Siêu Máy Tính (Supercomputer) Là Gì? Cẩm Nang Toàn Tập Về Sức Mạnh Tính Toán Đỉnh Cao

Nếu bạn nghĩ một chiếc PC chạy chip Core i9 hay RAM 64GB đã là “khủng”, thì siêu máy tính sẽ làm bạn thay đổi hoàn toàn định nghĩa về sức mạnh. Trong bài viết này, ThisPC.vn sẽ cùng bạn tìm hiểu chi tiết về siêu máy tính – những cỗ máy có khả năng thực hiện hàng tỷ tỷ phép tính chỉ trong một cái chớp mắt.

SuperComputer – Siêu máy tính là gì?

Siêu máy tính (Supercomputer) không phải là một chiếc máy tính đơn lẻ có kích thước khổng lồ. Thực chất, nó là một hệ thống gồm hàng nghìn máy chủ (node) kết nối với nhau thông qua mạng nội bộ tốc độ siêu cao để cùng hiệp lực xử lý một công việc.

Để dễ hình dung về sự khác biệt, chúng ta có thể so sánh như sau:

Máy tính cá nhân (PC/Laptop): Giống như một người thợ lành nghề, làm việc gì cũng được nhưng mỗi lúc chỉ làm được một việc. Nếu giao cho anh ta xây một thành phố, anh ta sẽ mất cả đời.
Siêu máy tính: Giống như một đội quân hàng triệu người thợ. Khi có nhiệm vụ xây thành phố, họ chia nhỏ công việc ra: người xây nhà, người làm đường, người lắp điện… và tất cả cùng làm một lúc. Thành phố sẽ xong chỉ trong vài ngày.

Điểm khác biệt cốt lõi nhất chính là Xử lý song song (Parallel Processing). Trong khi máy tính thường phải đợi xong việc này mới làm việc kia, thì siêu máy tính thực hiện hàng triệu mảnh ghép của bài toán cùng một thời điểm.

Thước đo sức mạnh của siêu máy tính: FLOPS là gì?

Trong thế giới PC, chúng ta thường nhìn vào xung nhịp (GHz) để biết máy nhanh hay chậm. Nhưng với siêu máy tính, con số đó không còn ý nghĩa. Người ta dùng một đơn vị khác gọi là FLOPS (Floating Point Operations Per Second) – hiểu đơn giản là số phép tính số thực dấu phẩy động mỗi giây.

Dưới đây là các cấp độ sức mạnh để bạn thấy siêu máy tính đã tiến hóa khủng khiếp thế nào:

Từ KiloFLOPS đến GigaFLOPS (Thời sơ khai)

KiloFLOPS (10³): 1.000 phép tính/giây. Đây là sức mạnh của các máy tính dùng ống chân không từ những năm 1940.
MegaFLOPS (10⁶): 1 triệu phép tính/giây. Phổ biến ở thập niên 60.
GigaFLOPS (10⁹): 1 tỷ phép tính/giây. Đây từng là niềm mơ ước của các nhà khoa học thập niên 80, nhưng hiện nay, một chiếc smartphone tầm trung cũng dễ dàng đạt được con số này.

TeraFLOPS và PetaFLOPS (Thời hiện đại)

TeraFLOPS (10¹²): 1 nghìn tỷ phép tính/giây. Để dễ so sánh, card đồ họa “quốc dân” của dân chơi game hiện nay là RTX 4090 đạt khoảng 80-100 TFLOPS.
PetaFLOPS (10¹⁵): 1 triệu tỷ phép tính/giây. Đây là đơn vị tiêu chuẩn của các siêu máy tính trong khoảng 10 năm trở lại đây. Để đạt được 1 Petaflops, bạn cần khoảng 10.000 chiếc PC cấu hình mạnh nhất hiện nay kết nối lại với nhau.

