Superkonputagailu

CRAY T3D superkonputagailuaren barrualdea.

Superkonputagailua edo superordenagailua potentzia handiko ordenagailua da, kalkulurako gaitasun handiagoak dituena garai bereko beste ordenagailuekin alderatuta. Idatzi hau egin dugunean (2011), superkonputagailurik azkarrenek gutxi gorabehera 200 teraflops baino gehiagotan funtzionatzen dute (Konputazioaren jargoian esan nahi du segundoko trilioika eragiketa egiten dituela).

Historia

Ez dakigu gizakiok noiztik kontatzen dugun, baina gizakiaren hasiera-hasieratik seguru. Eta hala jarraitzen dugu, kontatzen. Gizakiaren oinarrizko ezaugarria dirudi. Kuriosoa hala ere, hitz bera erabiltzen baitugu lehen begi-kolpean oso desberdinak ematen dituzten bi gauzetarako. Hala dio hiztegiak kontatu hitzari buruz:

(lat. computāre)

1. Besteri, ahoz nahiz izkribuz, gertatu edo asmatu den zerbait esan edo aditzera eman. Ipuin lohiak kontatzen.

2. Multzo bateko osagaien kopurua mugatu. Ardiak kontatzen ez daki.

Bai, kontaketak eta kontakizunak hitz berean. Istorioak kontatzen ditugu gizakiok, eta ardiak kontatu ere. Letrak eta zenbakiak zaku berean. Kontatu, gogoratzeko. Eta gogoratzeko hasi ginen idazten. Hasieratik bertatik sortu zen beharra, kontatzen genituen istorioak eta kantuak idazteko, egiten genituen kontuak idazteko.

Kontutxoak eta kontaketak batera. Sumer-etik heldu zaizkigu, 4.000 urte baino gehiago igaro eta gero, lehen idazkunak, eta hor daude istorioak —Gilgamesh— eta zenbakiak —ale eta olio-ekoizpenak, eskaintzak tenpluetan—. Eta horrela gaur arte.

Soroban honetan honako zifra hau adierazten da: 00098765432100000000000

Eta bidean, kalkulatzeko "makinak" asmatu genituen. Sinpleak, oso sinpleak hasieran (kontatzeko aleak, harri koxkorrak), baina gero eta sofistikatuagoak ondoren. Eta ikusgarriak, ia sinesgaitzak gaur. Kontaketa-makina zaharren artean, abakoa da segur asko ezagunena, oraindik munduko hainbat lekutan erabiltzen baita. Oso sinpleak dira forman, baina oso erabilgarriak oinarrizko eragiketa aritmetikoak azkar eta doitasunez egiteko.

1950. urtearen inguruan ohiko irudia zen hau ingeniaritzako bulegoetan.

Mendebaldeko industria-iraultzaren eta gailu mekanikoen garapenarekin batera, kalkulu-makina sofistikatuagoak sortu ziren. Batetik, 200 urte baino gehiagotan, ia atzo arte, erabili diren kalkulu-tresna analogiko arrakastatsu-enak: kalkulu-erregelak, hau da, taula logaritmikoak erregeleta moduan antolatuta, bata besteekiko desplazatzen baitira eragiketak egiteko. Eta bestetik, konputagailu mekanikoak egiteko lehen proposamenak: Charles Babbage-ren, eta Ada Lovelace-ren, makina diferentzial eta analitikoak, non lehenengoz agertu baitziren konputagailu modernoen ezaugarri behinenak, txartel zulatuak eta guzti.

Makina analitikoaren zati bat, inprimatzeko mekanismo batekin, Charles Babbagek eraikia, Londresko Zientziaren Museoan dagoen bezala.

• 
  Kalkulu-erregela
• 
  Ada Lovelace (1836)
• 
  XIX. mendeko txartel zulatuak.
• 
  Charles Babbage (1860)

Alan Turing-en eskutik helduko da, bigarren mundu-gerran, gaurko konputagailuen aitzindari elektromekaniko sofistikatuena, Bombe, Enigma makinarekin Alemaniako armadak sortzen zituen kode sekretuak haustea lortu zuena.

