¿Qué es la lista Top500 de las supercomputadoras?

Actualizado a: 19 de enero de 2024

Es muy probable que hayas oído hablar de la prestigiosa clasificación Top500. En este artículo, te proporcionaremos toda la información esencial sobre esta renombrada lista que anualmente categoriza las 500 supercomputadoras (HPC o High Performance Computing) más poderosas a nivel mundial. Descubrirás todos los detalles relevantes y fascinantes acerca de este ranking y su papel en la destacada comunidad de la computación de alto rendimiento.

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¿Qué es el Top500?

El proyecto Top500 surgió con el propósito de clasificar las 500 supercomputadoras más poderosas del mundo, de ahí su nombre. Esta iniciativa comenzó en 1993 y desde entonces ha publicado una lista actualizada dos veces al año. La primera actualización se presenta en junio durante la Conferencia Internacional de Supercomputación, mientras que la segunda se lleva a cabo en noviembre en la Conferencia ACM/IEEE de Supercomputación.

Para acceder a estas listas y obtener todos los detalles, cualquier persona interesada puede hacerlo de manera gratuita a través del portal oficial top500.org. Además de servir como una forma para que los países destaquen en términos de poder computacional, este proyecto también se enfoca en rastrear y monitorear las tendencias en el ámbito de la computación de alto rendimiento.

En cuanto a la metodología de clasificación, un grupo de expertos se encarga de realizar las evaluaciones utilizando la clasificación HPL (High-Performance Linpack), que es una implementación portátil del popular benchmark LINPACK. Este benchmark está escrito en el lenguaje de programación Fortran y se ejecuta en sistemas con memoria distribuida.

El caso de España

En cuanto a España, el Marenostrum, ubicado en el BSC (Barcelona Supercomputing Center), es el supercomputador más potente y el único que figura en la lista Top500.

No obstante, en España existe la RES (Red Española de Supercomputación), que está compuesta por varios supercomputadores distribuidos en diferentes ubicaciones del país y conectados entre sí. Algunos de estos centros incluyen el BSC (Centro Nacional de Supercomputación) en Barcelona, el BIFI de la Universidad de Zaragoza, el PICASSO de la Universidad de Málaga, el NASERTIC de Navarra, el CETA del CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas) en Madrid, Altamira de la Universidad de Cantabria, Tirant de la Universidad de Valencia, la Universidad Autónoma de Madrid, el Instituto de Astrofísica de Canarias, el FinisTerrae del Centro de Supercomputación de Galicia, el Centro de Supercomputación de Castilla y León, el Centro de Supercomputación de Extremadura, el Consorcio de Servicios Universitarios de Catalunya y el Port d’Informació Científica PIC.

A nivel internacional: Superpotencias de la supercomputación

Aunque la lista Top500 abarca diversos países de todo el mundo, Estados Unidos ha sido el líder indiscutible en términos de supercomputadoras instaladas, representando casi el 50% del total de las 500 máquinas analizadas hasta el momento. Sin embargo, China ha emergido como el nuevo líder, superando a Estados Unidos y convirtiéndose en el primer país en la historia en lograrlo. Otros países se distribuyen el resto de las posiciones. En Europa, Alemania ocupa el tercer lugar, con más de 30 supercomputadoras, seguido muy de cerca por Japón.

Los expertos

Por último, es importante mencionar a los expertos actuales que desempeñan un papel fundamental en la compilación de la lista Top500. Entre ellos se encuentran Jack Dongarra de la Universidad de Tennessee, Erich Strohmaier y Horst Simon del NERSC (Centro Nacional de Investigación Energética en Computación Científica) y del Lawrence Berkeley National Laboratory (Laboratorio Nacional de Berkeley), y hasta 2014 también participaba Hans Meuer de la Universidad de Mannheim en Alemania.

