Actualizado a: 19 de enero de 2024
Los supercomputadores son unos grandes desconocidos, a pesar de que muchos de nosotros hacemos uso de ellos a diario sin saberlo, como cuando usamos ciertos servicios de la nube. Estos equipos están repartidos por los países desarrollados y existe una lista que reúne a los más potentes del mundo denominada Top500. En este artículo te acercamos a estas grandes máquinas y te mostramos el Top 10 actual de estas grandes máquinas.
¿Qué es HPC?
La informática de alto rendimiento (HPC) es la capacidad de procesar datos y realizar cálculos complejos a gran velocidad. La High Performance Computing (HPC) logra estos objetivos mediante la agregación de potencia de procesamiento, de manera que incluso las aplicaciones complejas sean eficientes, fiables y rápidas, de acuerdo con las necesidades y expectativas de los usuarios.
Gracias a reunir diversas tecnologías, como la arquitectura de computación, los algoritmos, el software de sistemas, los programas y la electrónica, bajo un mismo paraguas, la HPC es capaz de resolver problemas complejos con rapidez y eficacia funcionando como un solo sistema. Su verdadera potencia proviene de la conexión de varios nodos HPC en un clúster.
¿Qué son los superocomputadores?
Los superordenadores o suprecomputadores son grandes máquinas con unas características muy superiores a los que tenemos en casa. Y esto lo consiguen gracias a la redundancia de elementos tales como la CPU, la GPU, las unidades de memoria, etc. Por ejemplo, un supercomputador podría tener miles o cientos de miles de procesadores para poder llegar a potencias de cálculo de varios petaFLOPS.
No obstante, los elementos que tiene son bastante similares a los de un equipo convencional. Por ejemplo, las unidades de almacenamiento o los módulos de memoria RAM son bastante parecidos. Algunas diferencias suelen estar en las placas base, que suelen ser MP o MultiProcesador, es decir, con varios sockets, además de CPUs de modelos específicos para HPC como son las Intel Xeon o las AMD EPYC, entre otras como IBM POWER, SPARC, Arm, etc.
Para que todas las unidades trabajen al unísono, repartiendo la carga de trabajo entre todas y así consiguiendo esas tasas de rendimiento, se usan multitud de unidades de red como los switches, que entrelazan todos estos elementos que trabajarían como un solo PC de proporciones épicas.
Algo parecido pasa con las GPUs de estos equipos, que también suelen ser versiones especiales para HPC (High Performance Computing), como las de NVIDIA Ampere o la AMD Radeon Instinct especialmente potenciadas para obtener mayor tasa de FLOPS, u optimizadas para tareas como la IA, el ML, etc.
Por otro lado, las unidades de almacenamiento suelen ser HDD o SSD muy similares a las que tenemos en un PC convencional, pero suelen instalarse de forma redundante para conseguir mayores capacidades y con configuraciones RAID para mayor fiabilidad si alguna de las unidades falla para no perder los datos. No obstante, algunas marcas como Seagate o Western Digital, tienen modelos específicos de sus unidades de almacenamiento especiales para las máquinas de alta disponibilidad.
En cuanto a las marcas de estos equipos, también son bastante conocidas por todos vosotros. Por ejemplo, HPE (HP) es uno de los mayores constructores de supercomputadoras, junto con Fujitsu, IBM, Lenovo, entre otras.
Y no me gustaría terminar este apartado sin hablar también del software. El 100% de los supercomputadores más potentes del mundo usan alguna versión Linux, especialmente SUSE Linux Enterprise Server (SLES) o RHEL (Red Hat Enterprise Linux).
Sistemas de refrigeración
Dadas las dimensiones de estos equipos, que pueden pesar toneladas y medir cientos de metros cuadrados, todo ese hardware trabajando con altas cargas desprende mucho calor y necesita enfriarse para trabajar correctamente. Por eso, no se usan sistemas de enfriamiento convencionales como en un PC.