ExaFLOPS và xa hơn nữa (Kỷ nguyên mới)

ExaFLOPS (10¹⁸): 1 tỷ tỷ phép tính/giây. Đây là cột mốc hiện đại nhất (Exascale). Một chiếc máy tính Exascale có thể làm được khối lượng công việc trong 1 giây mà toàn bộ 8 tỷ người trên Trái Đất phải tính toán liên tục trong 4 năm mới xong.
ZettaFLOPS (10²¹): 1 nghìn tỷ tỷ phép tính/giây. Dự kiến nhân loại sẽ chạm tới cột mốc này vào khoảng năm 2030-2035.
YottaFLOPS (10²⁴): 1 triệu tỷ tỷ phép tính/giây. Con số này được cho là đủ để mô phỏng chính xác từng hạt nguyên tử trong một hệ sinh thái phức tạp.

Giải phẫu siêu máy tính: Bên trong có gì?

Một hệ thống siêu máy tính bao gồm hàng trăm tủ rack xếp san sát nhau. Bên trong mỗi tủ là hàng chục máy chủ (server) mà các kỹ sư gọi là Nodes.

Nodes (Nút tính toán) – Những viên gạch nền móng

Mỗi “node” tương đương với một chiếc máy chủ cực mạnh. Tuy nhiên, linh kiện bên trong nó không giống máy tính ở nhà:

CPU chuyên dụng: Thường là dòng AMD EPYC hoặc Intel Xeon. Những con chip này không ưu tiên xung nhịp cao mà ưu tiên số lượng nhân (Core) cực lớn và băng thông bộ nhớ cực rộng để dữ liệu không bị tắc đường.
GPU tăng tốc: Đây là xu hướng của 5 năm trở lại đây. Các dòng chip như NVIDIA H100 hay AMD Instinct MI300 có khả năng xử lý các phép tính ma trận (rất quan trọng cho AI) nhanh gấp hàng chục lần CPU truyền thống.

Interconnect (Hệ thần kinh kết nối)

Nếu bạn nối 10.000 cái máy tính bằng dây cáp mạng LAN bình thường, hệ thống sẽ chạy cực chậm vì dữ liệu bị “kẹt xe”. Siêu máy tính cần một loại mạng riêng gọi là InfiniBand.

Độ trễ thấp: Dữ liệu truyền từ máy này sang máy kia gần như tức thời (tính bằng nano giây).
Công nghệ RDMA: Cho phép máy chủ A “sang nhà” máy chủ B mượn dữ liệu trực tiếp từ RAM mà không cần phải xin phép CPU của máy B. Việc này giúp giảm tải cho CPU và tăng tốc độ xử lý lên cực đại.

Hệ thống lưu trữ song song (Storage)

Khi hàng nghìn máy cùng tính toán, chúng sẽ tạo ra lượng dữ liệu khổng lồ. Nếu lưu vào một ổ cứng thông thường, ổ cứng đó sẽ hỏng ngay lập tức vì quá tải. Siêu máy tính dùng các hệ thống tệp như Lustre hoặc GPFS. Nó hoạt động theo kiểu: Khi bạn muốn lưu một file 1GB, hệ thống sẽ xé nhỏ file đó ra thành 1.000 mảnh và ghi vào 1.000 ổ cứng khác nhau cùng một lúc. Tốc độ lưu nhờ đó có thể đạt hàng Terabyte mỗi giây.

Tại sao 100% siêu máy tính chạy Linux?

Có bao giờ bạn thắc mắc tại sao không có siêu máy tính nào chạy Windows hay macOS? Câu trả lời nằm ở 3 lý do thực tế sau:

Sự tinh gọn (No Bloatware): Windows có quá nhiều ứng dụng chạy ngầm, giao diện đồ họa đẹp mắt nhưng lại ngốn RAM và CPU. Trên siêu máy tính, mỗi giọt tài nguyên đều quý giá. Linux cho phép các kỹ sư gỡ bỏ sạch sẽ mọi thứ, chỉ để lại một “màn hình đen” thuần túy để tập trung 100% sức mạnh cho việc giải toán.
Khả năng tùy biến sâu: Vì Linux là mã nguồn mở, các chuyên gia có thể sửa lại cả “bộ não” của hệ điều hành để nó nhận diện và điều khiển phần cứng đặc biệt của chiếc máy đó một cách hiệu quả nhất. Windows là mã nguồn đóng, không ai có thể can thiệp sâu như vậy.
Quản lý hàng đợi (Job Scheduling): Siêu máy tính thường có hàng trăm nhà khoa học dùng chung. Linux có các công cụ (như Slurm) rất giỏi trong việc phân chia: “Ông A được dùng 500 máy trong 2 tiếng, ông B dùng 200 máy trong 5 tiếng”. Mọi thứ diễn ra tự động và cực kỳ công bằng.