Algunas personas se preguntan si esta lista es completamente precisa y si realmente enumera los 500 equipos más potentes del mundo. La verdad es que no se puede afirmar con certeza. Podríamos decir que incluye a los 500 supercomputadores más potentes conocidos, ya que si algún país posee una supercomputadora secreta, no aparecería en la lista. Además, se sabe que existen algunas máquinas de gran envergadura que no se encuentran en la lista Top500, como Blue Waters de la NSCA, OceanLight, RIKEN MDGRAPE, entre otros, que han optado por no participar en la lista. Ten en cuenta que podría haber proyectos secretos de gobiernos, como los militares, donde no se aportan detalles sobre las máquinas empleadas…

Los orígenes de la Top500

Debido al acelerado crecimiento de la capacidad de procesamiento avanzado, se volvió imperativo rastrear y registrar las capacidades de esta industria con fines informativos. Asimismo, a principios de los años 90 se hizo necesario establecer una nueva definición de supercomputadora. Después de intentar varias medidas que resultaron inadecuadas hasta 1992, surgió la idea en la Universidad de Mannheim de emplear el recuento de procesadores instalados.

A principios de 1993, lograron convencer a Jack Dongarra para que se uniera al proyecto de evaluación de LINPACK y se llevó a cabo la primera prueba para crear la lista. Tras consultar diversas fuentes, se publicaron las dos primeras listas y de esta manera nació el sitio conocido en la actualidad como Top500.

Desde entonces, el primer puesto del ranking del Top500 ha sido ocupado siempre por un sistema que seguía la famosa ley de Moore, que implica duplicar la cantidad de transistores aproximadamente cada 14 meses. Aunque la mayoría de estas supercomputadoras estaban basadas en procesadores x86, como los Intel Xeon y AMD Opteron/EPYC, así como los IBM POWER, también se han presentado sorpresas recientemente con otras unidades de procesamiento más inusuales, como el caso de la Fugaku japonesa, equipada con chips Fujitsu A64FX basados en ARM.

Además, en tiempos más recientes se han incorporado sistemas basados en computación heterogénea, donde se aprovecha la potencia de cómputo de otras unidades utilizadas como aceleradores, como las GPUs.

Top500: Datos interesantes

Para tener una mejor comprensión de la evolución de los microprocesadores utilizados en HPC a lo largo de los años en la lista Top500, podemos observar el anterior gráfico.

Como se aprecia claramente, en las supercomputadoras actuales de la lista Top500, Intel lidera indiscutiblemente, seguido por AMD y los IBM POWER. Estos han ido gradualmente desplazando la diversidad de procesadores que existía en el pasado, cuando el panorama era más equitativo. Sin embargo, también podemos observar la incorporación progresiva de chips Fujitsu A64FX, Cavium y ThunderX basados en ARM, entre otras arquitecturas.

Por otro lado, el mismo análisis se puede realizar con respecto a los sistemas operativos, y aquí hay un claro dominante: Linux. El sistema operativo de código abierto actualmente potencia el 100% de las supercomputadoras de la lista Top500:

Poco a poco, otros sistemas Unix han cedido su lugar a Linux, que ha prevalecido sobre todos ellos. Entre los sistemas Unix anteriores, se encontraban HP-UX, IBM AIX, Solaris, entre otros. En cuanto a Linux, también existen diversas distribuciones, como:

Otros datos curiosos de la Top500 es saber que los aceleradores más empleados en estos supercomputadores:

*Aunque NVIDIA es el líder, también existen otros productos de aceleración como los basados en la AMD Radeon Instinct o los de Intel Arc, entre otras…

Por otro lado, si nos centramos en los constructores o proveedores de supercomputadoras, nos encontramos que los líderes son:

Como vemos, el fabricante Lenovo es uno de los principales. No obstante, aunque no se incluyan en esta tabla, también existen otros como IBM, Dell EMC, Fujitsu, NEC, MEGWARE, etc.

Top10 actual

Si miramos el Top 10 actual de la Top500, es decir, las 10 supercomputadoras más potentes de la actualidad, a falta de la actualización que se va a realizar próximamente, tenemos:

Si te fijas en la tabla anterior, tenemos varias columnas que te explico a continuación:

• Posición: representa el puesto actual dentro del ranking Top500 de la lista, basado en la revisión de noviembre de 2022.
• Rmax/Rpeak: se refieren a la calificación en LINPACK, es decir, el rendimiento medido en PFLOPS o PetaFLOPS. Mientras que Rmax indica el rendimiento alcanzado en LINPACK, Rpeak representa el rendimiento máximo teórico que podría lograr el sistema.
• Nombre: se refiere al nombre del supercomputador.
• Modelo: hace referencia a la plataforma utilizada para su creación o al fabricante que lo comercializa.
• Recuento de núcleos de CPU/Recuento de núcleos del acelerador: indica la cantidad de núcleos de procesamiento de la CPU o de cualquier otro acelerador empleado.
• Interconexión de red: se refiere al tipo de red que conecta los nodos instalados. Por lo general, se utilizan redes de alto rendimiento como InfiniBand, Gigabit Ethernet u otras redes propietarias. De esta manera, todos los nodos pueden funcionar como un solo sistema de cómputo.
• Fabricante: es la empresa responsable del diseño y ensamblaje del supercomputador.
• Sitio y País: indica la ubicación donde se encuentra instalado el supercomputador.
• Año: corresponde al año en que fue instalado.
• Sistema operativo: se refiere al sistema operativo utilizado por el supercomputador para su funcionamiento.

¿Qué es Green500?

Como seguramente sabes, estas enormes máquinas requieren una gran cantidad de energía. Los centros de procesamiento de datos pueden llegar a consumir decenas de megavatios-hora, lo que representa un consumo muy alto y un costo energético considerable. Además, se debe tener en cuenta la energía necesaria para los sistemas de refrigeración, que también suele ser de varios megavatios.

Por esta razón, los miembros de la lista Top500 también presentan de manera semestral un ranking de los 500 supercomputadores ordenados según su rendimiento por vatio consumido, es decir, su eficiencia energética. Esto proporciona una idea de cuáles son los sistemas más eficientes.

La lista Green500 ha sido liderada por diversos tipos de equipos, algunos basados en x86, otros en POWER, con o sin aceleradores, entre otros. Sin embargo, en este caso, el ranking podría ser algo similar a este ejemplo de los tres supercomputadores más eficientes según la lista Green500 de 2022:

En este caso particular, tenemos una columna para indicar la posición en la Green500, seguida de otra que muestra la eficiencia medida en GFLOPS/watio. Luego, encontramos una columna con el nombre del supercomputador, seguida de detalles técnicos, el fabricante, la ubicación y la fecha de instalación, y finalmente el rendimiento según Rmax en PFLOPS, para tener una idea de su posición en la lista Top500.

Como se puede observar, el actual número 1 en la Green500 logra un rendimiento de 65,091 GFLOPS por vatio. Sin embargo, si buscamos este sistema en la lista Top500, el Henri se encuentra en el puesto número 11 entre los más poderosos del mundo.

Quizás te preguntes ¿y qué hay de los ARM? Pues sorprendentemente, esto parece ser un caso atípico, ya que aunque ARM siempre ha presumido de rendimiento y eficiencia, y muchos consideraban impensable que un ARM pudiera superar a otros procesadores, han demostrado que aquellos que lo creían estaban equivocados. Un ejemplo de ello es el Fugaku, que utiliza chips ARM de Fujitsu y actualmente se encuentra en la posición 2 de la lista Top500, aunque en el pasado ocupó incluso el primer puesto. Sin embargo, cuando examinamos la lista Green500, pensaríamos que está mucho mejor posicionado…

En realidad, el Fugaku se encuentra en la posición 43 en la lista Green500, con una eficiencia de 15,418 GFLOPS por vatio. Entonces, ¿qué sucede? ¿Nos han engañado? ¿Los ARM no son tan eficientes? Bueno, si lo comparamos con el Frontier, que actualmente ocupa el primer puesto en la lista Top500, vemos que el Fugaku se ubica mucho mejor en el ranking Green500, en el sexto puesto. Además, el Frontier está basado en AMD EPYC y aceleradores AMD Instinct MI250X, y cuenta con más núcleos, un total de 8,730,112 en comparación con los 7,630,848 del Fugaku.