Para estos sistemas se suelen usar sistemas de refrigeración basados en aire acondicionado para la sala y también otros sistemas avanzados como la refrigeración líquida, e incluso algunos por inmersión en un líquido especial que enfría estos equipos a las temperaturas ideales.
Por otro lado, no solo se controla la temperatura, también la humedad relativa de la sala donde se alojan estas máquinas (centro de datos) y otros parámetros, ya que pueden ser muy susceptibles a variaciones y producirse humedad y cortocircuitos que dejan caído el servicio.
Sistemas de alimentación
También es importante destacar el sistema de alimentación de estos equipos. Suelen tener fuentes de alimentación más potentes que en su totalidad pueden estar alimentando con decentas de MW (mega vatios) a la máquina, ya que estos equipos HPC consumen ingentes cantidades de energía. De hecho, los centros de datos consumen más del 1% de la energía mundial.
Además, se complementan con unos sistemas UPS o de alimentación ininterrumpida para que los centros singan funcionado en caso de corte del suministro eléctrico. Estos sistemas SAI suelen durar unos 15 min aproximadamente, suficiente para que se pongan en funcionamiento de forma estable otras unidades de generadores diésel que suelen tener estos centros para alimentar todo el sistema cuando el corte de suministro eléctrico se prolonga más allá de eso. Ten en cuenta que son equipos creados para la alta disponibilidad, y todo el tiempo que estén parados es una pérdida inmensa de dinero.
¿Para qué se usan los supercomputadores?
Estos equipos cuestan miles de millones de euros y se suelen usar para tareas muy diversas. Pueden funcionar para aportar algún servicio en la nube a los clientes conectados o para tareas científicas en multitud de campos, desde la física, o la medicina, pasando por la astronomía, biología, o estudios mediambientales. Por ejemplo, gracias a estas máquinas la vacuna del COVID y el descifrado de su secuencia de ADN se descifró en un tiempo récord.
Estas grandes máquinas también son usadas para la investigación nuclear, para el diseño de nuevas tecnologías, o para la competición en el motorsport. Por ejemplo, los equipos de Fórmula 1 tienen supercomputadores para realizar las simulaciones de CFD necesarias para el desarrollo de la aerodinámica. También los fabricantes de aeronaves, etc.
También sirven para estudios meteorológicos, con la información procedente de los satélites la pueden procesar para determinar la previsión que todos podemos ver en nuestros dispositivos móviles o en la TV. Lo cierto es que estas máquinas sirven para más cosas de las que muchos creen y, pese a eso, siguen siendo unas desconocidas.
Usos habituales
Entre los usos más habituales de la supercomptuación están:
- Investigación militar, como para el desarrollo de armas nucleares.
- Estudios de astrofísica.
- Medioambiente y sostenibilidad, como las investigaciones sobre el cambio climático.
- Meteorología para las previsiones y prevenciones de catástrofes naturales.
- Medicina y salud, para obtener nuevos medicamentos, vacunas, estudio de enfermedades, secuenciación del ADN, etc.
- Estudios de la composición atmosférica y calidad del aire.
- Big data para el análisis de ingentes cantidades de datos en tiempo récord.
- Biomecánica para la simulación.
- Para la industria energética.
- Investigaciones de geofísica.
- Bioinformática.
- Computación en la nube.
- Simulaciones sociales y estudios antropológicos.
- Investigaciones sobre el espacio exterior.
- Simulación CFD para conductos, aerodinámica, comportamiento de fluidos, etc.
- Otros.
Top 10 supercomputadores más potentes de la actualidad
Por último, es importante conocer cuáles son los 10 supercomputadores más avanzados y potentes de la actualidad. La lista actualizada durante este mes de noviembre de 2022 es:
1º Frontier
El Frontier es el supercomputador más potente de la actualidad. Se encuentra en Estados Unidos, y lo usa la DOE/SC/Oak Ridge National Laboratory para estudios sobre el medioambiente. Este equipo posee 8.730.112 núcleos de computación, y puede llegar a los 1.102 PTFLOPS (operaciones de coma flotante por segundo). Además, este equipo tiene un consumo de nada menos que 21.100 kW.
