Quando le persone sentono la parola supercomputer, di solito immaginano Deep Blue. Quella macchina dell’IBM batté Gary Kasparov a scacchi nel 1997. Diventò il volto pubblico dell’informatica ad alte prestazioni. La vittoria è stata controversa. Alcuni sostenevano che il computer fosse troppo affidabile o che Kasparov giocasse male. La verità è più complicata. L’IBM ha effettivamente smantellato Deep Blue subito dopo la partita. Non è sopravvissuto come sistema funzionante.
Watson ha cambiato il gioco più tardi. Ha battuto i campioni di Jeopardy! Ken Jennings e Brad Rutter. Ha gestito il linguaggio naturale e le curiosità con facilità. Questi sistemi erano brillanti. Ma impallidiscono rispetto a quelli presenti nella lista TOP500 di novembre 2013.
TOP500 tiene traccia dei 500 sistemi più potenti disponibili in commercio. Il nome sembra ironico. Questi non sono commerciali, nel senso che puoi acquistarne uno dallo scaffale. Sono monoliti istituzionali. Sembrano un ritorno agli anni ’50. I primi computer riempivano intere stanze. Quelli moderni riempiono i magazzini. Usano rack di hardware all’avanguardia per produrre petaflop di potenza.
Il tuo laptop ha quattro core. Un supercomputer ne ha centinaia di migliaia. La voce principale aveva oltre tre milioni di core.
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Come vengono misurati i supercomputer
TOP500 utilizza il benchmark Linpack. Alimenta un computer con equazioni lineari. Misura la velocità con cui la macchina li risolve. Un metodo alternativo è in lavorazione. La classifica è importante perché tiene traccia del progresso globale. L’elenco viene aggiornato ogni sei mesi. Nuovi sistemi salgono di livello. Il Tianhe-2 cinese ha conquistato il primo posto nel novembre 2013.
Ecco come apparivano i primi 10 all’inizio del 2014.
10: SuperMUC (Germania)
9: Vulcano (Stati Uniti)
La classifica è cambiata ancora. SuperMUC è scivolato dal quarto al decimo posto. Quella goccia fa male. Ma l’efficienza rimane il punto focale. Il raffreddamento ad acqua fa la differenza. Il raffreddamento ad aria non può competere. I numeri di IBM sono crudi. La rimozione del calore è 4.000 volte più veloce. Non è un errore di battitura. È fisica.
Perché è importante? Bollette elettriche. Impronte di carbonio. Il costo per mantenere in vita un cervello. SuperMUC risparmia il 40% di energia. È enorme per una macchina così grande. 150.000 core non funzionano in base alla buona volontà. Funzionano con l’elettricità. Il Centro di supercalcolo Leibniz lo sapeva. Hanno installato il raffreddamento ad acqua calda. Impedisce ai processori di sciogliersi. È semplice. È efficace.
Il secondo più veloce della Germania. Il terzo d’Europa. Quasi il doppio del decimo posto dello scorso anno. La velocità non è tutto. La stabilità conta. L’efficienza conta. SuperMUC dimostra che non è necessario bruciare il pianeta per fare calcoli.
Ma gli Stati Uniti non stanno fermi. La voce successiva nell’elenco cambia il gioco.
9: Vulcano (Stati Uniti)
Vulcano. Laboratori Nazionali Sandia. Nuovo Messico. Non è solo veloce. È denso. Sistemi Cray. Processori Xeon. Reti InfiniBand. L’architettura è diversa. Si tratta di racchiudere la potenza in un ingombro ridotto. Meno spazio. Più calcolo.
Come si confronta? SuperMUC è più ampio. Vulcano è più profondo. La densità energetica è maggiore. Ciò comporta nuove sfide di raffreddamento. Non serbatoi di acqua calda. Raffreddamento a microcanali. Piatti freddi liquidi. L’hardware deve respirare in modo diverso.
Chi lo usa? Sicurezza nazionale. Modellazione climatica. Astrofisica. Le candidature hanno una posta in gioco alta. Vulcan esegue simulazioni che prevedono i risultati. Risultati che influenzano la politica. Risultati che costano miliardi.
