A cosa serve? Frontier, il supercomputer più potente e veloce del mondo in funzione presso l'Oak Ridge National Laboratory? Dalla modellazione dei reattori alle previsioni climatiche.
Questa domanda ha un contesto più ampio. Spesso mi viene chiesto perché costruiamo macchine così potenti, se ognuno di noi può avere un computer? Naturalmente, i supercomputer sono macchine molto costose che consumano un’enorme quantità di energia, ma ciò che ne ricaviamo è molto più prezioso. Oggi proverò a spiegarlo utilizzando l'esempio del supercomputer Frontier.
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Perché abbiamo bisogno dei supercomputer?
In breve, i supercomputer possono elaborare enormi flussi di informazioni. Il nostro mondo sta cambiando molto rapidamente, l'umanità ha creato un enorme database che necessita di essere elaborato, analizzato, raggruppato, infine salvato. Ciò ci aiuterà, ad esempio, a ottenere farmaci nuovi, più economici e più efficaci, materiali più durevoli, a prevedere i cambiamenti climatici per decenni, ecc. I supercomputer ci permettono di modellare il comportamento degli oggetti che costruiremo, come i reattori a fusione. E questi sono solo alcuni esempi di applicazione dei supercomputer più veloci. Sì, sono molto costosi da produrre e mantenere, ma ne vale la pena.
Ma cominciamo dalle basi. Cos’è comunque un supercomputer? Non esiste ancora una definizione chiara di questo. Tuttavia, una caratteristica di ogni supercomputer attualmente operativo è l’elevata potenza di calcolo. Su Internet è reperibile una definizione semplificata secondo la quale un supercomputer è una macchina in grado di raggiungere una potenza di calcolo di almeno 1 teraflop, cioè 1012 (trilioni) di operazioni in virgola mobile al secondo. Questo è molto rispetto ai normali computer domestici.
Se prima la velocità dei computer veniva misurata in IPS (istruzioni al secondo), allora per i supercomputer doveva essere inventata una nuova unità: FLOPS, ad es. operazioni in virgola mobile al secondo. Più alto è questo numero, più potente è il computer.
Naturalmente, un approccio basato su una certa soglia computazionale diventa obsoleto abbastanza rapidamente, poiché le prestazioni dei processori che costituiscono il cuore di queste macchine sono in continua evoluzione e crescita. Con ogni rilascio di nuovi processori, aumenta anche la produttività dei computer moderni. Tuttavia, costruirli è molto difficile ed economicamente costoso.
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Quali supercomputer sono i più veloci?
Abbiamo i dati più recenti su questo problema. Nel novembre 2023, il sito Top500.org, che da anni pubblica regolarmente le valutazioni delle prestazioni dei computer più potenti della Terra, ha pubblicato l'ultima, 62a edizione della classifica Top500, che presenta i 500 supercomputer più efficienti attualmente esistenti .
Il sistema Frontier è ancora il supercomputer più efficiente del pianeta. Questo supercomputer è il primo sistema informatico exascale al mondo, ovvero la sua velocità ha superato 1 exaflop. La stessa Frontier si trova presso il National Laboratory, che si trova a Oak Ridge, Tennessee, USA. Questo supercomputer è l'attuale leader con un punteggio HPL (High Performance LINPACK - un test speciale che valuta le prestazioni grezze dei supercomputer) a 1193 EFlops (un exaflop è un quintilione, o 1018 calcoli in virgola mobile al secondo).
Per fare un confronto: la velocità del chip più potente Apple L'M1 Ultra è di circa 21 teraflop (un trilione di FLOPS). Il numero è enorme, questo è un dato di fatto. Sorprendentemente, nel 2002 esisteva un computer che sviluppava una velocità ancora maggiore: questo è il supercomputer Earth Simulator del colosso tecnologico giapponese NEC Corporation. La sua velocità era di circa 36 teraflop!
Frontier utilizza processori AMD EPYC 64C 2GHz e si basa sulla più recente architettura HPE Cray EX235a. È assemblato da 9408 processori AMD EPYC e 37632 acceleratori AMD Instinct MI250x. In totale, il sistema ha 8 core di processore e grafica. Inoltre, Frontier ha un'impressionante efficienza energetica di 699 GFlops/watt e utilizza la rete HPE Slingshot 904 per il trasferimento dei dati. Quindi, durante i test, è in grado di produrre fino a 52,59 exaflop. Le prestazioni massime hanno raggiunto il record di 11 exaflop. Il costo del dispositivo è stimato a 1,1 milioni di dollari.
