LOS SUPERCOMPUTADORES
Una supercomputadora o un superordenador es aquella con capacidades de cálculo muy superiores a las computadoras comunes y de escritorio y que son usadas con fines específicos. Hoy día los términos de supercomputadora y superordenador están siendo reemplazados por computadora de alto rendimiento y ambiente de cómputo de alto rendimiento, ya que las supercomputadoras son un conjunto de poderosos ordenadores unidos entre sí para aumentar su potencia de trabajo y rendimiento. Al año 2011, los superordenadores más rápidos funcionaban en aproximadamente más de 1 petaflops (que en la jerga de la computación significa que realizan más de 1000 billones de operaciones por segundo). La lista de supercomputadoras se encuentra en la lista TOP500.
Historia
Las supercomputadoras fueron
introducidas en la década de 1970 y fueron diseñadas
principalmente por Seymour Cray en
la compañía Control Data Corporation (CDC), la cual dominó el mercado durante
esa época, hasta que Cray dejó CDC para formar su propia empresa, Cray Research. Con esta nueva empresa siguió
dominando el mercado con sus nuevos diseños, obteniendo el podio más alto en
supercómputo durante cinco años consecutivos (1985-1990). En los años ochenta un gran número de empresas
competidoras entraron al mercado en paralelo con la creación del mercado de los
minicomputadores una década antes, pero muchas de ellas desaparecieron a
mediados de los años noventa. El término está en constante flujo. Las
supercomputadoras de hoy tienden a convertirse en las computadoras ordinarias
del mañana. Las primeras máquinas de CDC fueron simplemente procesadores
escalares muy rápidas, y muchos de los nuevos competidores desarrollaron sus
propios procesadores escalares a un bajo precio para poder penetrar en el
mercado.
De principio a mediados de los años
ochenta se vieron máquinas con un modesto número de procesadores vectoriales trabajando
en paralelo, lo cual se convirtió en un estándar. El número típico de
procesadores estaba en el rango de 4 a 16. En la última parte de los años
ochenta y principios de los noventa, la atención cambió de procesadores
vectoriales a sistemas de procesadores masivamente paralelos con miles de CPU
«ordinarios». En la actualidad, diseños paralelos están basados en
microprocesadores de clase servidor que están disponibles actualmente (2011).
Ejemplos de tales procesadores son PowerPC, Opteron o Xeon, y la mayoría de los
superordenadores modernos son hoy en día clústeres de computadores altamente
afinadas usando procesadores comunes combinados con interconexiones especiales.
Hasta ahora el uso y generación de
las mismas se ha limitado a organismos militares, gubernamentales, académicos o
empresariales.
Estas se usan para tareas de cálculos
intensivos, tales como problemas que involucran física cuántica, predicción del
clima, investigación de cambio climático, modelado de moléculas, simulaciones físicas
tal como la simulación de aviones o automóviles en el viento (también conocido
como Computational Fluid Dinamics), simulación de la detonación de armas
nucleares e investigación en la fusión nuclear.
Como ejemplo, se encuentra la
supercomputadora IBM Roadrunner;
científicos de IBM y del laboratorio de Los Álamos
trabajaron seis años en la tecnología de la computadora. Algunos elementos de
Roadrunner tienen como antecedentes videojuegos populares, de acuerdo con
David Turek, vicepresidente del programa de supercomputadoras de IBM. «En
cierta forma, se trata de una versión superior de Sony PlayStation 3», indicó. «Tomamos el diseño
básico del chip (de PlayStation) y
mejoramos su capacidad», informó Turek.