• 
  Bombe makinaren erreplika (Bletchley Park, 2012)
• 
  Enigma makina
• 
  Bombe Makina (1945)

Baina gaurko konputagailuen aroa gailu elektronikoen garapenarekin hasiko da. Aurrenetako bat ENIAC konputagailua izan zen. Makina gero eta konplexuagoak eta ahaltsuagoak sortzeko lasterketa zorabiagarriaren abiapuntua izan zen. Hortik sortu ziren lehenbiziko makina komertzialak; UNIVAC (1946), gero IBM (1964), XEROX, DIGITAL (1977)… enpresen eskutik plazaratu ziren makinak, eta horrela, eten gabe, gaurko superkonputagailuak sortu ziren arte.

• 
  ENIAC (1946)
• 
  UNIVAC (1951)
• 
  IBM 360 (1964)
• 
  VAX 11-750 (Donostiako Informatika Fakultatea, 1988)

1970eko hamarkadan-edo hasi zen mikroelektronikaren eta zirkuitu integratuen garapenak beste bultzada bat eman zion lasterketa horri. Hor sortu ziren lehenbiziko kalkulagailuak eta, ondoren, ordenagailu pertsonalak eta eramangarriak, dagoeneko denontzat tresna arrunt bilakatu direnak.

• 
  HP-35 kalkulagailua (1972)
• 
  Macintosh (1984)
• 
  Ordenagailu eramangarria (2014)

Eta hortik aurrera, gaur arte, zoroa izan da lasterketa. Konputagailuen eboluzioa analizatzen duen Moore-ren legearen arabera, makina hauen konputazio-ahalmena bikoiztu egiten da, gutxi gora behera, bi urtetan behin. Hazkunde esponentzialeko lege hori bete zen 40 urtetan, baina ematen du azkenetan dagoela. Ondo dakigu ez dagoela ezer mugarik gabe esponentzialki haz daitekeenik; izan ere, gaurko teknologiaren mugetara heldu ginen, oso azkar hurbildu ere.

Baina, zer da superkonputagailu bat? Superkonputagailu bat makina bat da non milaka prozesadore (edo kalkulu-nukleo) konektatuta baitaude abiadura handiko konexio-sare batez, denen artean problema konplexuak ebazteko.

Superordenagailuak 70 hamarkadan eta nagusiki Seymour Crayek diseinatuak izan ziren Control Data Corporation (CDC) konpainian, garai horretan merkatua menderatu zuena, Crayek CDC utzi zuen arte haren enpresa sortzeko,Cray Research. Enpresa berri honekin merkatua menderatzen jarraitu zuen haren diseinu berriekin, superkonputazioaren podiuma lortuz hurrenez hurreneko bost urtez (1985-1990). 80 hamarkadan enpresa lehiakide asko merkatuan sartu ziren paraleloan miniordenagailuen merkatua sortuz hamarkada bat lehenago, baina haietako asko 90eko hamarkaden erdialdean desagertu ziren.

Terminoa etengabe aldatzen dago. Gaurko superkonputagailuak biharko ohiko ordenagailuak izateko joera dute. CDC-ren lehen makinak besterik gabe izan ziren prozesadore eskalarrak oso azkarrak, eta lehiakide berriren askok haien prozesadore eskalarrak garatu zituzten prezio apalean merkatuan sartu ahal izateko.

80ko hamarkaden hasieratik erdialdera baziren makinak bektore-prozesadoreen kopuru txiki batekin paraleloan lanean, gero estandarra bihurtu zena. Prozesadoreen ohiko kopurua 4tik 16rako tartean zegoen. 80ko hamarkadetako azken zatian eta 90eko hasieran, arreta bektore-prozesadoreetatik prozesadoreen sistema masiboki paraleloetara aldatu zen, milaka CPU «ohikoak» zituztenak. Gaur egun, diseinu paraleloak zerbitzari klasearen mikroprozesadoreetan oinarrituta daude, orain erabilgarri daudenak (2011). Horrelako prozesadoreen adibideak PowerPC, Opteron edo Xeon dira, eta superkonputagailu berrien gehienak gaur egun dira ordenagailuen klusterrak edo multzoak oso finduta prozesadore komun batuak elkarri lotze bereziekin erabiltzean.

Orain arte erabilera eta fabrikazioa organismo militarretan, gobernukoetan, akademikoetan edo enpresakoetan besterik ez zen.

