Cómo es el mundo de las supercomputadoras

A principios de mes, IBM anunció el inicio de la construcción de Sequoia, la supercomputadora que cuando esté lista en 2012 será, según la compañía, la más poderosa del planeta. Su poder de cálculo teórico será mayor que el de los 500 equipos más rápidos del planeta sumados, llegando a realizar 20 petaflops, es decir, 20.000 billones de operaciones matemáticas por segundo. Ocupará más de 300 metros cuadrados, donde 96 servidores (cada uno del tamaño de una heladera) albergarán unos 200.000 procesadores, cada uno con 8 núcleos: una versión mejorada de los chips Cell que se encuentran en la PlayStation 3 y que IBM diseñó junto a Sony y Toshiba.
En IBM ofrecen la siguiente analogía para tratar de comprender este poder de cálculo: si todos los habitantes del planeta hicieran cuentas, cada uno con una calculadora, todo el día, tardarían 320 años en hacer lo que Sequoia resolverá en una hora.

El equipo, además, tendrá 1,6 Petabytes de memoria RAM, es decir, 1.600.000 gigabytes de memoria distribuida entre sus procesadores. A modo de comparación, el Gran Colisionador de Hadrones, el instrumento científico más grande del planeta, generará 15 petabytes de datos al año.

Para lograr semejante performance, las supercomputadoras se especializan en cálculos paralelos. "Lo que se hace es tomar una ecuación matemática y dividirla en trozos pequeños y distribuirla entre varios procesadores, para que cada uno resuelva esas cuentas sencillas y así lleguen más rápido a la solución ?explica José Castaño, científico argentino que es investigador en supercomputadoras para IBM Research, y que fue uno de los desarrolladores de la supercomputadora Blue Gene?. Sería más sencillo tener un único chip ultraveloz, pero es más barato poner varios procesadores a trabajar juntos al mismo tiempo".
La técnica de computación en paralelo es particularmente eficaz cuando es necesario procesar grandes volúmenes de datos. Sequoia será usada por el Departamento de Energía de los Estados Unidos para supervisar el arsenal nuclear de ese país, además de realizar estudios en astronomía y cambio climático.

Sequoia será 20 veces más rápida que la actual reina de las supercomputadoras, Roadrunner, un equipo construido por IBM, con un costo de 133 millones de dólares, también para el Departamento de Energía de los Estados Unidos. Su construcción comenzó en 2002, opera desde 2008 y combina procesadores PowerCell de IBM y Opteron de AMD. Fue el primer equipo en llegar a un petaflop por segundo, y está seguida muy de cerca por la segunda supercomputadora más rápida del planeta, la Cray XT5 Jaguar, un equipo también capaz de hacer mil billones de operaciones de punto flotante por segundo (flops, una técnica para transformar fracciones en números binarios en forma eficiente, y una de las formas de medir la capacidad de un procesador más allá de la velocidad de su reloj. Ambos equipos, al igual que otros 5 entre los diez más poderosos del planeta, pertenecen al Departamento de Energía de los Estados Unidos. El único otro país que está entre los diez primeros es China, con su Dawning 50000A, en el Centro de Supercomputación de Shangai. Además de Estados Unidos, sólo Canadá, Brasil y México representan a América.

El uso típico para las supercomputadoras es la simulación, como la creación de entornos virtuales realistas que permitan recrear, con la mayor fidelidad posible, el clima de una región o la manera en que determinadas moléculas se combinan entre sí para generar nuevos compuestos. También se usan para el diseño de automóviles: se prueban en entornos virtuales para verificar qué tan bueno es su diseño, la resistencia de sus materiales, etcétera; esto hace que el proceso sea más económico y veloz, porque no es necesario construir un prototipo hasta que el desarrollo está muy avanzado.

La simulación de mundos digitales en los videojuegos también hace uso del cálculo paralelo. De hecho, Nvidia tiene una plataforma para supercomputadoras de rango medio basadas en el poder de cálculo de sus chips de video, denominada Tesla.

AMD, por su parte, anunció en enero último que creará Fusion Render Cloud, una supercomputadora para que desarrolladores de contenido (sean cineastas o editores de videojuegos) usen su poder remoto para ofrecer contenido de alta definición en dispositivos móviles, sin requerir de éstos más que una buena conexión a Internet. La supercomputadora combinará los últimos chips de video de la compañía con los procesadores más tradicionales, usados en servidores.

