Quando as pessoas ouvem a palavra supercomputador, geralmente imaginam o Deep Blue. Aquela máquina da IBM venceu Gary Kasparov no xadrez em 1997. Tornou-se a face pública da computação de alto desempenho. A vitória foi polêmica. Alguns argumentaram que o computador era confiável demais ou que Kasparov jogava mal. A verdade é mais confusa. A IBM desmantelou o Deep Blue logo após a partida. Não sobreviveu como um sistema funcional.
Watson mudou o jogo mais tarde. Venceu os campeões do Jeopardy! Ken Jennings e Brad Rutter. Ele lidava com linguagem natural e curiosidades com facilidade. Esses sistemas eram brilhantes. Mas eles empalideceram em comparação com o que estava na lista TOP500 de novembro de 2013.
O TOP500 rastreia os 500 sistemas mais poderosos disponíveis comercialmente. O nome parece irônico. Eles não são comerciais no sentido de que você pode comprar um na prateleira. Eles são monólitos institucionais. Eles parecem um retrocesso à década de 1950. Os primeiros computadores ocupavam salas inteiras. Os modernos enchem os armazéns. Eles usam racks de hardware de última geração para produzir petaflops de energia.
Seu laptop possui quatro núcleos. Um supercomputador tem centenas de milhares. A entrada principal tinha mais de três milhões de núcleos.
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Como os supercomputadores são medidos
TOP500 usa o benchmark Linpack. Alimenta equações lineares de computador. Mede a rapidez com que a máquina os resolve. Um método alternativo está em andamento. A classificação é importante porque acompanha o progresso global. A lista é atualizada a cada seis meses. Novos sistemas sobem nas fileiras. O Tianhe-2 da China assumiu o primeiro lugar em novembro de 2013.
Esta é a aparência dos 10 primeiros no início de 2014.
10: SuperMUC (Alemanha)
9: Vulcano (Estados Unidos)
A classificação mudou novamente. SuperMUC caiu da quarta para a décima posição. Essa queda dói. Mas a eficiência continua a ser a manchete. A refrigeração a água faz a diferença. O resfriamento a ar não pode competir. Os números da IBM são nítidos. A remoção de calor é 4.000 vezes mais rápida. Isso não é um erro de digitação. É física.
Por que isso importa? Contas de energia. Pegadas de carbono. O custo de manter um cérebro vivo. SuperMUC economiza 40% de energia. Isso é enorme para uma máquina deste tamanho. 150.000 núcleos não funcionam com boa vontade. Eles funcionam com eletricidade. O Centro de Supercomputação Leibniz sabia disso. Eles instalaram resfriamento de água quente. Isso evita que os processadores derretam. É simples. É eficaz.
O segundo mais rápido da Alemanha. O terceiro da Europa. Quase o dobro do décimo lugar do ano passado. A velocidade não é tudo. A estabilidade é importante. A eficiência é importante. SuperMUC prova que você não precisa queimar o planeta para calcular.
Mas os EUA não estão parados. A próxima entrada na lista muda o jogo.
9: Vulcano (Estados Unidos)
Vulcano. Laboratórios Nacionais Sandia. Novo México. Não é apenas rápido. É denso. Sistemas Cray. Processadores Xeon. Redes InfiniBand. A arquitetura é diferente. Trata-se de agregar energia em um espaço menor. Menos espaço. Mais computação.
Como isso se compara? SuperMUC é mais amplo. Vulcano é mais profundo. A densidade de energia é maior. Isso traz novos desafios de refrigeração. Não tanques de água quente. Resfriamento de microcanais. Pratos frios líquidos. O hardware precisa respirar de forma diferente.
Quem usa? Segurança nacional. Modelagem climática. Astrofísica. As aplicações são de alto risco. Vulcan executa simulações que prevêem resultados. Resultados que afetam a política. Resultados que custam bilhões.
