิภาพของสมองโดยการประมวลผลและจัดเก็บข้อมูลเป็นส่วนบูรณาการของการทำงานเดียวกัน ในขณะเดียวกัน การคำนวณแบบควอนตัม แม้ว่าจะยังอยู่ในขั้นทดลองแต่ก็มีศักยภาพในการคำนวณที่ซับซ้อนได้เร็วกว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์ในปัจจุบันมาก

เพื่อให้ตระหนักถึงศักยภาพสูงสุดของการคำนวณขั้นสูงและประโยชน์ในโลกแห่งความเป็นจริง สหรัฐฯ จะต้องลงทุนในการสร้างกำลังคนที่มีทักษะด้วย สิ่งนี้ต้องการการขยายโอกาสสำหรับการฝึกอบรมภาคปฏิบัติ รวมถึงการเข้าถึงผู้เชี่ยวชาญชั้นนำและสิ่งอำนวยความสะดวกระดับโลก ที่ช่วยให้นักวิจัยหน้าใหม่สามารถใช้เครื่องมือการคำนวณขั้นสูงเพื่อการค้นพบและนวัตกรรมใหม่ มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติสหรัฐฯ (NSF) เป็นผู้นำในความพยายามนี้ ผ่านโครงการสำคัญ เช่น โครงการพัฒนาแรงงานฐานการฝึกอบรมของ NSF สำหรับโครงสร้างพื้นฐานไซเบอร์ขั้นสูงและโครงการการเรียนรู้จากประสบการณ์ของ NSF สำหรับเทคโนโลยีเกิดใหม่และเทคโนโลยีใหม่ ทั้งสองโครงการมุ่งเน้นการเสริมสร้างทักษะและขยายกำลังคนของชาติในด้านโครงสร้างพื้นฐานไซเบอร์ขั้นสูงและเทคโนโลยีล้ำสมัย

การลงทุนของ NSF ในซูเปอร์คอมพิวเตอร์ การวางรากฐาน

โครงการศูนย์ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ของ NSF ซึ่งดำเนินการตั้งแต่ปี 1985 ถึง 1999 ได้ทำให้สหรัฐฯ กลายเป็นผู้นำระดับโลกด้านวิทยาการคำนวณ ศูนย์เหล่านี้ขยายการเข้าถึงทรัพยากรซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ทันสมัยจากมหาวิทยาลัยเพียงสองแห่งในช่วงต้นทศวรรษ 1980 จนเป็นมหาวิทยาลัยมากกว่า 200 แห่งในช่วงต้นทศวรรษ 1990 ความสำเร็จหลักบางประการของโครงการประกอบด้วย

• การสร้าง NSFNET ในปี 1986 ซึ่งเป็นเครือข่ายที่เชื่อมต่อผู้วิจัยเข้ากับศูนย์ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ NSFNET ทำหน้าที่เป็นกระดูกสันหลังของอินเทอร์เน็ตจนกระทั่งมีการแปรรูปเป็นเชิงพาณิชย์ในช่วงกลางทศวรรษ 1990 และนำไปสู่อินเทอร์เน็ตในปัจจุบันโดยตรง

• เครื่องมือสร้างภาพ (visualization tools) ที่ล้ำสมัยซึ่งช่วยปรับปรุงการตีความชุดข้อมูลขนาดใหญ่ เช่น การติดตามพายุฝนฟ้าคะนองขณะที่ก่อตัวขึ้น

• การจำลองโมเลกุลที่เร็วและแม่นยำยิ่งขึ้นซึ่งช่วยให้สามารถพัฒนายารักษาโรคหอบหืดตัวแรกได้

• การพัฒนา Mosaic เบราว์เซอร์เว็บตัวแรกของโลกที่หน้าเว็บมีทั้งกราฟิกและข้อความ และยังใช้งานได้ฟรี ซึ่ง Mosaic นำไปสู่การพัฒนาเบราว์เซอร์สมัยใหม่

• แบบจำลองขั้นสูงที่ช่วยให้วิศวกรและพันธมิตรทางอุตสาหกรรมสามารถออกแบบผลิตภัณฑ์อุปโภคบริโภคที่ดีขึ้น เช่น ผ้าอ้อมที่ป้องกันการรั่วซึม เพื่อปรับปรุงกระบวนการทางอุตสาหกรรม เช่น การขึ้นรูปโลหะ และเพื่อปรับปรุงความปลอดภัยทางจราจร

NSFNET ซึ่งเชื่อมโยงนักวิจัยเข้ากับศูนย์ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ของ NSF ได้กลายเป็นโครงข่ายหลักของอินเทอร์เน็ตยุคแรก

เครดิต: Donna Cox และ Robert Patterson โดยความเอื้อเฟื้อจาก National Center for Supercomputing Applications (NCSA) และคณะกรรมการกำกับดูแลมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์

การนำซูเปอร์คอมพิวเตอร์ไปสู่อนาคต

ผ่านโครงการต่างๆ เช่น ระบบนิเวศโครงสร้างพื้นฐานไซเบอร์ขั้นสูงของ NSF (NSF Advanced Cyberinfrastructure Coordination Ecosystem) ที่ยังคงสนับสนุนทรัพยากรซูเปอร์คอมพิวติ้งแก่นักวิจัยทั่วสหรัฐฯ เพื่อขับเคลื่อนการค้นพบและนวัตกรรม ตัวอย่างเช่น นักวิจัยจำลองกิจกรรมของสมองในโรคพาร์กินสัน เพื่อให้เห็นรายละเอียดที่สามารถช่วยให้เกิดการรักษาที่ตรงเป้าหมายมากขึ้น อีกกลุ่มหนึ่งคือการพัฒนาแบบจำลองเพื่อออกแบบวัสดุที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการกู้คืนทางเคมีและการทำให้บริสุทธิ์ในอุตสาหกรรมต่างๆ

ในเดือนพฤศจิกายน 2025 NSF มีการติดตั้ง Horizon จะเปิดศักยภาพใหม่ทั้งด้านการคำนวณและ AI ที่ไม่เคยมีมาก่อน ขณะเดียวกัน นักวิจัยที่ได้รับทุนสนับสนุนจาก NSF ก็กำลังบุกเบิกเทคโนโลยีการคำนวณตั้งแต่การสร้างต้นแบบ คอมพิวเตอร์นิวโรมอร์ฟิกไปจนถึงการเริ่มสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่นักวิจัยทั่วประเทศสามารถเข้าถึงได้

การลงทุนอย่างต่อเนื่องของ NSF กำลังผลักดันขีดจำกัดของการคำนวณขั้นสูง ขับเคลื่อนการค้นพบ เพิ่มศักยภาพทางเศรษฐกิจและเสริมสร้างความมั่นคงของสหรัฐฯ

ซาเบย์ดาต้าเซ็นเตอร์ (Sabey Data Center) ซึ่งเป็นที่ตั้งแห่งใหม่ของซูเปอร์คอมพิวเตอร์ Horizon ได้รับการออกแบบให้รองรับการติดตั้งระบบความหนาแน่นสูง รวมถึงงานประมวลผลที่ต้องการพลังสูงอย่างแอปพลิเคชันด้านปัญญาประดิษฐ์

เครดิต: Sabey Data Center

ที่มา: Supercomputers: Powering American discovery, https://www.nsf.gov/science-matters/supercomputers-powering-american-discovery