Como se puede apreciar en esta comparativa, ARM no siempre es la opción más eficiente. Aquí tienes la evidencia. Además, gracias a los aceleradores, se pueden lograr grandes ventajas en rendimiento por vatio consumido, como ya se explicó anteriormente. Y como se puede ver en la lista Top500, el Fugaku utiliza únicamente la potencia de sus procesadores Fujitsu A64FX, sin incluir aceleradores…

En definitiva, la Instruction Set Architecture (ISA) no siempre es el factor más importante cuando se trata de rendimiento y consumo, sino la microarquitectura, es decir, cómo se implementa esa ISA. Y esta lista Green500 nos ha dado una lección al demostrar que la computación heterogénea ofrece grandes ventajas.

Actualmente, Intel con sus núcleos E-Core y AMD con los núcleos Zen c, están también tratando de mejorar el rendimiento por vatio con núcleos más pequeños y eficientes para poder luchar contra los diseños de ARM, por lo que la lucha está muy reñida.

¿Qué es Graph500?

Para concluir, existe otra lista o clasificación de sistemas de alto rendimiento (HPC) que no se enfoca en el rendimiento de cálculo como Top500 ni en la eficiencia energética como Green500, sino en la capacidad para manejar cargas intensivas de datos. Esta lista se conoce como Graph500.

Para aquellos que no estén familiarizados, la computación intensiva de datos se refiere a aplicaciones paralelas utilizadas para procesar grandes volúmenes de datos, generalmente en el rango de terabytes o petabytes en cuestión de segundos, como ocurre en el ámbito del Big Data. Estas aplicaciones requieren una capacidad de cálculo intensiva y también de entrada/salida de datos.

La lista Graph500 se presentó por primera vez en 2010 en la Conferencia ACM/IEEE Supercomputing. Al igual que Top500, esta lista se actualiza dos veces al año, en junio y noviembre, para estar sincronizada con la otra lista.

En lugar de utilizar el benchmark LINPACK, en Graph500 se emplean métricas de rendimiento basadas en GTEPS (GigaTEPS), donde TEPS representa las siglas de «Traversed Edges Per Second» (Aristas Recorridas por Segundo). Esta medida se centra en la capacidad de comunicación de la máquina, a diferencia de los FLOPS (Floating Point Operations Per Second), que se centran en el rendimiento de cálculo en punto flotante de precisión doble (64 bits o FP64) y no tienen en cuenta las capacidades de comunicación del sistema.

Es importante destacar que no siempre es necesario que un centro de procesamiento destaque en términos de GTEPS a menos que se utilice la supercomputadora para aplicaciones como el Big Data. Por ejemplo, simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) o aplicaciones científicas suelen requerir un rendimiento en FLOPS.

Gracias a Graph500, podemos clasificar las supercomputadoras más potentes del mundo en términos de estas métricas y así analizar los problemas relacionados con datos complejos. Estos sistemas requieren un enfoque especial en las capacidades de comunicación. Para medir el rendimiento en GTEPS, se utilizan varios programas de referencia, como GNU Octave, versiones de programas en C que hacen uso de OpenMP, MPI, entre otros.

Para darte una idea de esta lista, a continuación se muestra una tabla actualizada de los tres primeros sistemas en Graph500 en noviembre de 2022:

Como puedes observar, en este caso las columnas presentes son diferentes a las de Top500 y Green500. En lugar de eso, encontramos las columnas habituales de posición, país y ubicación, el tipo de máquina utilizada, el número de nodos y núcleos, y por último, dos columnas especiales que indican la escala del problema y la puntuación en GTEPS alcanzada. Es notable ver que el Fugaku sigue destacando en este caso, ocupando el primer puesto.

Es importante mencionar que existen otros puntos de referencia para HPC, como el HPCG (High Performance Conjugate Gradient). Sin embargo, este benchmark propuesto por Michael Heroux de Sandia National Laboratories, junto con Piotr Luszczek y Jack Dongarra de la Universidad de Tennessee, no ha tenido tanta relevancia. Su objetivo es evaluar el impacto de las limitaciones del subsistema de memoria y las interconexiones internas. Pero eso es otra historia aparte…

Conclusión

Si te pensabas que tu flamante y nuevo PC de escritorio gaming o con configuración avanzada era el más rápido de todos, te equivocas. Existen auténticos monstruos como estos de la lista Top500 que podrían hacer papilla a cualquier equipo doméstico en los benchmarks. Todo gracias a la computación paralela…