¿Alguna vez has escuchado hablar sobre supercomputadoras? Piensa en cualquier película que implique un hackeo. ¿A dónde va el protagonista? A una habitación con esta especie de pilares, que parecen ordenadores gigantes, uno tras otro, pegados entre sí, separados en varias hileras y usualmente con unas luces y cables aquí y allá. Así se ve un superordenador, que —como puedes imaginar— es muy distinto al computador que tienes en casa o en la oficina.

¿Qué tan distintos son? Es la diferencia entre un disquete (720 Kb) y una USB (128, 256, 512 GB). Y, al paso que avanzan, tal vez de la nube. Sin embargo, no es que todos nosotros necesitemos una supercomputadora para estar actualizados. En realidad, para lo que hacemos la mayoría de nosotros, nuestros ordenadores están perfectos. Las supercomputadoras tienen un enfoque muy distinto y son esenciales para la ciencia, la investigación, los Gobiernos y algunas empresas. ¿Quieres saber en qué consisten? En Futuro Eléctrico te explicamos qué son, cuáles son sus características, cómo funcionan e, incluso, cuáles son los 10 más potentes del mercado.

¿Qué es una supercomputadora?

Supercomputadoras - qué son

Las supercomputadoras son equipos de procesamiento informático de alto desempeño. Son extremadamente potentes y pueden realizar tareas a una velocidad cientos de veces mayor que un computador estándar.

¿A qué se debe esta velocidad? A la forma en que trabajan: en paralelo. Los microprocesadores que encontramos en nuestros computadores son de lo más potente que existe. No hay mucho camino más allá. Por ello, las supercomputadoras no se componen de elementos avanzados, distintos, exóticos o únicos. En cambio, tienen cientos de procesadores (muy similares a los de los ordenadores) que trabajan en paralelo y de manera combinada.

El dicho «la unión hace la fuerza» es la mejor forma de resumirlo. Las supercomputadoras obtienen su velocidad y capacidad del trabajo conjunto y paralelo de cientos y miles de procesadores, RAMs y discos. La potencia de todas estas computadoras se suma y crea una gran máquina que funciona como un solo sistema.

Casi todas las capacidades de un superordenador son superiores a un computador. Sin embargo, hay algunas más llamativas: la potencia de cálculo, la memoria RAM y la capacidad de almacenamiento. Todo esto se reúne para generar velocidades únicas, que en este caso se miden en flops. Los ordenadores se miden en gigahercios, pero las supercomputadores hablan de flops, que equivale a operaciones de coma flotante por segundo. Cuando hablamos de teraflops o petaflops, elevamos estas operaciones a la quinta o décima potencia.

Sus usos son casi infinitos. Los ámbitos de educación, investigación y militar los utilizan constantemente. Puede utilizarse como simulaciones para predecir el clima, anticiparse a desastres naturales, modelar la dinámica molecular en la enfermedad de Alzheimer, realizar simulaciones del cosmos o del comportamiento de una explosión nuclear, y muchas más.

Características de las supercomputadoras

Supercomputadoras características

  • Velocidad: Miles de millones de operaciones de coma flotante por segundo. Se miden en teraflops.
  • Usuarios: Puede ser usada por cientos o miles de usuarios al mismo tiempo, en redes amplias. Sin embargo, solo la usan especialistas.
  • Seguridad: Todas las supercomputadoras tienen medidas de seguridad. Si el superordenador está desconectado del internet, es probable que también requiera seguridad perimetral. Dentro del sistema hay menos seguridad, dado que muchos usuarios se conectan al tiempo.
  • Escalaridad: Esto es la capacidad de un software y hardware de adaptarse sin cambiar su configuración o tamaño. Las supercomputadoras deben ser flexibles y poder ampliar su capacidad de memoria o funcionamiento sin necesitar un nuevo supercomputador.
  • Penetración social: Hay menos de un millar de supercomputadoras en todo el mundo. La penetración social es casi nula.
  • Requerimientos: Un supercomputador requiere de grandes instalaciones especiales, y de aire acondicionado industrial debido a las altas temperaturas que alcanza.
  • Costos: No se reduce únicamente al valor del equipo. Incluye el costo de la máquina en sí, el mantenimiento, el consumo eléctrico, el de los sistemas de refrigeración y el equipo encargado de mantenerlo en forma. Por darte una perspectiva, los centros de datos de Google consumen el 0,01 % de la energía eléctrica mundial. Por su parte, el servidor de Facebook está valorado en cientos de millones de euros.
  • Impacto: Es utilizado, principalmente, por grandes centros de investigación. Provee cálculos a alta velocidad lo que ayuda a acelerar los resultados de los estudios. En este ámbito tiene un impacto gigante.