Sin embargo, Roadrunner difícilmente
pueda asemejarse a un videojuego. El sistema de interconexión ocupa 557 m² de
espacio. Cuenta con 91,7 km de fibra óptica y pesa
226,8 t. La supercomputadora está en el laboratorio
de investigaciones de IBM en Poughkeepsie, Nueva York y fue trasladada en julio
del 2008 al Laboratorio Nacional Los Álamos, en Nuevo México.[[m]]
Japón creó la primera
supercomputadora petaflops la MDGrape-3, pero solo de propósitos particulares,
luego IBM de USA creo la correcaminos, también de 1 petaflops, China la Milky
Way One de 1,2 petaflops y Cray de EE.UU. la Jaguar de 1,7 ó 1,8 petaflop, que
es al final del año 2009 la más rápida. La supercomputadora más rápida a fines
del 2010 era la china Tianhe 1A con máximas de velocidad de 2,5 petaflops.
Sistemas de enfriamiento
Muchas de las CPUs usadas
en los supercomputadores de hoy disipan 10 veces más calor que un disco de
estufa común . Algunos diseños necesitan enfriar los múltiples CPUs a
-85 °C (-185 °F).
Para poder enfriar múltiples CPUs a
tales temperaturas requiere de un gran consumo de energía. Por ejemplo, un
nuevo supercomputador llamado Aquasar tendrá
una velocidad tope de 10 teraflops. Mientras
tanto el consumo de energía de un solo rack de este supercomputador consume
cerca de 10 kW. Como comparación, un rack del supercomputador Blue Gene L/P
consume alrededor de 40 kW.
El consumo promedio de un
supercomputador dentro de la lista de los 500 supercomputadores más rápidos del
mundo es de alrededor de 257 kW.
Para el supercomputador Aquasar, que
será instalado en el Instituto Tecnológico Federal Suizo (ETH),
se utilizará un nuevo diseño de enfriamiento líquido. Se necesitarán 10 litros
de agua que fluirán a una tasa de 29,5 litros por minuto.
Una de las innovaciones en este
diseño es que normalmente los sistemas de enfriamiento aíslan el líquido de la
CPU y la transmisión de calor se da a través de convección desde la cubierta
metálica de la CPU a través de un adaptador generalmente de cobre u otro
material térmicamente conductivo. La innovación consiste en un nuevo diseño en
el cual llega el agua directamente a la CPU mediante tubos capilares de manera
que la transmisión de calor es más eficiente.
En el caso del ETH en Suiza,
el calor extraído del supercomputador será reciclado para
calentar habitaciones dentro de la misma universidad.
Características
Las principales son:
·
Velocidad de procesamiento: miles de millones de instrucciones
de coma flotante por segundo.
·
Usuarios a la vez: hasta miles, en entorno de redes amplias.
·
Tamaño: requieren instalaciones especiales y aire acondicionado
industrial.
·
Dificultad de uso: solo para especialistas.
·
Clientes usuales: grandes centros de investigación.
·
Penetración social: prácticamente nula.
·
Impacto social: muy importante en el ámbito de la investigación, ya que
provee cálculos a alta velocidad de procesamiento, permitiendo, por ejemplo,
calcular en secuencia el genoma humano, número π, desarrollar cálculos de problemas
físicos dejando un margen de error muy bajo, etc.
·
Parques instalados: menos de un millar en todo el mundo.
·
Hardware: Principal funcionamiento operativo
Principales usos
Las supercomputadoras se utilizan
para abordar problemas muy complejos o que no pueden realizarse en el mundo
físico bien, ya sea porque son peligrosos, involucran cosas increíblemente
pequeñas o increíblemente grandes. A continuación, damos algunos ejemplos:
·
Mediante el uso de supercomputadoras, los investigadores modelan el
clima pasado y el clima actual y predicen el clima futuro.
·
Los científicos que investigan el espacio exterior y sus propiedades
utilizan las supercomputadoras para simular los interiores
estelares, simular la evolución estelar de
las estrellas (eventos de supernova, colapso de nubes moleculares, etc.),
realizar simulaciones cosmológicas y modelar el clima espacial.
·
Los científicos usan supercomputadoras para simular de qué manera un
tsunami podría afectar una determinada costa o ciudad.
·
Las supercomputadoras se utilizan para probar la aerodinámica de los más
recientes aviones militares.