Se compone de un equipo diseñado por HPE, Cray EX235a, con procesadores AMD EPYC de 3ª Gen de 64 núcleos cada uno y una frecuencia de reloj de 2 Ghz, junto con unidades de GPGPU AMD Instict MI250X.
2º Fugaku
Fugaku es un supercomputador muy especial, ya que fue el primero basado en ARM en ocupar el puesto 1 de rendimiento. Actualmente ha caído a la segunda posición. Se encuentra en Japón y ha sido creado por Fujitsu y RIKEN Center for Computational Science.
Posee 7.630.848 núcleos ARM distribuidos por unidades A64FX de 48 núcleos cada una a 2.2 Ghz. EL consumo de este equipo es de 29.899 kW, y puede conseguir una potencia de cálculo de 442.01 PFLOPS.
3º LUMI
Otro sistema construido por HPE, el Cray EX235a, con unidades AMD EPYC de 64 núcleos y 2 Ghz junto con tarjetas gráficas AMD Instinct MI250X. Este equipo es actualmente el más potente de Europa y se encuentra alojado en Finlandia, y es compartido para estudios científicos de varios países nórdicos.
Cuenta con 2.220.288 núcleos de procesamiento y consume 6.016 kW.
4º Leonardo
Este equipo está intalado en Italia, y ha sido creado por Atos para EuroHPC/CINECA. Tiene 1.463.616 núcloes de procesamiento y consume 5.610 kW de potencia. Su rendimiento de cálculo llega a los 174.70 PFLOPS.
Es un sistema BullSequana XH200 con procesadores Intel Xeon Platinum 8358 de 32 núcleos cada uno a 2.6Ghz y tarjetas gráficas NVIDIA Ampere A100 SM4 de 64 GB VRAM, junto con una red QuadRail NVIDIA HDR100 Infiniband.
5º Summit
En su momento este supercomputador también ocuparía la primera posición en el Top500, pero ha bajado ahora a la quinta. Se trata de un equipo creado por IBM para el DOE/SC/Oak Ridge National Laboratory de Estados Unidos.
Cuenta con 2.414.592 unidades de núcleos de procesamiento, con una potencia total de 148.60 PFLOPS y un consumo de 10.096 kW. Se basa en el sistema Power System AC922 con procesadores IBM POWER9 de 22 núcloes y 3.07 Ghz, y tarjetas NVIDIA Volta GV100, con red Mellanox EDR Infiniband.
6º Sierra
Este sistema también es un IBM, basdo en el Power System AC922. En est caso también para el DOE/NNSA/LLNL de Estados Unidos. Cuenta con procesadores POWER9 de 22 núcleos cada uno a 3.1 Ghz, tarjetas NVIDIA Volta GV100, y red Mellanox EDR Ifiniband.
En cuanto a núcleos de procesamiento, suma un total de 1.572.480, con potencia de cálculo de 94,64 PFLOPS y un consumo de 7.438 kW.
7º Sunway TaihuLight
Creado por Sunway MPP y basado en procesadores Sunway SW26010 de 260 núcleos cada uno a frecuencia de 1.45 Ghz, es un supercomputador para el National Supercomputing Center de Wuxi, en China. Está dsetinado a investigaciones varias.
Posee 10.649.600 núcleos de procesamiento y desarrolla 93.01 PFLOPS de rendimiento de cálculo. Además, su consumo es de 15.371 kW.
8º Perlmutter
El Perlmutter es un sistema HPE Cray EX235n para el DOE/SC/LBNL/NERSC de Estados Unidos. Un equipo destinado a investigación científica y con 761.856 núcleos de procesamiento capaces de llegar a los 70,87 PFLOPS y un consumo de 2.589 kW.
Se basa en unidades de procesamiento AMD EPYC 7763 de 64 núcleos cada una y con una frecuencia de reloj de 2.45 Ghz. También se acompaña de tarjetas NVIDIA Ampere A100 SXM4 de 40 GB de VRAM cada una.