Non è solo una questione di velocità. È una questione di precisione. A 150.000 core, un singolo bit flip può avvenire a cascata. SuperMUC gestisce questo con la scala. Vulcan lo gestisce con design. Stretta integrazione. Bassa latenza.
Quale è meglio? Dipende dal problema. SuperMUC per sollevamenti pesanti di uso generale. Vulcan per compiti specializzati e ad alta densità. La linea è confusa. Entrambi stanno spingendo i limiti di ciò che è fisicamente possibile in un data center.
I sistemi di raffreddamento raccontano la storia. Uno utilizza circuiti d’acqua. L’altro utilizza il liquido direct-to-chip. Entrambi risolvono lo stesso problema. Il caldo è il nemico. Il potere è la risorsa. L’efficienza è la metrica.
L’ingresso di Vulcan nella top ten non è solo un cambio di classifica. È una dichiarazione. Gli Stati Uniti stanno raddoppiando la densità. Sull’efficienza. Fare di più con meno.
La corsa non è finita. Sta diventando sempre più caldo. Letteralmente.
Vulcan: la centrale elettrica della NNSA apre le porte all’industria
Vulcan ha preso il nono posto nella lista, segnando il primo ingresso nella top 10 a funzionare sulla formidabile architettura BlueGene/Q di IBM. Si affida ai processori Power BQC, chip a 16 core con clock a 1,6 GHz, per fornire potenza computazionale grezza. Il sistema registra 4,3 petaflop. Si tratta di un salto significativo, che supera il suo predecessore di oltre un petaflop e sfrutta quasi 400.000 core per portare a termine il lavoro.
Non opera in modo isolato. Il Livermore National Laboratory (LLNL) in California ospita due dei 10 migliori supercomputer e Vulcan è uno di questi. La macchina rientra nella competenza della National Nuclear Security Administration (NNSA) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.
La vera storia qui, tuttavia, è chi può usarlo.
A metà del 2013, LLNL ha compiuto una mossa strategica. Hanno aperto l’orologio di Vulcano alle imprese statunitensi. Questa non è stata una partita tutti contro tutti. Le aziende potevano accedere all’hardware per progetti collaborativi, ma dovevano coprire una quota dei costi operativi. L’obiettivo era chiaro: promuovere il progresso scientifico e tecnologico, rafforzare la competitività degli Stati Uniti ed espandere la forza lavoro del calcolo ad alte prestazioni (HPC).
Al tavolo sono stati invitati anche istituti accademici e di ricerca. La collaborazione si è concentrata su settori specifici ad alta posta in gioco.
- Energia
- Sicurezza
- Scienza dell’atmosfera
- Bioscienza
“Vulcan è destinato alla collaborazione con istituti accademici e di ricerca in settori quali energia, sicurezza, scienze atmosferiche e bioscienze.”
Questo accordo ha trasformato una struttura ad alto contenuto classificato in un hub per il partenariato pubblico-privato. Ha consentito a soggetti esterni di attingere a risorse che altrimenti sarebbero state inaccessibili, a condizione che avessero una ragione convincente per farlo e i fondi per mantenere le luci accese.
8: JuQUEEN (Germania)
JuQUEEN non è apparso dal nulla. È costruito sull’architettura BlueGene/Q di IBM, una piattaforma progettata per l’elaborazione parallela su larga scala. Il sistema raggiunge una prestazione massima di 5 petaflop, operando su circa 459.000 core. Si tratta di una quantità impressionante di potenza di calcolo, ma non è gratuita.
A differenza di alcune voci di questo elenco che circolano da alcuni anni, JuQUEEN ha una storia specifica. È stato costruito nel 2012 per sostituire JUGENE. Lo stesso JUGENE era stato un peso massimo, classificandosi come il nono sistema più veloce nella TOP500 di novembre 2010. Sostituire una macchina di alto livello non significa solo avere un logo più nuovo sullo scaffale. Si tratta di sostenere lo slancio scientifico.