Kalkulu trinkoen zereginetarako erabiltzen dira, esaterako fisika kuantikoa barruan sartzen duten problemak, klimaren iragarpena, klima-aldaketaren ikerketa, molekulen modelatua, simulazio fisikoetan hegazkinen simulazioan edo automobilak haizean bezala (Computational Fluid Dinamics ezagutua ere), arma nuklearren detonazioaren simulazioa eta fusio nuklearrean ikerketa.

Adibidea Roadrunner superkonputagailua da; IBM-ren eta Los Alamoseko laborategiaren zientzialariek sei urtetan lan egin zuten ordenagailuaren teknologian. Roadrunnerren elementu batzuek entzute handiko bideo-jokoak dituzte aurrekari, David Tureken arabera, IBM-ren superkonputagailuen programaren lehendakariordea. « Nola edo hala, Sony PlayStation 3-ren goiko bertsio bat da », esan zuen. «txiparen (PlayStationaren) oinarrizko diseinua hartzen dugu eta haren gaitasuna hobetzen dugu», Turek informatu zuen.

Hala ere, Roadrunnerrek nekez dauka bideo-joko baten antza. Interkonexio sistemak lekuaren 557 m² hartzen ditu. 91,7 km-ko zuntz optikoa du eta 226,8 t pisatzen ditu. Superordenagailua IBM-k Poughkeepsien (New York) duen ikerketen laborategian dago, eta 2008ko uztailean Los Alamos Laborategi Nazionalera (Mexiko Berria) aldatu zuten.

Japoniak MDGrape-3 lehenengo petaflops superkonputagailu sortu zuen, baina xede partikularrekin baino ez, gero Ameriketako Estatu Batu-etako IBM-k bidelaria sortu zuen, petaflops 1-ekoa ere, Txinak Milky Way One 1,2 petaflopsetakoa eta Ameriketako Estatu Batu-en Crayek Jaguar 1,7 petaflopetakoa, 2009ko bukaeran azkarrena dena. Superkonputagailurik azkarrena, 2010aren bukaeran,Txinako Tianhe 1A zen 2,5 petaflopsetako abiaduraren puntarekin.

Txinako Sunway TaihuLight superkonputagailua 2016ko ekainean TOP500 zerrendako azkarrena zen, LINPACK benchmarkean 93 petaflops eskuratuta.

2023ko ekainean, munduko superkonputagailurik azkarrena Cray etxeko Frontier zen (AEB). 8.699.904 kalkulu-nukleo (core) zituen, eta informazioa oso abiadura handiz joaten zen batetik bestera: 800 gigabit baino gehiago segundoan (giga = 10⁹). Hala, kalkulu-abiadura harrigarria lortu zuen: 1,2 exaflop/s.

• 
  MareNostrum3 superkonputagailua (2013)
• 
  MareNostrum4 superkonputagailua (2017)
• 
  Frontier supercomputer (2022)

Konparazio soil bat egin dezakegu aurrerapen teknologikoaren abiaduraz jabetzeko: 1998an superkonputagailurik azkarrena (ASCI Red, 1 teraflop/s-ko abiadura lehen aldiz gainditu baitzuen) baino milioi bat aldiz azkarragoa zen Frontier. 2023ko ordenagailu eramangarri batek 4 nukleo izango zituen eta komunikazio-abiadura 1 Gbit/s inguruan izango zen.

Exaflop/s hori kalkulu-abiadura adierazteko unitate bat da: 10¹⁸ (trilioi bat) eragiketa segundo batean (batuketak, biderketak, zatiketak…). Hortaz, Frontier gauza zen, segundo batean, 1,2 × 10¹⁸ eragiketa exekutatzeko. Ez da erraza kopuru horren esanahia atzematea, baina adibide batekin azal daiteke.

Azken datu zientifikoen arabera, unibertsoa Big Bang izenarekin identifikatzen dugun gertaera puntual batean sortu zen, duela 13.700 miloi urte edo. Beraz, segundotan, unibertsoaren adina 4,3 × 10¹⁷ s da. Bada, pertsona batek exekutatuko balu eragiketa bat segundoko eten gabe, 1,2 × 10¹⁸ segundo beharko luke, hau da, 2,8 aldiz unibertsoaren adina, Frontier superkonputagailuak segundo batean egiten dituen eragiketak egiteko. Beste ikuspuntu batetik, Lurreko biztanle orok, 7.000 milioi edo, segundoko eragiketa bat exekutatuko balu eten gabe, 5,5 urte beharko genituzke denon artean eragiketa kopuru hori egiteko.