·
Las supercomputadoras se están utilizando para modelar cómo se doblan
las proteínas y cómo ese plegamiento puede afectar a la gente que sufre la
enfermedad de Alzheimer, la fibrosis quística y
muchos tipos de cáncer.
·
Las supercomputadoras se utilizan para modelar explosiones nucleares,
limitando la necesidad de verdaderas pruebas nucleares.
Sistemas operativos
Primeros SO que se
utilizaron en los supercomputadores
Las primeras supercomputadoras que
hubo en la historia, no disponían de un sistema operativo incorporado, con lo
cual cada sede, laboratorio, etc. que utilizaba uno de estos supercomputadores
se hacía cargo de tener que desarrollar un SO en concreto y a la medida de su
supercomputador. Por ejemplo, el considerado primer supercomputador de la
historia, el CDC 6600, utilizó el
sistema operativo llamado Chippewa (COS, que también es nombrado como sistema
operativo Cray). Este sistema operativo era bastante simple y su característica
principal consistía en poder controlar las diferentes tareas del sistema
informático, de esta manera se conseguía que las diferentes tareas siempre dispusieran
de lo que requerían para llevar a término su fin. A raíz de este sistema
operativo surgieron nuevos, como por ejemplo los llamados Kronos, Scope o Nos.
El sistema operativo Kronos fue
implantado durante la década de los 70 y su característica principal es que las
diferentes tareas puedan acceder al mismo tiempo a algo que requerían varias
para llevar a cabo su faena. El sistema operativo Scope (Supervisory Control Of
Program Execution) fue utilizado durante la década de los 60, su característica
principal es que permite tener controladas todas las tareas del sistema.
El sistema operativo Nos (Network
Operating System) se puede decir que fue el que sustituyó a los dos anteriores
durante la década de los 70, sus características eran muy similares al de su
predecesor Kronos, pero lo que se buscaba concretamente con Nos era tener un
sistema operativo común en todas las creaciones de CDC (Control Data Corporation)
que había. En la década de los 80, Nos fue sustituido por Nos/Ve (Network
Operating System/ Virtual Environment), que a diferencia de su predecesor
disponía de una memoria virtual. A finales de la década de los 80 se comenzaron
a implantar en los supercomputadoras los llamados sistemas operativos modernos
o los que han sido la base de los actuales, los sistemas operativos basados
en UNIX. Los primeros fueron los llamados UNICOS, que fueron los que surgieron con
fuerza durante esa década.
Evolución del
porcentaje de uso de los SO en supercomputadores
Junio 1993
Como se ha mencionado en el punto
anterior, los primeros sistemas operativos que tienen incorporados los
supercomputadores eran desarrollados a la medida y específicamente para cada
uno de ellos, siendo por ejemplo Chippewa, Kronos, Scope o Nos algunos de ellos.
Pero a finales de los 80 comienza a haber un cambio significativo y los
supercomputadores comienzan a decantarse por los sistemas operativos basados en
UNIX como UNICOS. En 1993 se comienzan a hacer la lista de los primeros 500
supercomputadores del mundo y en la que se especifica qué sistemas operativos
utilizan cada uno. A partir de esta lista se pudo comenzar a hacer una
estimación de la evolución de los sistemas operativos en ellos.
·
Junio 1993
El primer año que se realizó la lista
del Top 500, Unix y UNICOS (basado en Unix) eran utilizados por más del 50% de
las supercomputadoras, concretamente el 56,4%. Por lo tanto a principios de la
década de los 90, se puede decir que los sistemas operativos que predominaban
se basan en Unix.
·
Junio 2000
El siguiente año en el que hay un
gran cambio es el 2000, porque es cuando Linux, que como veremos más adelante es el SO
principal en las supercomputadoras en la actualidad, comienza a hacerse un
hueco en el mundo de la supercomputación. En el año 2000 los sistemas basados
en Unix siguen dominando, ya que los 5 primeros, AIX, Solaris,
UNICOS, HP Unix y IRIX se basan en este ocupando
simplemente entre ellos el 80,6% del porcentaje total, habiendo aun otros
sistemas que en menores porcentajes utilizan también Unix. Como hecho
destacable podemos ver que UNICOS que a principios de la década era el
dominador ya no lo es y pasa a serlo AIX.