Não se trata apenas de velocidade. É uma questão de precisão. Com 150.000 núcleos, uma única inversão de bit pode ocorrer em cascata. SuperMUC lida com isso em escala. Vulcan lida com isso com design. Integração forte. Baixa latência.
Qual é melhor? Depende do problema. SuperMUC para levantamento pesado de uso geral. Vulcan para tarefas especializadas e de alta densidade. A linha está se confundindo. Ambos estão ultrapassando os limites do que é fisicamente possível em um data center.
Os sistemas de refrigeração contam a história. Um usa circuitos de água. O outro usa líquido direto no chip. Ambos resolvem o mesmo problema. O calor é o inimigo. O poder é o recurso. Eficiência é a métrica.
A entrada do Vulcan entre os dez primeiros não é apenas uma mudança de classificação. É uma declaração. Os EUA estão duplicando a densidade. Na eficiência. Sobre fazer mais com menos.
A corrida não acabou. Está ficando mais quente. Literalmente.
Vulcan: A potência da NNSA abre portas para a indústria
Vulcan ficou em nono lugar na lista, marcando a primeira entrada no top 10 a rodar na formidável arquitetura BlueGene/Q da IBM. Ele conta com processadores Power BQC – chips de 16 núcleos com clock de 1,6 GHz – para fornecer força computacional bruta. O sistema atinge 4,3 petaflops. Esse é um salto significativo, superando seu antecessor em mais de um petaflop e aproveitando quase 400.000 núcleos para realizar o trabalho.
Não está operando isoladamente. O Laboratório Nacional Livermore (LLNL), na Califórnia, abriga dois dos 10 principais supercomputadores, e Vulcan é um deles. A máquina está sob a alçada da Administração Nacional de Segurança Nuclear (NNSA) do Departamento de Energia dos EUA.
A verdadeira história aqui, entretanto, é quem pode usá-lo.
Em meados de 2013, o LLNL deu um passo estratégico. Eles abriram o horário do Vulcan para as empresas dos EUA. Este não foi um vale-tudo. As empresas podiam aceder ao hardware para projetos colaborativos, mas tinham de cobrir uma parte dos custos operacionais. O objetivo era claro: impulsionar o avanço científico e tecnológico, aumentar a competitividade dos EUA e expandir a força de trabalho da computação de alto desempenho (HPC).
Instituições acadêmicas e de pesquisa também foram convidadas para a mesa. A colaboração visou campos específicos e de alto risco.
- Energia
- Segurança
- Ciência atmosférica
- Biociências
“Vulcan se destina à colaboração com instituições acadêmicas e de pesquisa em áreas como energia, segurança, ciência atmosférica e biociência.”
Este acordo transformou uma instalação com muitos segredos num centro de parcerias público-privadas. Permitiu que entidades externas explorassem recursos que de outra forma seriam inacessíveis, desde que tivessem uma razão convincente para o fazer e os fundos para manter as luzes acesas.
8: Juqueen (Alemanha)
JuQUEEN não apareceu do nada. Ele é baseado na arquitetura BlueGene/Q da IBM, uma plataforma projetada para processamento paralelo massivo. O sistema atinge um desempenho máximo de 5 petaflops, rodando em aproximadamente 459.000 núcleos. É uma quantidade impressionante de poder computacional, mas não vem de graça.
Ao contrário de algumas entradas desta lista que já existem há alguns anos, JuQUEEN tem uma história específica. Foi construído em 2012 para substituir o JUGENE. O próprio JUGENE foi um peso pesado, classificando-se como o nono sistema mais rápido no TOP500 de novembro de 2010. Substituir uma máquina de primeira linha não envolve apenas ter um logotipo mais novo no rack. Trata-se de sustentar o impulso científico.