Questo è il primo e finora l'unico supercomputer al mondo che funziona in modalità flop. Frontier è diventata leader un anno fa, ma non ha permesso a nessuno di invadere la sua posizione nella classifica di giugno 2023. E finora, all’inizio del 2024, il supercomputer americano è il più produttivo al mondo.
Ma gli scienziati già suggeriscono che forse tra qualche tempo dovrà ammettere la superiorità di un'altra macchina americana: il supercomputer Aurora.
Secondo l'ultima classifica, il nuovo supercomputer Aurora con chip Intel Sapphire Rapids, in funzione presso l'Argonne Leadership Computing Facility in Illinois, USA, è al secondo posto con una prestazione HPL di 585,34 PFlops. Sebbene questa sia solo la metà delle prestazioni del supercomputer di punta di Frontier, il sistema Aurora non è ancora completo e solo la metà del sistema finale pianificato è attualmente operativa. Al termine, è probabile che le prestazioni previste di Aurora superino i 2 EFlop. Il supercomputer Aurora, creato da Intel, è basato sull'architettura HPE Cray EX - Intel Exascale Compute Blade, utilizza processori Intel Xeon CPU Max Series e acceleratori Intel Data Center GPU Max Series. Come in Frontier, la rete HPE Slinghot-11 è responsabile del trasferimento dei dati.
Il terzo supercomputer più efficiente è un nuovo sistema basato su cloud chiamato Eagle Microsoft Azzurro negli Stati Uniti. Si tratta di una sorta di curiosità tecnologica, poiché Eagle è un supercomputer cloud e la terza posizione nella classifica Top500 è la più alta mai raggiunta da un sistema cloud. Microsoft Eagle vanta prestazioni HPL di 561,2 PFlops, il cuore del calcolo sono i processori e gli acceleratori Intel Xeon Platinum 8480C NVIDIA H100.
Qui vale la pena menzionare il supercomputer giapponese Fugaku, le cui prestazioni sono più di tre volte inferiori a quelle di Frontier, e uno dei supercomputer più produttivi del passato: LUMI. Sebbene i cinesi stiano ancora costruendo qualcosa di potente, è tutto nel futuro.
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Perché abbiamo bisogno di così tanta potenza di calcolo?
Potresti ammirare l'efficienza delle macchine più veloci sulla Terra, ma le prestazioni che raggiungono non mirano a battere i record, ma a ottenere i risultati di calcolo desiderati nel più breve tempo possibile. Nessun utente di supercomputer utilizza quella macchina per scrivere un'e-mail o preparare una presentazione. Sarebbe un terribile spreco utilizzare tali macchine per eseguire attività che possiamo eseguire sui dispositivi nelle nostre case. Dopotutto, il potenziale computazionale dei supercomputer consente di eseguire azioni che non sono disponibili sui normali computer.
Di quali compiti stiamo parlando? Innanzitutto su quelli che possono portare benefici reali, e questi non sono necessariamente quelli che possono essere immediatamente convertiti in denaro. Vale la pena ricordare che per la creazione del supercomputer Frontier sono stati spesi solo circa 600 milioni di dollari. Naturalmente anche i costi di utilizzo e di manutenzione continua sono significativi. Il supercomputer occupa una superficie di 680 metri quadrati e consuma 21 MW di elettricità.
Frontier, come altri supercomputer, viene utilizzato, tra le altre cose, per compiti quali la modellazione del clima, la ricerca e la produzione di nuovi farmaci vitali per l’umanità, la ricerca su nuove tecnologie materiali, ecc. Naturalmente, la portata dei compiti svolti da questo tipo di apparecchiature è molto più ampia e comprende, ad esempio, l'analisi di enormi set di dati di vario tipo: immagini finanziarie, mediche, satellitari, modellizzazione di fenomeni fisici e molti, molti altri. Il fatto che Frontier sia il primo supercomputer exascale gli consente di eseguire compiti che sarebbero difficili anche su altri supercomputer.