L’accesso non è aperto al pubblico. I ricercatori affiliati all’Alleanza per la ricerca Jülich-Aachen devono presentare i loro progetti. Devono giustificare il motivo per cui hanno bisogno di questi nuclei specifici. Se la proposta verrà approvata, potranno ritagliarsi del tempo su uno dei supercomputer più potenti del pianeta. È un processo competitivo. Non stai solo affittando un server. Stai guadagnando il diritto di utilizzare risorse che definiscono l’avanguardia dell’elaborazione ad alte prestazioni.
Questo modello di accesso si estende oltre JuQUEEN. Gli scienziati possono richiedere tempo su altri due colossi tedeschi: SuperMUC e HERMIT. HERMIT si trova al numero 39 nella lista TOP500. Tutto questo è coordinato attraverso il Gauss Center for Supercomputing (GCS). Esiste anche la Partnership for Advance Computing in Europe (PRACE). Queste organizzazioni gestiscono l’allocazione di quelle che sono essenzialmente infrastrutture nazionali e continentali.
7: Stampede (Stati Uniti)
L’ascesa e l’architettura di Stampede
Stampede non rimase a lungo al vertice. Si è fatto strada fino al numero 7 nel novembre 2012. Nel giugno 2013 era arrivato al numero 6. Ora è tornato alla posizione precedente nella lista più recente. Ma l’hardware non è cambiato. Il sistema funziona con processori Intel Xeon E5 a 8 core da 2,7 GHz abbinati a coprocessori Intel Xeon Phi. Questa combinazione fornisce circa 462.000 core. Il risultato? Quasi 5,2 petaflop di prestazioni grezze.
Il denaro per questa bestia proveniva da una sovvenzione della National Science Foundation (NSF). TACC, il Texas Advanced Computing Center presso l’Università del Texas ad Austin, ospita il sistema Dell PowerEdge. Se ne sta lì, canticchiando, aspettando il lavoro.
Chi può utilizzare i supercomputer finanziati dalla NSF?
Da gennaio 2013, Stampede è aperto a scienziati e ricercatori di ogni campo. Fa parte dell’Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) della NSF. Consideratela come una rete virtuale. Condivide apertamente la potenza di calcolo di 16 supercomputer e altre risorse. Il 90% della capacità di Stampede va a XSEDE. Il direttore del TACC controlla il restante 10%.
I ricercatori qualificati di qualsiasi istituzione statunitense possono presentare proposte tramite il sito Web XSEDE. Non si limitano a entrare e collegare un laptop a una porta. Devono fare domanda. Devono dimostrare di aver bisogno di quel tipo di potere.
6: Piz Daint (Svizzera)
Il supercomputer Cray noto come Piz Daint è in funzione dall’aprile 2013. Non è rimasto a lungo nell’ombra. Un importante aggiornamento lo ha portato direttamente al sesto posto nella classifica globale. Questa mossa ha detronizzato JuQUEEN. All’improvviso il Piz Daint divenne il supercomputer più potente d’Europa.
Il sistema risiede presso il Centro nazionale svizzero di supercalcolo. Combina processori Intel Xeon E5 con unità di elaborazione grafica NVIDIA. Questa configurazione ibrida non è solo una questione di velocità. Si tratta di fare di più con meno energia. La macchina vanta 116.000 core di elaborazione. Questo hardware gli consente di raggiungere 6,3 petaflop di potenza di calcolo. I ricercatori lo usano per modellare i modelli meteorologici e climatici. Lo usano anche per calcoli scientifici in molti altri campi.
Qui conta l’efficienza. Piz Daint è uno dei supercomputer più efficienti dal punto di vista energetico. Segna 3.185,9 megaflop per watt. Questa metrica proviene dall’elenco GREEN500.
Piz Daint è l’unico supercomputer a figurare tra i primi 10 nelle liste TOP500 e GREEN500.
La maggior parte dei sistemi scambia energia con consumo energetico. Questo no. La classifica GREEN500 prende tutti i supercomputer nell’elenco TOP500 e li classifica in base all’efficienza energetica. L’architettura ibrida di Piz Daint mantiene basso il consumo di energia. Le GPU sono più efficienti dal punto di vista energetico rispetto alle CPU tradizionali. Quella scelta progettuale fa la differenza.