O acesso não é aberto ao público. Os investigadores afiliados à Jülich-Aachen Research Alliance têm de apresentar os seus projetos. Eles precisam justificar por que precisam desses núcleos específicos. Se a proposta for aprovada, eles conseguirão ganhar tempo em um dos supercomputadores mais poderosos do planeta. É um processo competitivo. Você não está apenas alugando um servidor. Você está conquistando o direito de usar recursos que definem o que há de mais moderno em computação de alto desempenho.
Este modelo de acesso vai além do JuQUEEN. Os cientistas podem solicitar tempo para outros dois gigantes alemães: SuperMUC e HERMIT. HERMIT está em 39º lugar na lista TOP500. Tudo isso é coordenado pelo Gauss Center for Supercomputing (GCS). Há também a Parceria para a Computação Avançada na Europa (PRACE). Estas organizações gerem a atribuição do que é essencialmente infra-estrutura nacional e continental.
7: Stampede (Estados Unidos)
A ascensão e arquitetura do Stampede
Stampede não ficou no topo por muito tempo. Alcançou o 7º lugar em novembro de 2012. Em junho de 2013, subiu para o 6º lugar. Agora, caiu de volta à classificação anterior na lista mais recente. Mas o hardware não mudou. O sistema funciona com processadores Intel Xeon E5 de 8 núcleos e 2,7 GHz emparelhados com coprocessadores Intel Xeon Phi. Essa combinação fornece cerca de 462.000 núcleos. O resultado? Quase 5,2 petaflops de desempenho bruto.
O dinheiro para esta fera veio de uma doação da National Science Foundation (NSF). TACC, Texas Advanced Computing Center da Universidade do Texas em Austin, abriga o sistema Dell PowerEdge. Ele fica lá, cantarolando, esperando o trabalho.
Quem pode usar supercomputadores financiados pela NSF?
Desde janeiro de 2013, o Stampede está aberto a cientistas e pesquisadores de todas as áreas. Faz parte do Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) da NSF. Pense nisso como uma rede virtual. Ele compartilha abertamente o poder computacional de 16 supercomputadores e outros recursos. Noventa por cento da capacidade do Stampede vai para o XSEDE. O diretor do TACC controla os 10% restantes.
Pesquisadores qualificados de qualquer instituição dos EUA podem enviar propostas através do site do XSEDE. Eles não simplesmente entram e conectam um laptop a uma porta. Eles têm que se inscrever. Eles têm que provar que precisam desse tipo de poder.
6: Piz Daint (Suíça)
O supercomputador Cray conhecido como Piz Daint está em funcionamento desde abril de 2013. Ele não ficou nas sombras por muito tempo. Uma grande atualização empurrou-o diretamente para o 6º lugar no ranking global. Este movimento destronou JuQUEEN. De repente, Piz Daint era o supercomputador mais poderoso da Europa.
O sistema fica no Centro Nacional Suíço de Supercomputação. Combina processadores Intel Xeon E5 com unidades de processamento gráfico NVIDIA. Esta configuração híbrida não envolve apenas velocidade. Trata-se de fazer mais com menos energia. A máquina possui 116.000 núcleos de processamento. Esse hardware permite atingir 6,3 petaflops de poder de computação. Os pesquisadores o usam para modelar padrões meteorológicos e climáticos. Eles também o utilizam para computação científica em muitos outros campos.
A eficiência é importante aqui. Piz Daint está entre os supercomputadores com maior eficiência energética. Ele marca 3.185,9 megaflops por watt. Esta métrica vem da lista GREEN500.
Piz Daint é o único supercomputador a estar entre os 10 primeiros nas listas TOP500 e GREEN500.
A maioria dos sistemas troca energia por consumo de energia. Este não. O ranking GREEN500 pega todos os supercomputadores da lista TOP500 e os classifica por eficiência energética. A arquitetura híbrida do Piz Daint mantém baixo o uso de energia. As GPUs são mais eficientes em termos energéticos do que as CPUs tradicionais. Essa escolha de design faz a diferença.
