Supercomputador

Un supercomputador o superordinador és un ordinador amb una capacitat de càlcul i processament molt més elevada que una computadora d'ús comú.

El rendiment de un supercomputador és mesurat en operacions de punt flotant per segon (FLOPS). Al any 2015, els supercomputadors aconseguien un rendiment de milers de FLOPS segons el TOP500.

Els supercomputadors tenen un paper important en el camp de la ciència computacional, i s'utilitzen per a una àmplia gamma de tasques de càlcul en diversos camps, incloent la mecànica quàntica, el pronòstic meteorològic, la climatologia, l'exploració de petroli i gas, química computacional (calcular les estructures i propietats de compostos químics, macromolècules biològiques, polímers i vidres), i simulacions físiques (com ara simulacions dels primers moments de l'univers, avions i naus espacials aerodinàmiques, la detonació d'armes nuclears, i la fusió nuclear). A més, al llarg de la seva història, han estat essencials en el camp de criptoanàlisi.

Els sistemes amb un nombre massiu de processadors generalment prenen un de dos camins: un és l'enfocament (per exemple, a la computació distribuïda), centenars o milers d'ordinadors discrets (com ara ordinadors portàtils) distribuits a través d'una xarxa (per exemple Internet) dediquen alguns o tots el seu temps a la solució d'un problema comú; cada equip individual (client) rep i completa moltes petites tasques, informa dels resultats a un servidor central que integra els resultats de la tasca de tots els clients en la solució global. En l'altre camí, milers de processadors dedicats es col·loquen en proximitat entre si (per exemple, en un clúster d'ordinador); això estalvia un temps considerable de moure dades i fa possible que els processadors treballin junts (en lloc d'en tasques separades), per exemple, en les arquitectures de xarxa en malla.

L'ús de processadors de múltiples nuclis combinat amb la centralització és una tendència emergent; un pot pensar en això com un petit grup (per exemple un processador multinucli en un telèfon intel·ligent, tauleta, ordinador portàtil, etc.) que tant depèn com contribueix al núvol.

Visió general

Història de la indústria

Les primeres màquines classificables com a supercomputadors es varen introduir a la dècada de 1960 i van ser dissenyats, en la seva majoria per Seymour Cray a la companyia nord-americana Control Data Corporation, que va liderar el mercat fins a la dècada del 1970. Va ser aleshores quan Cray va abandonar l'empresa per fundar la seva pròpia companyia, Cray Research, que va passar a ser líder del mercat amb els seus nous dissenys, arribant a fabricar els supercomputadors més ràpids durant cinc anys (1985–1990). A la dècada de 1980 un seguit de petits competidors van entrar al mercat, paral·lelament a la creació del mercat de miniordinadors una dècada abans, tot i que la majoria van desaparèixer a mitjans dels anys '90.

Avui dia els supercomputadors els solen fabricar companyies "tradicionals", com Hewlett-Packard o IBM, que van comprar la majoria de les companyies dels 80 per a aprofitar-se de la seva experiència, tot i que Cray Inc. encara està especialitzat en la seva producció.

El terme supercomputador és ara ambigu, ja que els supercomputadors presents tendeixen a convertir-se en el computadors del futur.

Els supercomputadors han anat evolucionant des dels primers dies cap a la paral·lelització massiva. Els primers supercomputadors només tenien una sola CPU molt ràpida (típicament un processador vectorial), però a mesura que va passar el temps aquest nombre va anar augmentant. Actualment tots els supercomputadors estan formats per milers de CPUs, de forma que s'han de modificar els algorismes convencionals per poder ser executats en processament distribuït (computació en paral·lel).

Present de la supercomputació

Ara per ara els supercomputadors tendeixen a ser dissenys paral·lels massius, formats per milers de processadors 'normals' destinats al mercat de servidors, com l'IBM PowerPC, l'Intel Itanium o l'AMD Opteron. Un gran nombre dels supercomputadors actuals són clusters de computadors expressament dissenyats per tenir un altíssim rendiment.

Eines de programari

Les eines de programari (software) més utilitzades per al processament distribuït inclouen APIs com MPI i PVM així com solucions com Beowulf i openMosix basades en aplicacions de codi obert, que faciliten la creació d'un supercomputador a partir d'un conjunt d'estacions de treball i de servidors. La darrera revisió del llenguatge de programació Fortran (Fortran 2003/2008) implementa un estàndard senzill de càlcul en paral·lel anomenat 'Fortran Co-Array' que és independent de la plataforma.