Thách thức: Tiền điện và Tản nhiệt

Vận hành một siêu máy tính là một bài toán kinh tế và kỹ thuật đau đầu.

“Cỗ máy ngốn điện”

Một siêu máy tính hiện đại như Frontier tiêu thụ khoảng 21-30 Megawatt điện. Để bạn dễ hình dung:

Số điện này đủ thắp sáng cho khoảng 30.000 hộ gia đình.
Tiền điện mỗi năm có thể rơi vào khoảng 15 – 20 triệu USD (gần 500 tỷ đồng). Đó là lý do các nước thường đặt siêu máy tính gần các đập thủy điện lớn hoặc ở những nơi có giá điện rẻ.

Giải nhiệt cho hàng triệu con chip

Bạn biết chiếc PC ở nhà nóng thế nào khi chơi game nặng rồi đấy. Bây giờ hãy tưởng tượng hàng triệu con chip như thế cùng chạy hết công suất trong một căn phòng.

Tản nhiệt gió: Đã lỗi thời vì quạt thổi không xuể và gây ra tiếng ồn kinh khủng như động cơ phản lực.
Tản nhiệt nước: Nước lạnh được bơm qua các ống đồng áp sát vào từng con chip. Đây là cách phổ biến nhất hiện nay.
Tản nhiệt nhúng (Immersion Cooling): Đây là công nghệ “chất” nhất. Người ta ngâm toàn bộ bo mạch vào một loại chất lỏng đặc biệt. Chất lỏng này không dẫn điện (nên không gây chập mạch) nhưng lại dẫn nhiệt cực tốt. Nhiệt độ sẽ được lấy đi một cách êm ái và hiệu quả nhất.

Siêu máy tính dùng để làm gì?

Siêu máy tính không chỉ nằm trong phòng thí nghiệm cho đẹp, nó đang phục vụ bạn mỗi ngày mà bạn không biết.

Dự báo thời tiết chính xác từng giờ

Để bạn biết ngày mai có mưa hay không, siêu máy tính phải mô phỏng sự chuyển động của hàng tỷ khối không khí trên bầu trời, độ ẩm, hướng gió và nhiệt độ mặt nước biển. Nếu không có siêu máy tính, chúng ta chỉ có thể đoán mò thời tiết dựa trên kinh nghiệm cũ.

Nghiên cứu y dược và vaccine

Thay vì phải trộn các chất hóa học trong phòng thí nghiệm và chờ đợi kết quả (mất hàng năm), các nhà khoa học cho siêu máy tính “mô phỏng” các phản ứng đó. Trong đại dịch COVID-19, nhờ siêu máy tính mà chúng ta tìm ra cấu trúc virus và chế tạo vaccine chỉ trong vòng vài tháng thay vì 10 năm như trước đây.

Thiết kế xe hơi và máy bay

Trước khi xuất xưởng một chiếc xe mới, các hãng như Tesla hay BMW phải thử nghiệm đâm va (Crash test). Thay vì phá hủy hàng chục chiếc xe thật đắt tiền, họ cho xe “đâm ảo” trên siêu máy tính. Máy tính sẽ tính toán chính xác từng mảnh nhựa vỡ ra thế nào, túi khí bung ra sao. Kết quả cực kỳ chính xác và tiết kiệm hàng tỷ USD.

Tìm kiếm năng lượng và vật liệu mới

Siêu máy tính giúp mô phỏng các phản ứng nhiệt hạch (tạo ra mặt trời nhân tạo) để tìm nguồn năng lượng sạch vĩnh viễn. Nó cũng giúp tìm ra các loại vật liệu siêu cứng, siêu nhẹ để làm vỏ tàu vũ trụ hay pin điện thoại bền hơn.

Cuộc đua “vũ trang” siêu máy tính trên thế giới

Siêu máy tính ngày nay cũng giống như vũ khí hạt nhân, quốc gia nào sở hữu máy mạnh hơn thì quốc gia đó có lợi thế về khoa học và quân sự.