Frontier "superkonputagailu giganteen" adibide bat da. Bartzelonan badago beste bat, MareNostrum, 153.000 kalkulu-nukleo dauzkana. Arruntak dira industrian zein laborategietan ehunka prozesadore erabiltzen dituzten konputagailuak (Kontuan hartu behar da aurreko datuak urtetik urtera aldatzen direla; informazioa eguneratueskaintzen du www.top500.org webguneak).

Hozte-sistemak

Gaurko superkonputagailuetan erabilitako PUZ-en askok 10 aldiz bero gehiago desagerrarazten dute labe arruntaren disko batek baino. Zenbait diseinuk PUZ anizkuna -85 °C-tan (-185 °F) hoztea behar dute.

PUZ anizkuna horrelako tenperaturetara hozteko energiaren kontsumo handia behar da . Adibidez, Aquasar deituriko superkonputagailu berri batek dena emanda 10 Teraflopseko abiadura izango du. Bitartean, superkonputagailu honen rack bakar baten energiaren kontsumoa 10kW ingurukoa da. Konparazio moduan, Blue Gene L/P superkonputagailuaren rack bakar batek 40kW inguru kontsumitzen du.

Superordenagailu baten batez besteko kontsumoa, 500 superkonputagailurik azkarrenen barruan, 257kW ingurukoa da.

Aquasar superkonputagailua egiteko, Suitzako Institutu Teknologiko Federalean (ETH) instalatuko dena, hozte likidoaren diseinu berri bat erabiliko dute. Minutuko 29,5 litro tasan jariatuko duten 10 litro ur behar izango dituzte .

Diseinu honetan berrikuntzen bat da normalean hoztearen sistemek PUZ-aren likidoa isolatzen dutela eta beroaren transmisioa konbekzioan ematen dela PUZ-ren estalki metalikotik egokigailu batean barrena eskuarki kobrezkoa edo termikoki eroankorra den beste material batekoa. Berrikuntza diseinu berri batean da: ura PUZ-ari zuzenean iristen zaio tutu kapilarren bitartez beroaren transmisioa eraginkorragoa eginez .

Suitzan, ETH-ren kasuan, superkonputagailuaren bero erauzia gelak bera unibertsitatearen barruan berotzeko birziklatuko dute.

Ezaugarriak

Nagusiak hauek dira:

• Prozesatze-abiadura: koma higikorraren milaka miloi instrukzio segundoko.
• Erabiltzaileak aldi berean: milaka, sare zabalen ingurunean.
• Tamaina: Instalazio bereziak eskatzen dute eta aire girotu industriala.
• Erabiltzeko zailtasunak: espezialistentzat baino ez.
• Ohiko bezeroak: ikerketa zentro handiak.
• Gizartean barneratze maila: ia-ia baliogabea.
• Gizartearen gaineko eragina: oso garrantzizkoa ikerketaren esparruan, prozesatze-abiadura altuko kalkuluak egiten baititu, baimenduz, adibidez, sekuentzian giza genoma kalkulatzea, Pi zenbakia, fisikako problemen kalkuluak garatzea errore marjina oso baxua eginez, eta abar.
• Instalatutako kopurua: denak 1000 baino gutxiago.
• Kostua: dozenaka milioi dolarretaraino bakoitza.

Erabilera nagusiak

Superordenagailuak oso konplexuak diren problemak abordatzeko erabiltzen dira, mundu fisikoan ezin direlako egin, arriskutsuak izateagatik edo gauza txikiegiak edo handiegiak nahasteagatik. Jarraian adibide batzuk emango ditugu:

• Superordenagailuen erabileraren bitartez, ikertzaileek modelatzen dute klima pasatua eta gaur egungo klima eta geroko klima aurretik dakite.
• Astronomoek eta espazioaren zientzialariek super-ordenagailuak erabiltzen dituzte Eguzkia eta klima espaziala estudiatzeko.
• Zientzialariek superkonputagailuak erabiltzen dituzte simulatzeko zer eratan tsunami batek eragin ahal izango lioke kosta edo hiri jakin bati.
• Superordenagailuak supernoben espazioko leherketak simulatzeko erabiltzen dira.
• Super-ordenagailuak hegazkin militar berrienen aerodinamika probatzeko erabiltzen dira.
• Superordenagailuak erabiltzen ari dira nola proteinak tolesten diren eredua egiteko eta nola eragiten dion tolestura horrek Alzheimer Gaixotasuna sufritzen duen jendeari, fibrosi enkistatua eta minbizi mota asko.
• Superordenagailuak leherketa nuklearren eredua egiteko erabiltzen dira, egiazko proba nuklearren beharra mugatuz. Mgmarks celtis86 ch, ch. Mx

Etorkizuna

2023an baziren eskura kalkulurako milaka (milioika) nukleo erabiltzen zituzten superkonputagailuak, eta haien bidez zientzia eta ingeniaritzako problema oso konplexuak ebatz ditzakegu, duela gutxi arte imajinaezina zen abiadura itzelean gainera. Baina abantaila horiek ez datoz musu-truk, eta arazo asko gainditu behar ditugu kalkulu-abiadura horiek lortzeko. Arazo nagusia prozesuen arteko komunikazioa da.

Konputazio tekniko-zientifikoaren beharrak mugagabeak dira. Makina gero eta azkarragoak edukitzeak aukera ematen du problema berriei ekiteko eta soluzio berriak proposatzeko, jakintza-arlo guztietan: unibertsoaren jatorri eta galaxien eboluziotik, eritasun jakinetarako farmako espezifikoen garapenera; ibilgailuen eta hegazkinen diseinu eta optimizaziotik, material berrien proposamenetara; datu-base itzelen prozesamendutik, sistema biologikoen portaeraren simulazioetara; eguraldiaren edo prozesu sismikoen aurreikuspenetik, giza taldeen portaeraren analisira.

Makina horiek garatzea eta kudeatzea, algoritmo eraginkorrak proposatzea eta programatzea, prozesuen arteko komunikazioa gauzatzeko mekanismoak sortzea, eta askoz kontu gehiago dira informatika-ingeniaritzaren helburuak arlo jakin honetan: superkonputazioan.

1980. urteaz geroztik mikroelektronikan izandako aurrerapenek teknologia horren muga fisikoetara hurbildu gaituzte. Siliziozko txip batean 10.000 milioi transistore baino askoz gehiago integratu daitezke. Transistoreek abiadura handiz (nanosegundo batean baino denbora gutxiagoan) kommutatzen dute 1etik 0ra eta alderantziz. Diseinu bereziko zenbait gailuk (txartel grafikoak, bektore-prozesadoreak…) gauza dira bilioi bat eragiketa egiteko segundo batean. Prozesadoreek memoria kopuru handiak erabil ditzakete, 128 GB-tik gora. Eta bidali ditzakegu datuak prozesadoretik prozesadorera dagoeneko 100 nanosegundoetatik oso hurbil dauden denboretan. Bina harantzago joan ahal izateko, eta maiz hara joan behar da, beharrezkoa izango da kalkulu-makina eta algoritmo berriak sortzea. Konputazio kuantikoak (non atomoen ezaugarri kuantikoak erabiltzen baitira), optoelektronikak, eta oraintxe bertan ikertzen eta garatzen ari diren beste teknologia askok aukera berriak eskainiko dituzte ezagutzaren erronka horiek guztiak gainditu ahal izateko.

Eta askoz gauza gehiago. Hizkuntzaren prozesamendua, web aplikazioak, adimen artifiziala, robotak, konputagailu-sareak, behar bereziak dituzten pertsonentzako laguntzak, datu masiboen analisia, kontrol-sistema txertatuak, osasunerako informatika, irudien eta bideoaren prozesatzea, kriptografia eta segurtasuna…

Ikus, gainera

• Sunway
• MareNostrum
• Agustin Arruabarrena

Kanpo estekak

• Mexikoko Institutu Politekniko Nazionalaren Superkalkulatze Laborategia
• UAM-Iztapalapako Superkalkulatze Laborategia
• Makrokonputagailuak edo Mainframes
• Top500

• Datuak: Q121117
• Multimedia: Supercomputers / Q121117