5: Mira (Estados Unidos)
Por que Mira da IBM dominou o cenário da supercomputação de 2013
Mira não era apenas mais uma entrada na lista dos 500 melhores. Ele entrou em pleno funcionamento em 2013 e imediatamente se estabeleceu como uma potência, atingindo o pico de impressionantes 8,6 petaflops. Para colocar esse número em perspectiva, Mira superou o Piz Daint da Suíça em mais de 2 petaflops e ultrapassou o sistema Stampede em quase 3,5 petaflops. A lacuna não era sutil. Foi uma declaração.
Em sua essência, Mira é uma fera construída na plataforma BlueGene/Q da IBM. Ele abriga 786.000 núcleos de processador, uma enorme infraestrutura localizada no Laboratório Nacional de Argonne, em Illinois. Este site serve como um centro de pesquisa para o Departamento de Energia dos EUA (DOE). Mira também não apareceu do nada. Ele substituiu o Intrepid, um sistema IBM mais antigo que ocupava o quarto lugar na mesma lista em 2008. A atualização foi significativa, marcando uma mudança clara na capacidade computacional para a ciência financiada pelo DOE.
Como funciona o acesso ao Mira para pesquisadores
Conseguir tempo em Mira não é uma simples questão de pagar uma taxa. Opera sob um modelo de alocação rigoroso projetado para ciência de alto impacto. A porta de entrada principal é o programa Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE). Os pesquisadores devem enviar propostas através do Office of Science do DOE para obter acesso.
A distribuição de recursos é precisa:
– 60% da capacidade do Mira é dedicada aos vencedores do INCITE.
– 30% apoiam o Desafio de Computação de Liderança em Pesquisa em Computação Científica Avançada.
– Os 10% restantes são mantidos em reserva para cálculos urgentes e urgentes que não podem esperar pelo ciclo de revisão padrão.
Essa estrutura garante que o sistema atenda tanto a projetos planejados de grande escala quanto a necessidades críticas repentinas. Equilibra objetivos científicos de longo prazo com demandas operacionais imediatas.
O concorrente japonês: K Computer
Passando dos EUA para o Japão, o computador K representa uma abordagem diferente para a computação de alto desempenho. Localizado no RIKEN Advanced Science Institute, este sistema foi projetado pela Fujitsu e utiliza processadores SPARC64 VIIIfx. Tal como Mira, entrou em cena com sérias intenções, desafiando a ordem estabelecida de domínio da supercomputação. Sua arquitetura focava na eficiência e na densidade de potência, visando fornecer um rendimento massivo sem consumir uma quantidade excessiva de energia.
A ascensão e declínio relativo do computador K
O computador K da Fujitsu detinha a coroa de máquina mais rápida do mundo em ambas as classificações do início de 2011. Hoje, está no número quatro. Essa queda não significa que seja fraco. Ele ainda esmaga o Mira da IBM com uma velocidade bruta de 10,5 petaflops. Continua a ser a única entrada japonesa no top ten global.
A máquina mora no Instituto Avançado de Ciência Computacional RIKEN, no Japão. Sua rotina diária inclui prevenção de desastres globais, meteorologia e pesquisa médica. Tudo isso é feito sem depender da arquitetura IBM. Em vez disso, ele roda nos processadores octo-core SPARC64 VIIIfx da própria Fujitsu. Enormes 705.000 núcleos cuidam do trabalho pesado. Eles realizam cálculos em um ritmo que ainda parece incrível.
Mas sejamos claros. As três melhores máquinas estão em uma liga diferente. Eles são muito mais poderosos.
3: Sequóia (Estados Unidos)
Sequoia saiu do primeiro lugar em junho de 2012. Em novembro, estava em segundo lugar. Agora, está no número três. Não está ficando para trás. Está apenas sendo ultrapassado. A máquina ainda impõe respeito com 1,6 milhão de núcleos de processamento e impressionantes 17,2 petaflops de poder computacional bruto.
Pense no que esse número realmente significa.