·
Junio 2003
El siguiente año significativo es el
2003, y por un hecho en concreto y es que Linux pasa a colocarse el primero de
la lista, aunque los sistemas basados en Unix siguen predominando en el total.
·
Junio 2005
Junio 2015
La siguiente fecha significativa es
el año 2005, este año Linux por sí solo ya domina todo el sector de la
supercomputación con un 62,4%, con lo cual el cambio de tendencia de sistemas
Unix a Linux se ha confirmado. Como información a tener en cuenta, Hans Werner
Meuer (profesor de ciencias informáticas en la Universidad de Mannheim,
Alemania) encargado de hacer la lista comentó que aunque está seguro del
dominio de Linux en el sector de la supercomputación, no se podía asegurar que
los datos de la lista fueran 100% fiables y que es más bien una estimación, ya
que muchos de los sitios donde se utilizan supercomputadores se negaban a proporcionar
la información sobre que SO tenían.
·
Junio 2012
El año 2012 es cuando Linux alcanza
su tope hasta el día de hoy con un porcentaje del 83,8%, habiendo además ya
otros sistemas que también están basados en Linux.
·
Junio 2015
La última lista hecha del top 500,
muestra como los sistemas basados en Linux dominan totalmente el sector de la
supercomputación en la actualidad con un 97,2%, concretamente 486 de los 500
supercomputadores lo utilizan. El otro 2,7% restante está conformado
básicamente por sistemas UNIX. Como dato interesante, Windows o Mac OStienen un porcentaje prácticamente nulo
en el sector de la supercomputación.
Motivo de este
cambio, qué SO predomina actualmente y por qué
Ha habido un par de cambios claves en
el mundo de los sistemas operativos que se usan en la supercomputación. El
primero de ellos fue durante finales de la década de los 80, y fue cuando se
pasó de que para cada supercomputadora tuviera que desarrollarse un SO a medida
para ella, a aplicar sistemas operativos basados en UNIX. Este cambio fue
debido a que llegó un punto en que el coste de desarrollar ese software
específico era el mismo que el que se gastaba en hardware, cosa que hacía del
todo inviable seguir por ese camino. También gracias a UNIX se podía
proporcionar potencia de manera flexible a la supercomputadora, que era muy
importante debido a los constantes cambios de las aplicaciones científicas en
las que se utilizaban, o el cambio de hardware que había constantemente debido
a la evolución de este.
El segundo gran cambio que hubo fue
cuando se pasó, aproximadamente sobre el año 2003, de un dominio total de UNIX
al dominio total de Linux, que es el SO que predomina en la actualidad. Este
cambio fue debido a varios motivos: el primero era la flexibilidad que nos ofrece
Linux, ya que este dispone de un kernel abierto con el cual hacer
modificaciones y optimizaciones sobre él. Por otra parte, el coste de las
licencias de Linux está muy por debajo de otros y en global es más rentable, ya
que tiene una comunidad alrededor que ayuda y aporta de forma gratuita.
Linux es el SO predominante en la
actualidad debido a varios factores, como por ejemplo que su coste es nulo, que
dispone de un kernel genérico, que tiene una gran escalabilidad que le permite
adaptarse a grandes cargas fácilmente, que su instalación se basa en pequeños
módulos, los cuales cada uno hace una tarea: con esto se consigue que si se
modifica uno no afecte a los demás, también su código es abierto lo cual
permite que en cualquier momento podamos modificar este ante cualquier cambio
que se quiera o surja en la supercomputadora; otro punto es que detrás tiene
una gran comunidad que da apoyo, y por último nos permite hacer pruebas de
configuración de red sin la necesidad de tener que reiniciar el sistema.