Un esempio può essere la modellizzazione dell'intero ciclo di vita di un reattore termonucleare. Sì, questo non è un errore. Non esiste ancora una sola centrale elettrica a fusione nel mondo, ma la potente potenza di calcolo exascale di Frontier consente di simulare il comportamento di un ipotetico reattore a fusione e prevedere il comportamento del plasma in tale reattore. Naturalmente, finché l’energia termonucleare non sarà commercializzata, è difficile pensare ai benefici, ma nessuno al mondo dubita che la potenza di calcolo che contribuirà alla creazione e allo sviluppo dell’energia termonucleare e salverà tutta l’umanità dalla penuria energetica valga qualsiasi cosa. investimento.
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Supercomputer e medicina
Una delle applicazioni dei supercomputer sono i calcoli complessi e ad alta intensità energetica relativi alla struttura delle sostanze chimiche e dei composti organici. L'attenta analisi del comportamento delle singole sostanze, possibile grazie alla capacità di simulare il comportamento di un dato composto ad un livello molto preciso, è uno strumento che consente lo sviluppo di nuovi farmaci più efficaci.
Nel 2020, prima del lancio del supercomputer Frontier, gli scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory, che allora possedeva il supercomputer Summit (questa macchina era il supercomputer più efficiente nel 2018, è ancora in uso e si è classificato 7 con un'efficienza di 148,8 PFlops) lo ha utilizzato per sviluppare un nuovo tipo di farmaco antitumorale. Il nuovo farmaco si è rivelato migliore di circa il 10%, più efficace nel trattamento rispetto ai mezzi utilizzati in precedenza. Certo, il 10% non è tanto, ma ditelo ai pazienti che grazie a quella “piccola” differenza sono riusciti a salvarsi la vita. La vita umana è, ovviamente, inestimabile, ma qualsiasi farmaco con maggiore efficacia può far risparmiare enormi risorse al sistema sanitario e ridurre i costi delle cure. È qui che Frontier può tornare utile. Le sue capacità sono molto superiori a quelle dello stesso supercomputer Summit.
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Frontiera e il nuovo modello climatico
La modellizzazione climatica richiede l’analisi e la giustificazione del modello della storia millenaria della Terra. Naturalmente, questo è un compito che richiede un’enorme quantità di risorse informatiche. Quanto più accuratamente saremo in grado di modellare il cambiamento climatico e prevedere cosa accadrà a lungo termine, tanto più veloci e potenti saranno i supercomputer di cui avremo bisogno.
Mark Taylor dei Sandia National Laboratories, uno dei ricercatori che stanno lavorando alle prime previsioni climatiche a lungo termine utilizzando l'escalation computing, una volta ha osservato: "L'architettura informatica unica del supercomputer Frontier consente cose che prima non potevamo fare". Cioè, la potenza di calcolo di questa macchina riduce a pochi giorni un calcolo che prima richiedeva anni. Allo stesso tempo, consente ai ricercatori di ottenere stime dettagliate degli effetti a lungo termine dei cambiamenti climatici e delle condizioni meteorologiche estreme. "Questo è il nuovo gold standard per la modellizzazione climatica", aggiunge Taylor.
Quali sono i vantaggi? Sono semplicemente enormi. La capacità di prevedere cambiamenti meteorologici catastrofici può salvare decine di migliaia, e forse anche milioni, di vite. E l’analisi del probabile impatto del riscaldamento climatico sui cicli idrici globali e regionali ci consente di prepararci in anticipo ai cambiamenti futuri. Esistono modelli spaziali moderni, ma sono estremamente impegnativi dal punto di vista computazionale. Fino a poco tempo fa, troppo impegnativo. Sì, ci permettono di prevedere teoricamente la complessa interazione tra i vari elementi che compongono quello che chiamiamo tempo o clima, ad esempio il movimento convettivo che accompagna la formazione delle nuvole, ma lì è necessario elaborare un enorme flusso di informazioni ed effettuare calcoli di incredibile complessità.
La presenza del supercomputer Frontier ha già cambiato la situazione. Il progetto Energy Exascale Earth System Model (E3SM) supera questi ostacoli combinando nuovi approcci software con enormi prestazioni exascale. Sarath Sripathy, coautore dello studio e coordinatore del progetto E3SM e coautore del modello atmosferico E3SM chiamato SCREAM, spiega: "La comunità dei modelli climatici sogna da tempo di eseguire modelli su scala chilometrica abbastanza velocemente da facilitare previsioni decennali, e ora è una realtà”..