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Historia de las supercomputadoras

Supercomputadoras - historia CC BY-SA 2.0 fr
Cray-1. Fuente: BY-SA 2.0

Los orígenes de los superordenadores se encuentran en 1948 con el Manchester Mark I. Este fue el primer computador del mundo digital, que sentó las bases para los conceptos que seguimos usando hoy en día. El Manchester Mark I fue creado por Tom Kilburn y F. C. Williams. La contribución más importante fueron los CRT, la tecnología del tubo de rayos catódicos, usada en la RAM. Esta permite almacenar bits de datos en áreas cargadas sobre el fósforo de la pantalla. El perfeccionamiento del CRT para almacenamiento es crucial para las supercomputadoras.

A esta computadora se le opuso la máquina de Sperry Rand construida para la Marina de Estados Unidos en la década de los 60. Luego apareció Atlas de la Universidad de Manchester y Ferranti, como competencia europea a inicios de la década. Posteriormente, en 1966, se creó el IBM 1800 de IBM, y otros modelos de la marca que avanzaron con la tecnología. Sin embargo, es la máquina de Seymour Cray la que inicia oficialmente la era de las supercomputadoras. 

El Cray 1 fue el primer supercomputador moderno. Creado en Inglaterra, en el Laboratorio Daresbury, se presentó en 1976. Fue creado por Seymour Cray años después de haber creado la CDC 6600, famosa por ser una de las primeras en usar transistores de silicio. El silicio aportó hasta 10 veces más velocidad que la de la competencia.

Tras dejar la CDC, Cray formó Cray Research y creó el Cray 1. Este superordenador podía realizar más de cien millones de operaciones aritméticas por segundo (100 Mflop/s). Cray-1 tenía 80 Mhz y fue uno de los primeros CPU de 64 bit. Fue la supercomputadora más exitosa de la época. A él le siguieron diferentes incorporaciones de la marca, entre ellos el Cray-1ª, Cray-1S y el Cray-2. Este último tenía ocho CPU de refrigeración líquida, lo que marcó el camino de las supercomputadoras modernas.

La década de los noventa

Tras el Cray-1 llegó una época de diseños masivamente paralelos de supercomputadores. Sin embargo, en los 80, estos no tenían más de cuatro a 16 CPU trabajando en paralelo. En ese entonces aparece el supercomputador para gráficos LINKS-1 de la Universidad de Osaka. Contaba con 257 microprocesadores Zilog Z8001 y 257 FPUs Intel iAPX 86/20. Su rendimiento era de 1,7 GFLOPS.

Sin embargo, a principios de los noventa, la atención giró de procesadores vectoriales a sistemas de procesadores masivamente paralelos con miles de CPU «ordinarios».

En la década del 2000 encontramos como ejemplos a los PowerPC, Opteron o Xeon. Ellos realizan el trabajo en paralelo de supercomputadoras en forma de clusters de procesamiento. También surge el IBM Roadrunner, que contaba con un cluster de alto rendimiento basado en componentes del hardware del PlayStation 3. El sistema de interconexión ocupó 557 m² de espacio. Contaba con 91,7 km de fibra óptica y pesó 226,8 t.

Hoy en día, el diseño de las supercomputadoras se sustenta en tres tecnologías. La primera, los registros vectoriales de Cray, que permite la ejecución de innumerables operaciones en paralelo. La segunda, el sistema de M.P.P, que consiste en el uso de cientos de microprocesadores estrechamente coordinados; Tercero, la computación distribuida; es decir, los clusters de computadoras de uso general interconectados por redes de baja latencia y gran ancho de banda.

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¿Cómo funcionan las supercomputadoras?

Supercomputadoras - cómo funciona

De manera simple, los supercomputadores son conjuntos de ordenadores que funcionan como un todo. Se compone de varios miles de ordenadores con sus CPU y GPU, procesadores, chips gráficos y almacenamiento. Ellos se unen hasta que trabajan de manera conectada.

No obstante, no es que sean sistemas simples que juntan miles de dispositivos y ya. Son, en realidad, máquinas complejas con un diseño y fabricación cuidadoso que deben cuidar cada detalle. Solo así podrán funcionar de forma adecuada. ¿Cómo lo logran entonces? Gracias a los microprocesadores específicos.

Procesamiento

Inicialmente, los fabricantes usaban los chips de procesamiento que tenían los equipos domésticos. Ahora, las grandes empresas -IBM, AMD e Intel- desarrollan modelos específicos de microprocesadores según su uso. Los fabricantes tienen microprocesadores para los computadores de escritorio, y también tienen diseños específicos para grandes máquinas. Así, pueden conseguir mejor rendimiento.