Otro ejemplo del uso que se le da al paralelismo masivo: entre las supercomputadoras más poderosas que lista Top500 (www.top500.org), en el número 100 está la que usa Weta, compañía de efectos especiales de Peter Jackson (el director de El señor de los anillos).
Tanto los chips de AMD como los de Intel forman el grueso de los procesadores que dan vida a las supercomputadoras más poderosas del planeta, solos o combinados con procesadores de IBM, más algunos equipos con chips de Sun o NEC. La mayoría de los fabricantes prefiere los procesadores populares por su precio y la confiabilidad que ofrece su tecnología, una realidad distinta a la del inicio de la era de las supercomputadoras comerciales en la década del 70, cuando cada compañía desarrollaba sus propios procesadores.

En la Argentina, desde 2000 funciona Clementina 2, la segunda supercomputadora nacional (www.lanacion.com.ar/187841), un equipo Cray Origin 2000 con 40 procesadores R12000 a 300 MHz y 10 GB de memoria RAM. Tiene su página en www.supercomputo.gov.ar. Está disponible sin cargo para todos los científicos argentinos, que la usan para cálculos astronómicos, modelado tridimensional de moléculas, farmacología y análisis del comportamiento de materiales en diferentes situaciones, entre otros muchos proyectos. Funciona en la sede del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación Productiva en la avenida Córdoba 831, en una habitación con piso flotante, temperatura controlada y filtrado de aire.

"Está un poco viejita, pero sigue sirviendo ?admite Fabián Medina, coordinador de Sistemas de Información del ministerio?. Una década en tecnología es una eternidad, pero funciona muy bien, aún sigue siendo mejor que un cluster de equipos de escritorio, todo está optimizado para lograr un paralelismo masivo en los cálculos."

Aunque la mayor parte de la tecnología que da vida al equipo ya es obsoleta, hay una luz al final del camino: cuando se resuelvan los problemas burocráticos entrará en funciones Clementina 3, una supercomputadora SGI Altix 3700 con 16 procesadores Intel Itanium y 32 GB de RAM. Este equipo, además, tiene la ventaja de correr Linux, por lo que el desarrollo de aplicaciones es mucho más sencillo.

Clementina 3 tiene una prima distante en una de las supercomputadoras que la NASA posee en el Centro de Investigación Ames, aunque el equipo estadounidense tiene más capacidad. Igual, una de las ventajas de Clementina 3 es que al usar procesadores convencionales podrá aumentar su poder si se le agregan más chips, un concepto conocido como escalabilidad, que permite alargar la vida útil de las supercomputadoras.

Precisamente, aprovechar al máximo la capacidad de estos sistemas es un problema creciente. "El programador tiene que pensar en cómo dividir las tareas para asignarlas a los diferentes procesadores, pero además tener en cuenta que el resultado del cálculo hecho por un procesador puede influir sobre los demás. En algunos casos esto es un efecto deseado, pero en otros no; hay que aprender a pensar diferente, -explica Castaño-. Los procesadores pueden compartir información con los que los rodean, a los costados, arriba y abajo. El tema es cuando tienen que enviar información a un procesador que está más lejos físicamente; por el ritmo que tienen estos equipos, para cuando ese dato llega puede estar desactualizado, o influir de manera inesperada lo que está haciendo ese otro chip. Hay que aprender a tener eso en cuenta para aprovecharlo y que no sea un contratiempo. Además, no todas las tareas pueden dividirse de la misma forma para resolverse en paralelo; por eso es muy difícil que una supercomputadora opere todo el tiempo al 100% de su capacidad."

El investigador trabaja en Blue Water, una supercomputadora que IBM está construyendo en la Universidad de Illinois, que estará lista en 2011, y que estará disponible para científicos de todo el país. Castaño estudia el desarrollo de herramientas que permitan a científicos sin tanta experiencia en supercomputadoras aprovechar, tanto como sea posible, la fenomenal capacidad de cómputo de las supercomputadoras modernas.
Ricardo Sametband

Fuente : La Nación