Em 2008, o Roadrunner da IBM ganhou as manchetes. Foi a primeira máquina a quebrar a barreira de 1 petaflop. São mil trilhões de operações por segundo. A IBM afirmou que seu desempenho era semelhante ao de 100.000 laptops daquela época. Sequoia não é apenas uma atualização. É 17 vezes mais rápido que o benchmark de 2008.
O hardware interno não é exatamente de última geração para os padrões de consumo atuais. O Sequoia depende do design BlueGene/Q da IBM. Cada chip tem 16 núcleos rodando a 1,6 GHz. Essa velocidade do clock parece lenta agora. Mas a escala muda tudo. Com 96 racks desses chips trabalhando em uníssono, a saída coletiva se torna terrivelmente eficiente.
Quem precisa de tanto poder?
Você pode estar se perguntando por que alguém precisa de 17,2 petaflops. A resposta está escondida a portas fechadas no Laboratório Nacional Livermore.
Isso faz parte da Administração Nacional de Segurança Nuclear subordinada ao Departamento de Energia dos EUA. A Sequoia, junto com seu irmão Vulcan, cuida de trabalhos confidenciais. A tarefa mais crítica? Simulando explosões nucleares.
Eles não precisam de detonações reais. Eles precisam de física. Física em tempo real.
O Sequoia é 63% mais rápido do que o computador classificado em quarto lugar na lista de novembro de 2013. Essa lacuna não é apenas ego. É uma necessidade. Quando você modela a implosão de uma ogiva sem um único disparo de teste, milissegundos são importantes. Contagem de microssegundos. A diferença entre uma simulação bem-sucedida e uma que falhou pode custar milhões ou vidas.
Isso nos leva ao próximo concorrente na corrida pelo domínio computacional bruto.
2: Titã (Estados Unidos)
O poder híbrido de Titã em Oak Ridge
Ele fica em uma sala do Laboratório Nacional de Oak Ridge, no Tennessee, cantarolando baixinho enquanto faz trabalho pesado. Titã não é apenas um nome. Faz jus a isso. Esta máquina está em segundo lugar na lista Top500, mantendo-se estável desde junho de 2013. Não parece grande coisa vista de fora. Apenas armários. Mas por dentro há hardware sério.
Cray o construiu. Ou melhor, eles o integraram. O núcleo consiste em processadores AMD Opteron 6274. Você está vendo dezesseis núcleos por chip rodando a 2,2 GHz. Mas essas CPUs são apenas a equipe de suporte. As verdadeiras estrelas são as GPUs NVIDIA anexadas a cada nó. Juntos, eles entregam 17,6 petaflops. Esse é um número enorme. O sistema usa cerca de 561.000 núcleos para chegar lá.
Por que isso importa? Porque Titan é um híbrido. Não são apenas CPUs. Não são apenas GPUs. São ambos. Essa escolha de design mudou tudo para o Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF). Eles não precisavam de novos edifícios. Eles não precisavam de novas redes elétricas. Eles poderiam colocar o Titan no mesmo espaço físico que anteriormente continha o Jaguar.
Jaguar era seu velho animal. Titan é nove vezes mais rápido. No entanto, o consumo de energia aumentou apenas cerca de 60%. Isso é eficiência. Você obtém nove vezes mais trabalho por uma fração do aumento de potência. Se eles tivessem construído um sistema desse tamanho só com CPU, a conta de luz teria sido astronômica. As GPUs mantiveram o consumo de calor e energia gerenciável.
Programação para hardware acelerado
Há um problema. Você não pode simplesmente executar código antigo e esperar mágica. As GPUs exigem uma abordagem diferente. Você precisa escrever um software que entenda como se comunicar com processadores paralelos. Não é plug-and-play.
Para resolver isto, o OLCF não agiu sozinho. Eles fizeram parceria com Cray e NVIDIA. O objetivo era claro: tornar estas máquinas utilizáveis pelos cientistas. O resultado foi o Centro de Preparação Acelerada de Aplicações (CAAR). Este grupo trabalha com as melhores práticas. Eles escrevem os guias. Eles criam as estruturas para que os pesquisadores não tenham que descobrir todos os detalhes de baixo nível do zero.