In altre parole, un progetto del genere senza Frontier fallirebbe semplicemente a causa della mancanza di volumi di elaborazione dei dati. Vale però la pena notare che non è importante solo la potenza di calcolo di base, ma anche l’ottimizzazione dei modelli stessi. Peter Caldwell, climatologo del Lawrence Livermore National Laboratory, e il suo team hanno trascorso gli ultimi cinque anni a costruire da zero un nuovo modello di nuvole. Funzionerà in modo efficiente sui processori grafici (GPU), che oggi sono una componente molto importante della potenza di calcolo dei moderni supercomputer. Qui può essere inclusa anche un'interessante vettura di punta della sua categoria.
Immaginare. L'adattamento del codice per l'esecuzione su GPU ha portato a un aumento significativo delle prestazioni. SCREAM può essere eseguito su 8192 nodi Frontier per simulare formazioni nuvolose globali che in genere richiedono più di un anno (1,25 anni per l'esattezza) in una singola sessione informatica di 24 ore. Simulazioni a lungo termine che coprono un arco di 30-40 anni possono essere effettuate a Frontier nel giro di poche settimane. I ricercatori notano che prima era quasi impossibile effettuare tali calcoli. Le persone interessate a saperne di più su questi studi possono farlo conoscere la nuova pubblicazione scientifica Mark Taylor e la sua squadra.
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Tecnologie di frontiera e dei materiali
Un progetto interessante che sfrutta il potenziale exascale del supercomputer Frontier è il lavoro nel campo della tecnologia dei materiali. Si tratta di una delle più grandi simulazioni computazionali mai realizzate di una lega, che, grazie alla sua efficienza computazionale, ha permesso di raggiungere una precisione che raggiunge quasi il livello quantico. Questa ricerca, condotta da Vikram Gavini dell'Università del Michigan, è innovativa in quanto utilizza l'equazione di Schrödinger per modellare il comportamento di diversi materiali. L'enorme potenza di calcolo di Frontier ha permesso di simulare un sistema di lega di magnesio composto da 75 atomi.
Le leghe di magnesio sono un materiale molto interessante. È molto leggero e allo stesso tempo resistente. Tuttavia, le leghe di magnesio sono sensibili ad alcuni difetti, principalmente dislocazioni (cioè difetti massicci nella struttura cristallina del materiale), che modificano drasticamente le loro proprietà meccaniche. Questo trasforma un materiale promettente in un pezzo di metallo inutilizzabile, perché si rompe facilmente, è fragile e instabile. Gli scienziati, con l'aiuto della potenza di calcolo di Frontier, sono riusciti a correggere alcuni di questi difetti nelle leghe di magnesio. Ma questo è solo l’inizio di un duro lavoro.
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Il futuro dei supercomputer?
I computer convenzionali non possono risolvere le sfide che alcuni problemi scientifici e tecnici ci pongono. I supercomputer hanno una potenza di calcolo molto maggiore, il che consente loro di eseguire calcoli che sarebbero impossibili o richiederebbero troppo tempo sui computer normali. Creando supercomputer, gli scienziati si sforzano di espandere i confini delle nostre conoscenze e capacità, nonché di risolvere problemi che possono avere un enorme impatto reale sul nostro futuro.
La legge di Moore afferma che la potenza dei computer aumenta in modo esponenziale. Ogni due anni la velocità dei calcoli raddoppia, ingegneri e scienziati riescono a trovare soluzioni a problemi che prima erano considerati impossibili.
Un giorno i supercomputer diventeranno un luogo comune. Dopotutto, solo dieci anni fa concetti come realtà virtuale, giochi cloud e metauniverso esistevano solo nell'immaginazione di pochi esperti e fanatici della tecnologia, e oggi sono la nostra realtà. La generazione futura non dovrà nemmeno frequentare una formazione informatica e trovare un lavoro presso Google per sfruttare i supercomputer: diventeranno silenziosamente e impercettibilmente parte della vita di tutti i giorni, proprio come smartphone, laptop e altre cose.
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