5: Mira (Stati Uniti)
Perché Mira di IBM ha dominato il panorama del supercalcolo nel 2013
Mira non era solo un’altra voce nella lista dei primi 500. È diventato pienamente operativo nel 2013 e si è immediatamente affermato come una centrale elettrica, raggiungendo l’incredibile cifra di 8,6 petaflop. Per mettere questo numero in prospettiva, Mira ha sovraperformato il Piz Daint svizzero di oltre 2 petaflop e ha superato il sistema Stampede di quasi 3,5 petaflop. Il divario non era sottile. Era una dichiarazione.
Fondamentalmente, Mira è una bestia costruita sulla piattaforma BlueGene/Q di IBM. Ospita 786.000 core di processore, un’enorme infrastruttura situata presso l’Argonne National Laboratory nell’Illinois. Questo sito funge da centro di ricerca per il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE). Anche Mira non è apparsa dal nulla. Ha sostituito Intrepid, un vecchio sistema IBM che si era classificato al quarto posto nella stessa lista nel 2008. L’aggiornamento è stato significativo, segnando un chiaro cambiamento nella capacità di calcolo per la scienza finanziata dal DOE.
Come funziona l’accesso a Mira per i ricercatori
Ottenere tempo su Mira non è semplicemente questione di pagare una tariffa. Opera secondo un rigoroso modello di allocazione progettato per la scienza ad alto impatto. Il punto di accesso principale è il programma INCITE (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment). Per ottenere l’accesso, i ricercatori devono presentare proposte tramite l’Ufficio scientifico del DOE.
La distribuzione delle risorse è precisa:
– Il 60% della capacità di Mira è dedicata ai vincitori INCITE.
– Il 30% sostiene l’Advanced Science Computing Research Leadership Computing Challenge.
– Il restante 10% è tenuto di riserva per calcoli urgenti e urgenti che non possono attendere il ciclo di revisione standard.
Questa struttura garantisce che il sistema soddisfi sia progetti pianificati su larga scala che esigenze improvvise e critiche. Bilancia gli obiettivi scientifici a lungo termine con le esigenze operative immediate.
Il contendente giapponese: K Computer
Passando dagli Stati Uniti al Giappone, il computer K rappresenta un approccio diverso al calcolo ad alte prestazioni. Situato presso il RIKEN Advanced Science Institute, questo sistema è stato progettato da Fujitsu e utilizza processori SPARC64 VIIIfx. Come Mira, è entrato in scena con intenzioni serie, sfidando l’ordine stabilito del dominio dei supercalcoli. La sua architettura si concentrava sull’efficienza e sulla densità di potenza, con l’obiettivo di fornire un rendimento elevato senza consumare una quantità irragionevole di energia.
Ascesa e relativo declino del computer K
Il computer K di Fujitsu ha detenuto il titolo di macchina più veloce del mondo in entrambe le classifiche di inizio 2011. Oggi è al numero quattro. Quel calo non significa che sia debole. Distrugge ancora il Mira di IBM con una velocità pura di 10,5 petaflop. Rimane l’unica voce giapponese nella top ten mondiale.
La macchina vive presso il RIKEN Advanced Institute for Computational Science in Giappone. La sua attività quotidiana comprende la prevenzione dei disastri globali, la meteorologia e la ricerca medica. Fa tutto questo senza fare affidamento sull’architettura IBM. Funziona invece sui processori octo-core SPARC64 VIIIfx di Fujitsu. Ben 705.000 core gestiscono il lavoro pesante. Eseguono i calcoli a un ritmo che sembra ancora incredibile.
Ma siamo chiari. Le prime tre macchine appartengono a un campionato diverso. Sono passi da gigante più potenti.
3: Sequoia (Stati Uniti)
Sequoia è scesa dal primo posto nel giugno 2012. A novembre era seconda. Ora si trova al numero tre. Non resta indietro. È semplicemente stato superato. La macchina gode ancora di rispetto con 1,6 milioni di core di elaborazione e l’incredibile potenza di calcolo di 17,2 petaflop.