Como você realmente usa esse poder? Você não apenas ganha tempo com isso. É um recurso para o bem público. Os pesquisadores enviam propostas por meio do programa INCITE do Departamento de Energia dos EUA. Se o seu projeto for aprovado, você terá acesso. É competitivo. É rigoroso. Mas para aqueles que ganham, é o melhor poder computacional do planeta.
Titan provou que a arquitetura híbrida não era um experimento de nicho. Era o futuro. Ele mostrou que você poderia escalar sem gastar muito com eletricidade.
1: Tianhe-2 (China)
Tianhe-2 chegou em 2012, superando em dois anos o cronograma projetado. Não apenas entrou no ranking. Ele saltou direto para o número um.
A máquina processa a 33,9 petaflops. Isso é quase o dobro do desempenho do Titan ou do Sequoia. Também é mais de dez vezes mais rápido que o Tianhe-1A, que estava na décima posição em junho de 2013.
Este não é apenas um ajuste de software. O hardware é enorme.
Ele roda em uma combinação de processadores Intel Xeon E5. Processadores personalizados. E coprocessadores Intel Xeon Phi. No total, são cerca de 3,12 milhões de núcleos.
Quem constrói o melhor supercomputador da China?
A Universidade Nacional de Tecnologia de Defesa (NUDT) desenvolveu o sistema. Ele fica no National Super Computer Center em Guangzhou. O objetivo é educação e pesquisa.
Neste momento, é a única entrada da China entre os dez primeiros. Mas pelo puro poder de processamento em uma única máquina, o direito de se gabar é sólido.
“Tianhe-2 lhes dá o direito de se gabar pelo poder de processamento absoluto em uma única máquina.”
Por que o Ubuntu Kylin é importante para a tecnologia chinesa
Tianhe-2 é executado em uma versão personalizada do Ubuntu Linux chamada Kylin. Isso não foi construído no vácuo.
Surgiu de uma parceria entre o NUDT, o Centro de Promoções de Software e Circuitos Integrados da China (CSIP), e a Canonical, os criadores do Ubuntu.
Isto destaca uma tendência mais ampla. Todos os dez principais supercomputadores, e a maioria dos 500 principais, rodam algum tipo de Linux. O Windows não se compara aqui. Ainda não.
Kylin não está preso na sala do servidor. É um sistema operacional de código aberto, disponível gratuitamente e adaptado especificamente para usuários chineses. Você pode baixá-lo no site do Ubuntu. Também funciona em computadores pessoais.
Isso significa que o mesmo sistema operacional que alimenta uma das máquinas mais rápidas do mundo também está no seu desktop. Se você mora na China ou apenas deseja usar Linux otimizado para entrada chinesa, é uma opção.
Como ele se compara a outros supercomputadores?
As especificações do Tianhe-2 são específicas. 33,9 petaflops. 3,12 milhões de núcleos. Intel Xeon E5 e Phi.
Compare isso com Titã. Ou Sequóia. A lacuna é grande. Quase o dobro.
Também é importante notar porque o Linux domina aqui. Código aberto. Flexibilidade. Controlar. Você pode ajustar o kernel. Você pode gerenciar o hardware diretamente. É por isso que todas as entradas principais o executam.
Onde você pode conseguir Kylin?
Você não precisa de uma bolsa de supercomputação. Vá para o site do Ubuntu. Baixe Kylin. Instale-o. É grátis.
Não é mais apenas para a China. Embora seja feito sob medida para esse mercado.
O hardware é poderoso. O software está aberto. Os resultados são inegáveis.
E as classificações mudam. No próximo ano, outra pessoa poderá ser o número um. Mas, por enquanto, Tianhe-2 mantém a linha.