9º Selene
Este supercomputador ha sido diseñado por NVIDIA y está en Estados Unidos. Puede llegar a los 63.46 PFLOPS de rendimiento y un consumo de 2.646 kW. Tiene 555.520 núcleos de procesamiento AMD EPYC 7742 de 64 núcleos cada uno a 2.25 Ghz y tarjetas NVIDIA Ampere A100, junto con una red Mellanox HDR Infiniband.
10º Tianhe-2A
Este supercomputador chino también llegó a ocupar el primer puesto del Top500. Se trata de un equipo para el National Super Computer Center de Guangzhou dedicado a estudios múltiples. Este equipo TH-IVB-FEP se basa en clusters Intel Xeon E5-2992v2 de 12 núcleos cada uno y con 2.2 Ghz de velocidad de reloj. Además cuenta con tecnología TH Express-2 y Matrix-2000. Con 4.981.760 núcloes de procesamiento puede llegar a los 61,44 PFLOPS y con un consumo de 18.482 kW.
BONUS – Marenostrum
En España no solo tenemos el que fue elegido como más bonito de todos los supercomputadores, el Marenostrum del BSC en Barcelona, sino que también es de los más potentes de Europa y del mundo. Se destina a investigaciones varias, desde el desarrollo de medicinas, investigación oncológica, ADN, clima, ingeniería, hasta el desarrollo de nuevos procesadores europeos.
Ahora llegará una nueva actualización, el Marenostrum 5 (construido por Atos y con procesadores europeos). Éste debería de situar a este equipo español entre el Top10 de la lista. La actualización tiene previsto llegar a los 314 PFLOPS de rendimiento máximo, lo que significa 314 mil billones de cálculos de coma flotante por segundo. Además contará con más de 200 PB de almacenamiento y 400 PB de archivo activo.
Para ello se han destinado 151,41 millones de euros, pero hasta que llegue nos tenemos que conformar con el Marenostrum 4. Esta versión de 2019 cuenta con 14 PB de capacidad de almacenamiento, red de alta velocidad Omnipath, procesadores Intel Xeon Platinum con 24 núcloes cada uno sumando un total de 165.888 núcleos, un consumo de 1.3 MW al año, y un rendimiento de 11.15 PFLOPS.
Por otro lado, tiene otros clusters formados por arquitecturas heterogéneas, como procesadores IBM POWER9, GPUs NVIDIA Volta, y procesadores AMD EPYC Rome y AMD Radeon Instinct MI50, e incluso procesadors basados en ARMv8.
El equipo Marenostrum 4 ha sido diseñado por Lenovo, y actualmente ocupa la posición 88º del Top500 del mundo…
Futuro: Computación cuántica
Los computadores cuánticos ya son supercomputadoras por sí mismos. Se basan en el bit cuántico, o qubit, algo análogo a los bits de la computación clásica. Los ordenadores cuánticos utilizan bits cuánticos, o qubits, que manejan la información de forma muy diferente. Los ordenadores clásicos, incluidos los smartphones y los ordenadores portátiles, codifican la información en bits binarios, o bits, que pueden ser o bien 0s o bien 1s.
En cambio, las leyes de la mecánica cuántica permite que los qubits codifiquen exponencialmente más información que los bits. Estos qubits pueden estar en uno u otro estado o en ambos, pudiendo aumentar el poder de paralelismo de estas máquinas.
La computación cuántica y la convencional son dos mundos paralelos, con algunas similitudes pero también muchas diferencias. Por ahora, aunque ya existen varios de estos computadores cuánticos en funcionamiento, creados por empresas como IBM, Intel, Google, D-Wave Systems, entre otras, aún tienen mucho desarrollo por delante para poder ser realmente funcionales. Por el momento, solo se usan de forma experimental y como servicios (QaaS o Quantum as a Service) como el caso del IBM Q.
Nadie ha mostrado una forma mejor de hacer un ordenador cuántico tolerante a fallos, y varias empresas y grupos de investigación están investigando varios tipos de qubits. Dado el ritmo de desarrollo actual, es probable que aún le quede mucho camino a los actuales supercomputadores basados en el paradigma actual.