Pensa a cosa significa realmente quel numero.
Nel 2008, Roadrunner di IBM fece notizia. È stata la prima macchina a superare la barriera di 1 petaflop. Sono mille trilioni di operazioni al secondo. IBM ha affermato di aver funzionato come 100.000 laptop di quell’epoca. Sequoia non è solo un aggiornamento. È 17 volte più veloce rispetto al benchmark del 2008.
L’hardware interno non è esattamente all’avanguardia per gli standard di consumo odierni. Sequoia si basa sul design BlueGene/Q di IBM. Ogni chip ha 16 core che funzionano a 1,6GHz. Quella velocità di clock sembra lenta ora. Ma la scala cambia tutto. Con 96 rack di questi chip che lavorano all’unisono, l’output collettivo diventa terribilmente efficiente.
Chi ha bisogno di così tanto potere?
Potresti chiederti perché qualcuno ha bisogno di 17,2 petaflop. La risposta è nascosta a porte chiuse presso il Livermore National Laboratory.
Fa parte della National Nuclear Security Administration sotto il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. Sequoia, insieme al fratello Vulcan, si occupa di lavori riservati. Il compito più critico? Simulazione di esplosioni nucleari.
Non hanno bisogno di vere e proprie detonazioni. Hanno bisogno della fisica. Fisica in tempo reale.
Sequoia è 63% più veloce del computer al quarto posto nell’elenco di novembre 2013. Quel divario non è solo ego. È necessità. Quando si modella l’implosione di una testata senza un singolo colpo di prova, i millisecondi contano. I microsecondi contano. La differenza tra una simulazione riuscita e una fallita può costare milioni o vite umane.
Questo ci porta al prossimo contendente nella corsa per il dominio computazionale grezzo.
2: Titano (Stati Uniti)
Il potere ibrido di Titano a Oak Ridge
Si trova in una stanza dell’Oak Ridge National Laboratory nel Tennessee, canticchia piano mentre fa lavori pesanti. Titano non è solo un nome. È all’altezza. Questa macchina si trova al numero due nella lista Top500, rimanendo stabile da giugno 2013. Non sembra un granché dall’esterno. Solo armadi. Ma all’interno c’è un hardware serio.
Cray l’ha costruito. O meglio, lo hanno integrato. Il core è costituito da processori AMD Opteron 6274. Stai osservando sedici core per chip che funzionano a 2,2 GHz. Ma quelle CPU sono solo il personale di supporto. Le vere star sono le GPU NVIDIA collegate a ciascun nodo. Insieme, forniscono 17,6 petaflop. Questo è un numero enorme. Il sistema utilizza circa 561.000 core per arrivarci.
Perché è importante? Perché Titan è un ibrido. Non si tratta solo di CPU. Non si tratta solo di GPU. È entrambe le cose. Questa scelta progettuale ha cambiato tutto per l’Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF). Non avevano bisogno di nuovi edifici. Non avevano bisogno di nuove reti elettriche. Potrebbero inserire Titano nello stesso spazio fisico che in precedenza ospitava Jaguar.
Il giaguaro era la loro vecchia bestia. Titano è nove volte più veloce. Tuttavia, il consumo energetico è aumentato solo del 60% circa. Questa è efficienza. Ottieni nove volte il lavoro per una frazione dell’aumento di potenza. Se avessero costruito un sistema di quelle dimensioni composto esclusivamente da CPU, la bolletta elettrica sarebbe stata astronomica. Le GPU hanno mantenuto gestibili il calore e l’assorbimento di potenza.
Programmazione per hardware accelerato
C’è un problema. Non puoi semplicemente eseguire il vecchio codice e aspettarti la magia. Le GPU richiedono un approccio diverso. Devi scrivere software che capisca come parlare con processori paralleli. Non è plug-and-play.