Usos comuns

Els supercomputadors s'utilitzen per tasques de càlcul intensiu tant en investigació com a la indústria privada. Aquests càlculs inclouen:

• Problemes de mecànica quàntica
• Predicció i anàlisi del clima
• Càlcul en química computacional
• Plegament de proteïnes i altres problemes de bioquímica computacional
• Investigació en fusió nuclear
• Criptoanàlisi
• Simulacions en enginyeria aeronàutica

Sistemes operatius

Primers SO que s’utilitzaren en els supercomputadors

Els primers supercomputadors que van haver en la història, no disposaven d’un sistema operatiu incorporat, per tant, cada seu, laboratori, etc. Que utilitzava un d’aquests supercomputadors es feia càrrec d’haver de desenvolupar un SO en concret y a la mesura del seu supercomputador. Per exemple, el considerat primer supercomputador de la història, el CDC 6600, va utilitzar el sistema operatiu anomenat Chippewa (COS, que també és anomenat com sistema operatiu Cray). Aquest sistema operatiu era bastant simple i la seva característica principal consistia en poder controlar les diferents feines del sistema informàtic, d’aquesta manera s’aconseguia que les diferents feines sempre disposessin del que requerien per dur a terme el seu fi. A arrel d’aquest sistema operatiu van sorgir nous, com per exemple els anomenats Kronos, Scope o Nos.

El sistema operatiu Kronos fou implantat durant la dècada dels 70 i la seva característica principal és que les diferents funcions puguin accedir al mateix temps a alguna cosa que requerien diverses per portar a terme la feina. El sistema operatiu Scope (Supervisory Control Of Program Execution) va ser utilitzat durant la dècada dels 60, la seva característica principal és que permet tenir controlades totes les tasques del sistema.

El sistema operatiu Nos (Network Operating System) es pot dir que va ser el que va substituir als dos anteriors durant la dècada dels 70, les seves característiques eren molt semblants al seu predecessor Kronos, però allò que buscava concretament amb Nos era tenir un sistema operatiu comú en totes les creacions de CDC (Control Data Corporation) que hi havia. En la dècada dels 80, Nos va ser sustituit per Nos/Ve (Network Operating System/ Virtual Environment), que a diferència del seu predecessor disposava d’una memòria virtual. A finals de la dècada dels 80 es van començar  implantar en els supercomputadors els anomenats sistemes operatius moderns o els que han estat la base dels actuals, els sistemes operatius basats en UNIX. Els primers van ser anomenats UNICOS, que vam ser els que sorgiren amb força durant aquella dècada.

Evolució del percentatge d’ús dels SO en supercomputadors

Com s’ha mencionat en el punt anterior, els primers sitemes operatius que tenen incorporats els supercomputadors eren desenvolupats a la mesura i específicament per cada un d’ells, essent exemple Chippewa, Kronos, Scope o Nos alguns d’ells. Però a finals dels 80 comença a haver un canvi significatiu i els supercomputadors comencen a decantar-se pels sistemes operatius basats en UNIX com UNICOS. En 1993 es comencen a fer la llista dels primers 500 supercomputadors del món i en la que s’especifica quins sistemes operatius utilitza cadascun. A partir d’aquesta llista es va poder començar a fer una estimació de l’evolució dels sistemes operatius en ells.

Juny 1993

El primer any que es va realitzar la llista del Top 500, Unix y Unicos (basat en Unix) eren utilitzats per més del 50% de les supercomputadores, concretament el 56,4%. Per tant, a principis de la dècada dels 90, es pot dir que els sistemes operatius que predominaven es basaven en Unix.

Juny 2000

El següent any en què hi ha un gran canvi és en el 2000, perquè és quan Linux, que com veurem més endavant és el So principal en les supercomputadores en l’actualitat, comença a fer-se un lloc en el món de la supercomputació. En l’any 2000 els sistemes basats en Unix segueixen dominant, ja que els 5 primers, AIX, Solaris, UNICOS, HP, Unix y IRIX es basen en aquest ocupant simplement entre ells el 80,6% del percentatge tota, havent encara altres sistemes que en menors percentatges utilitzen també Unix. Com fet destacable podem veure que UNICOS que a principis de la dècada era el dominador ja no ho és i passa a ser-ho AIX.

Juny 2003

El següent any significatiu és el 2003, i per un fet en concret i és que Linux passa a col·locar-se el primer de la llista, encara que els sistemes basats en Unix segueixen predominant en el total.

Juny 2005

La següent data significativa és l’any 2005, aquest any Linux per si mateix ja dominava tot el sector de la supercomputació amb un 62,4%, per tant, el canvi de tendència de sistemes Unix a Linux s’ha confirmat. Com informació a tenir present, Hans Werner Meuer (professor de ciències informàtiques en la Universitat de Mannheim, Alemanya) encarregat de fer la llista va comentar que encara que està segur del domini de Linux en el sector de la supercomputació, no es podien assegurar que les dades de la llista fossin 100% fiables i que és més bé una estimació, ja que molts dels llocs on s’utilitzen supercomputadors es negaven a proporcionar la informació que SO tenien.

Juny 2012

L’any 2012és quan Linux arriba a la seva cimera fins al dia d’avui amb un percentatge del 83,8%, havent a més a més ja uns altres sistemes que també estan basats en Linux.