Por ejemplo, IBM tiene diseños específicos para supercomputadoras, como es el caso de los Power. Por su parte, Intel tiene microprocesadores específicos como los Intel Xeon (similares a los Core i3-i9 en sus características), que se optimizan para trabajar en modo MP. AMD cuenta con una implementación especial para supercomputadoras de sus K8 o Athlon64 llamada Opteron, y actualmente los EPYC (basados en Zen). Gracias a estos diseños específicos, los superordenadores consiguen mejores capacidades de cómputo y más eficiencia entre sus flops.

Sin embargo, los microprocesadores se han ido desplazando por nuevas unidades de procesamiento. Entre ellas la GPGPU o GPU de propósito general. Tras modificar el control y la programación (no es necesario tocar el hardware), las GPU pueden usarse para el procesamiento de datos como una CPU. Esto se debe a que los chips de las tarjetas gráficas suelen ser vectoriales. Esto les permite aplicar una misma instrucción a multitud de datos de forma simultánea, lo que se traduce en un incremento del rendimiento.

En otras palabras, las GPU pueden actuar para el procesamiento general y no solo para los gráficos, incrementando el rendimiento de las supercomputadoras. La cantidad de flops que consigue una tarjeta gráfica es muy superior a las de una CPU.

Enfriamiento

El funcionamiento conjunto del procesador, la memoria, la RAM y todos los componentes de cientos de ordenadores al tiempo requieren de condiciones especiales. Particularmente, requiere de un sistema de enfriamiento especializado. No es lo mismo enfriar un computador con un ventilador en su parte trasera que cien o mil CPU que trabajan al mismo tiempo.

Debido a sus dimensiones, requieren habitaciones o edificios destinados únicamente a ellos. Estos deben tener un sistema de enfriamiento único, que evite el recalentamiento de los componentes (que pueden alcanzar los 80 °C). La apuesta es por refrigeración líquido avanzado, urnas que protegen los sistemas y protección antiincendios.

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Para qué sirven las supercomputadoras

Supercomputadoras - para qué

Los superordenadores están cambiando al mundo. Aunque no se utilizan en casas u oficinas, están acercándonos al futuro a pasos de gigante. Permiten abordar problemas muy complejos que no se pueden realizar en el mundo físico. Sea porque sería muy peligroso, porque tomaría mucho tiempo o porque involucran cosas muy pequeñas o grandes.

Medicina

Gracias a los superordenadores, hoy podemos conocer nuevos genes asociados con enfermedades como el cáncer o la diabetes. Puede servir para el diseño de nuevos medicamentos y hacer simulaciones sobre virus. También aporta a la medicina personalizada. Por ejemplo, destaca el proyecto Virtual Head, una máquina que simula el cuerpo humano para probar nuevos tratamientos y fármacos.

Ciencia

Puede usarse para la investigación o un uso militar. Por ejemplo, las supercomputadoras pueden realizar multitud de cálculos sobre física cuántica, estudios sobre la materia o simulaciones del comportamiento de la materia. Además de estudios de astrofísica o cómo ampliar la vida de las plantas nucleares.

Exploración espacial

Los supercomputadoras nos ayudan también a entender más nuestro universo y la vía láctea. La ESA anunció que creó el mapa de la vía láctea más grande hasta la fecha gracias al superordenador de Barcelona. Ayuda también a procesar toda la información que genera nuestro extenso y variable universo.

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Meteorología

Contribuyen a enfrentarse a todo tipo de eventos climáticos externos y predecir condiciones climáticas. Por ejemplo, los efectos de un tsunami para evitar una catástrofe. También se puede modelar el clima pasado y el actual para predecir el futuro en los estudios sobre cambio climático.

Simular efectos destructivos

Ayudan a simular pruebas nucleares para ampliar su vida útil; las consecuencias de terremotos; cómo afectan los tsunamis una ciudad y cuántas vidas cobrarían; armamento biológico y más.

Servidores, big data y la nube

Es uno de sus usos más conocidos. Pueden funcionar como servidores de archivos, web, correo, sincronización, la nube o hasta el Big data.

Inteligencia artificial

Algunas supercomputadoras se destinan a implementar sistemas de IA. Por ejemplo, el superordenador Blue Gene de IBM busca implementar un cerebro humano artificial y analizar así lo que ocurre en él en algunas enfermedades psíquicas o neurodegenerativas. También encontramos servicios de IA que los usan como base, tal es el caso de Siri o Alexa.