Per risolvere questo problema, l’OLCF non ha agito da sola. Hanno collaborato con Cray e NVIDIA. L’obiettivo era chiaro: rendere queste macchine utilizzabili per gli scienziati. Il risultato è stato il Center for Accelerated Application Readiness (CAAR). Questo gruppo lavora sulle migliori pratiche. Scrivono le guide. Creano le strutture in modo che i ricercatori non debbano capire da zero ogni dettaglio di basso livello.
Come usi concretamente questo potere? Non ci guadagni solo tempo. È una risorsa per il bene pubblico. I ricercatori presentano proposte attraverso il programma INCITE del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. Se il tuo progetto supera il taglio, ottieni l’accesso. È competitivo. È rigoroso. Ma per chi vince, si tratta della migliore potenza di calcolo sulla Terra.
Titan ha dimostrato che l’architettura ibrida non era un esperimento di nicchia. Era il futuro. Ha dimostrato che è possibile crescere senza spendere troppo per l’elettricità.
1: Tianhe-2 (Cina)
Tianhe-2 è arrivato nel 2012, battendo di due anni il programma previsto. Non è semplicemente entrato in classifica. È balzato direttamente al numero uno.
La macchina elabora a 33,9 petaflop. È quasi il doppio delle prestazioni di Titan o Sequoia. È anche più di dieci volte più veloce di Tianhe-1A, che era al numero dieci nel giugno 2013.
Questa non è solo una modifica del software. L’hardware è enorme.
Funziona su un mix di processori Intel Xeon E5. Processori personalizzati. E coprocessori Intel Xeon Phi. In totale, ci sono circa 3,12 milioni di core.
Chi costruisce il miglior supercomputer cinese?
Il sistema è stato sviluppato dalla National University of Defense Technology (NUDT). Si trova presso il National Super Computer Center di Guangzhou. L’obiettivo è l’istruzione e la ricerca.
Al momento, è l’unico ingresso della Cina nella top ten. Ma per la pura potenza di elaborazione in una singola macchina, i diritti di vantarsi sono solidi.
“Tianhe-2 dà loro il diritto di vantarsi della pura potenza di elaborazione in un’unica macchina.”
Perché Ubuntu Kylin è importante per la tecnologia cinese
Tianhe-2 funziona su una versione personalizzata di Ubuntu Linux chiamata Kylin. Questo non è stato costruito nel vuoto.
Nasce da una partnership tra NUDT, il China Software and Integrated Circuit Promotions Center (CSIP), e Canonical, i creatori di Ubuntu.
Ciò evidenzia una tendenza più ampia. Tutti i primi dieci supercomputer, e la maggior parte dei primi 500, utilizzano Linux. Windows non regge il confronto qui. Non ancora.
Kylin però non è bloccata nella sala server. È un sistema operativo open source disponibile gratuitamente su misura per gli utenti cinesi. Puoi scaricarlo dal sito di Ubuntu. Funziona anche sui personal computer.
Ciò significa che lo stesso sistema operativo che alimenta una delle macchine più veloci del mondo è anche sul tuo desktop. Se vivi in Cina o desideri semplicemente utilizzare Linux ottimizzato per l’input cinese, è un’opzione.
Come si confronta con gli altri supercomputer?
Le specifiche di Tianhe-2 sono specifiche. 33,9 petaflop. 3,12 milioni di core. Intel Xeon E5 e Phi.
Confrontalo con Titano. Oppure Sequoia. Il divario è ampio. Quasi il doppio.
Vale anche la pena notare perché Linux domina qui. Fonte aperta. Flessibilità. Controllare. Puoi modificare il kernel. È possibile gestire direttamente l’hardware. Ecco perché ogni voce di punta lo esegue.
Dove puoi trovare Kylin?
Non hai bisogno di una sovvenzione per il supercalcolo. Vai al sito di Ubuntu. Scarica Kylin. Installalo. È gratuito.
Non è più solo per la Cina. Sebbene sia su misura per quel mercato.
L’hardware è potente. Il software è aperto. I risultati sono innegabili.
E la classifica cambia. L’anno prossimo, qualcun altro potrebbe essere il numero uno. Ma per ora, Tianhe-2 mantiene la linea.