Mỹ: Đang dẫn đầu với siêu máy tính Frontier. Mỹ tập trung vào việc kết hợp CPU AMD và GPU để đạt tốc độ tối đa.
Trung Quốc: Có số lượng máy lọt vào Top 500 nhiều nhất thế giới. Họ đang cố gắng tự sản xuất chip riêng để không phụ thuộc vào công nghệ của Mỹ.
Nhật Bản: Nổi tiếng với siêu máy tính Fugaku. Khác với Mỹ, Nhật dùng chip kiến trúc ARM (giống chip trên điện thoại nhưng mạnh hơn nhiều) để tiết kiệm điện và dễ lập trình.
Châu Âu: Đang đầu tư mạnh vào hệ thống LUMI để hỗ trợ các nghiên cứu về biến đổi khí hậu trên toàn châu lục.

Siêu máy tính tại Việt Nam hiện nay ra sao?

Chúng ta dù chưa nằm trong Top đầu thế giới nhưng cũng đang có những bước tiến rất nhanh:

VinAI (Vingroup): Đã trang bị hệ thống NVIDIA DGX SuperPOD. Đây là một trong những cụm máy tính mạnh nhất khu vực, giúp VinAI huấn luyện các mô hình AI cho xe điện tự lái và xử lý ngôn ngữ tiếng Việt.
Viettel: Đang xây dựng các Data Center (trung tâm dữ liệu) cực lớn tại Hòa Lạc và TP.HCM, tích hợp khả năng tính toán hiệu năng cao để phục vụ chính phủ số và an ninh mạng.
Dự báo khí tượng: Việt Nam cũng sử dụng các cụm máy tính chuyên dụng để nâng cao độ chính xác khi dự báo bão lũ cho khu vực miền Trung, giúp giảm thiểu thiệt hại đáng kể.

Những câu hỏi thường gặp (FAQ)

Siêu máy tính có chơi được game không? Câu trả lời là KHÔNG NÊN. Game hiện nay tối ưu cho 1 hoặc vài nhân xử lý với xung nhịp rất cao (ví dụ 5.0GHz). Siêu máy tính có hàng triệu nhân nhưng mỗi nhân thường chạy ở mức trung bình (khoảng 2.0 – 3.0GHz). Chơi game trên siêu máy tính giống như việc bạn dùng một chiếc xe container khổng lồ chỉ để đi giao một ly cà phê: vừa chậm, vừa cồng kềnh, vừa cực kỳ lãng phí.

Siêu máy tính có thông minh hơn con người? Không. Siêu máy tính thực chất rất “ngu”, nó chỉ làm chính xác những gì con người bảo nó làm. Nó chỉ mạnh hơn chúng ta ở chỗ nó tính toán nhanh kinh khủng. Mọi ý tưởng sáng tạo và cách giải quyết vấn đề vẫn phải do bộ não con người quyết định.

Tại sao không dùng nhiều máy tính cá nhân ở nhà kết nối lại thành siêu máy tính? Bạn có thể làm được (gọi là Beowulf Cluster). Tuy nhiên, tốc độ mạng Internet nhà bạn quá chậm để các máy tính có thể “nhìn thấy” dữ liệu của nhau kịp thời. Nó sẽ bị nghẽn cổ chai ngay lập tức.

Lời kết

Siêu máy tính là đỉnh cao nhất của phần cứng máy tính hiện nay. Nó không còn là những con số khô khan mà là công cụ để con người giải quyết những vấn đề sinh tử của trái đất. Từ việc dự báo một cơn bão sắp tới cho đến việc tìm ra phương thuốc chữa bệnh nan y, siêu máy tính đóng vai trò là “bộ não” thúc đẩy sự tiến bộ của chúng ta.

Hy vọng qua bài viết này của ThisPC.vn, bạn đã có cái nhìn rõ ràng và thú vị hơn về siêu máy tính. Thế giới công nghệ luôn thay đổi, biết đâu 20 năm nữa, chính chiếc máy tính bạn đang dùng ở nhà sẽ mạnh bằng cả một siêu máy tính Exascale của ngày hôm nay!