Juny 2015

L’última llista feta del top 500, mostra com els sistemes basats en Linux dominen totalment el sector de la supercomputació en l’actualitat amb un 97,2%, concretament 486 dels 500 supercomputadors l’utilitzen, l’altre 2,7% restant està conformat bàsicament per sistemes UNIX. Com a dada interessant, Windows o Mac OS té un percentatge pràcticament nul en e sector de la supercomputació.

Motiu d’aquest canvi, que SO predomina actualment i per què.

Ha hagut un parell de canvis claus en el món dels sistemes operatius que s’utilitzen en la supercomputació. El primer d’ells fou durant finals de la dècada dels 80, i va ser quan es passà de que per cada supercomputador tingués que desenvolupar-se un SO a mesura per ell, a aplicar sistemes operatius basats en UNIX. Aquest canvi va ser perquè arribà un punt en què el cost de desenvolupar tal software específic era el mateix que el que es gastava en hardware, cosa que feia del tot inviable seguir per aquell camí. També gràcies a UNIX es podia proporcionar potència de manera flexible al supercomputador, que era molt important degut als constants canvis de les aplicacions científiques en les que s’utilitzaven, o el canvi de hardware que hi havia constantment degut a l’evolució d’aquest.

El segon gran canvi que va haver va ser quan es passà, aproximadament sobre l’any 2003, d’un domini total de UNIX al domini total de Linux, que és el SO que predomina en l’actualitat. Aquest canvi va ser degut a diversos motius: el primer era la flexibilitat que ens ofereix Linux, ja que aquest disposa d’un kernel obert amb el que fer modificacions i optimitzacions sobre ell. Per una altra part, el cost de les llicències de Linux està molt per sota d’altres i en global és més rentable, ja que té una comunitat al voltant que ajuda i aporta de forma gratuïta.

Linux és el SO predominant en l’actualitat degut a diferents factors, com per exemple que el seu cost és 0, que disposa d’un kernel genèric, que té una gran escalabilitat que li permet adaptar-se a gran càrregues fàcilment, que la seva instal·lació es basa en petits mòduls, els quals cada un fa una tasca: amb això s’aconsegueix que si es modifica un no afecti als altres, també el seu codi és obert, cosa que permet que en qualsevol moment puguem modificar aquest davant de qualsevol canvi que es vulgui o sorgeixi en el supercomputador; un altre punt és que darrere té una gran comunitat que dóna suport, i per últim ens permet fer proves de configuració de xarxa sense la necessitat d’haver de reiniciar el sistema.

Disseny de maquinari i programari

Els supercomputadors que utilitzen CPUs fabricades tradicionalment han guanyat velocitat gràcies als seus dissenys innovadors que els permeten realitzar moltes tasques en paral·lel. Tendeixen a estar especialitzats en un tipus concret de computació, generalment en càlcul numèric i a tenir un rendiment pobre en altres tasques. La seva jerarquia de memòria està molt ben dissenyada per tal que els processadors estiguin calculant permanentment. La major part de la resta del maquinari està dissenyat per evitar al màxim la presència de potencials colls d'ampolla. Aquests i altres dissenys s'incorporen periòdicament en el disseny de PCs actuals, de manera que un PC d'avui dia té la capacitat de càlcul d'un supercomputador de fa 15 anys.

Les primeres arquitectures de superordinadors iniciades per Seymour Cray es van basar en dissenys compactes i innovadors i paral·lelisme local per aconseguir el màxim rendiment computacional superior. No obstant això, amb el temps la demanda de més potència de càlcul va marcar el començament de l'era dels sistemes massivament paral·lels.

Tanmateix, per tal que un supercomputador sigui efectiu, el programari s'ha de dissenyar de tal manera que s'eviti al màxim les interdependències de dades, i així pugui ser disposat en paral·lel eficientment d'acord amb la llei d'Amdahl.

Supercomputadors més ràpids

Top 500

Des de 1993, els supercomputadors més ràpids del món s'inclouen a la llista Top500 en funció dels seus resultats amb una llibreria de rutines d'àlgebra lineal anomenada LINPACK.

El supercomputador actual més ràpid

A desembre de 2008, el supercomputador més potent del món és el "Roadrunner", fita que ja ostenta des de juny del 2008, quan va ser la primera supercomputador a superar la velocitat de càlcul d'un petaflop, un repte que es perseguia des de feia anys.

RoadRunner va superar el que fins aleshores havia encapçalat la llista Top500, l'IBM Blue Gene/L. L'agost de 2007, aquest últim era el supercomputador operatiu més ràpid del món, amb una capacitat de càlcul sostinguda de 280 TFLOPS. El 26 de juny de 2007, IBM va posar en anunciar el Blue Gene/P, la segona generació de la sèrie Blue Gene.

El MDGRAPE-3, que es va finalitzar al juny de 2006, arriba a 1PFLOPS de velocitat de càlcul, encara que no es pot considerar un computador d'ús general, ja que el seu maquinari està optimitzat pel seu ús en simulacions de dinàmica molecular.

Referències

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Supercomputador