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Las supercomputadoras más potentes del mundo

Fugaku Riken
Fugaku. Fuente: Riken

Los superordenadores más potentes del mundo se enumeran en la lista Top500, elaborada por investigadores de todo el mundo desde 1993. La lista se actualiza periódicamente, generalmente cada seis meses. Ofrece información sobre las estadísticas de las supercomputadoras, su desempeño y más información. A continuación mencionamos las cinco primeras de la última edición.

Supercomputer Fugaku de Fujitsu

Japón logró recientemente obtener el primer lugar en las supercomputadoras más potentes del mundo. El puesto lo obtuvo gracias a Fugaku, probado en junio de 2020 y que ha roto todas las estadísticas hasta la fecha. Se ubica en el Centro de Ciencias Computacionales Riken y alcanza un Rmax de 415 petaflops y un Rpeak de 523 TFlops.

La máquina emplea microprocesadores Fujitsu A 64 FX, basados en ARM. Se agrupan en grupos de 48 por cada nodo en casi 160 000 nodos. El costo del proyecto, a 2018, era de mil millones de dólares.

Summit de IBM

Antes de Fugaku, Summit tenía el liderato mundial. El supercomputador fue construido por IBM para el Oak Ridge National Laboratory de Tennessee, perteneciente al Departamento de Energía de EEUU. Cuenta con 9 216 procesadores Power9 de IBM y Tesla V100 de Nvidia.

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Se compone de 4 356 nodos. Su capacidad es de 148,8 petaflops de procesamiento y ha logrado alcanzar los 200. También tiene 250 petabytes de almacenamiento y tiene como sistema operativo a Linux. Este supercomputador se ha dedicado a identificar patrones que pudieran anticipar el diagnóstico de la enfermedad de Alzheimer. También se ha usado en investigaciones de genética y meteorología.

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Sierra de IBM

Sierra IBM
IBM

El tercer lugar entre las supercomputadoras más potentes lo ocupa Sierra de IBM. Está equipado con 4 320 nodos compuestos por dos microprocesadores Power9 y cuatro GPU Nvidia Tesla V100. Cuenta con 190 080 núcleos repartidos en 44 núcleos por nodo. Esto le brinda una capacidad de 94.6 petaflops y un pico de 125 petaflops. Su almacenamiento alcanza los 1.38 petabytes.

Se ubica en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, California; su propietario es la NNSA, la Administración Nacional de Seguridad Nuclear de Estados Unidos. Su uso principal es la investigación militar. Específicamente, la simulación de armas nucleares en sustitución de pruebas subterráneas. Busca garantizar la seguridad y fiabilidad de las mismas.

Sunway TaihuLight de NRCPC

Por supuesto, China no podía quedar fuera de este top. Hasta 2017, antes de la llegada de las supercomputadoras ya mencionadas, China ocupaba el primer puesto en supercomputación. El Sunway TaihuLight se encuentra en el Centro de Supercomputación Nacional de Wuxi.

Esta máquina carece de chips aceleradores y se potencia exclusivamente por procesadores Sunway SW26010. Sus datos dicen que arroja un Rmax de 93.014,6 TFlops por segundo y un Rpeak de 125.435,9 TFlops por segundo. Su uso se ha centrado en simulaciones del nacimiento y expansión del universo.

Cabe destacar que dentro del TOP500, los fabricantes chinos dominan, con 312 puestos.

Selene de Nvidia

En el último ranking, Selene alcanzó el quinto lugar en el TOP500 de supercomputadoras. Se ubica en Santa Clara y en el ranking anterior tenía el puesto siete. Sin embargo, duplicó su tamaño y subió dos posiciones.

Selene es un supercomputador único. Su arquitectura se basa en aceleradores de GPU, los DGX SuperPOD de Nvidia. A diferencia de los demás, no tiene diseños basados en CPU. En cifras, usa 2.240 GPUs NVIDIA A100 y 560 CPUs AMD Epyc 7742. En rendimiento, alcanza los 63,4 petaflops.

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Palabras finales

Las supercomputadoras son sistemas sorprendentes. Sus aportes a diferentes tipos de investigación han facilitado la comprensión de enfermedades; el desarrollo de medicamentos; la predicción del clima; y, también, nuestra computación ordinaria junto con sus múltiples avances.

El primer supercomputador del mundo tenía la misma capacidad que hoy vemos en cualquier teléfono móvil. Ha marcado el camino que permite el desarrollo de cosas que vemos en el día a día. ¿Esto quiere decir que en algunos años nuestros computadores se medirán en teraflops? Solo el tiempo lo dirá.

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