Para que isso é usado? Frontier, o supercomputador mais poderoso e rápido do mundo operando no Laboratório Nacional de Oak Ridge? Da modelagem de reatores à previsão climática.
Esta questão tem um contexto mais amplo. Muitas vezes me perguntam por que construímos máquinas tão poderosas, se cada um de nós pode ter um computador. É claro que os supercomputadores são máquinas muito caras que consomem uma enorme quantidade de energia, mas o que obtemos deles é muito mais valioso. Hoje tentarei explicar usando o exemplo do supercomputador Frontier.
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Por que precisamos de supercomputadores?
Em suma, os supercomputadores podem processar enormes fluxos de informação. Nosso mundo está mudando muito rapidamente, a humanidade criou um enorme banco de dados que precisa ser processado, analisado, agrupado, salvo, enfim. Isto ajudar-nos-á, por exemplo, a obter medicamentos novos, mais baratos e mais eficazes, materiais mais duráveis, prever alterações climáticas durante décadas, etc. Os supercomputadores nos permitem modelar o comportamento dos objetos que vamos construir, como os reatores de fusão. E estes são apenas alguns exemplos da aplicação dos supercomputadores mais rápidos. Sim, são muito caros de fabricar e manter, mas valem a pena.
Mas vamos começar com o básico. Afinal, o que é um supercomputador? Ainda não há uma definição clara disso. No entanto, uma característica de todo supercomputador em operação atualmente é o poder computacional muito alto. Uma definição simplificada pode ser encontrada na Internet, segundo a qual um supercomputador é uma máquina que pode atingir um desempenho computacional de pelo menos 1 teraflops, ou seja, 1012 (trilhões) de operações de ponto flutuante por segundo. Isso é muito comparado aos computadores domésticos comuns.
Se antes a velocidade dos computadores era medida em IPS (instruções por segundo), então uma nova unidade teve que ser inventada para supercomputadores - FLOPS, ou seja, operações de ponto flutuante por segundo. Quanto maior esse número, mais poderoso é o computador.
É claro que uma abordagem baseada em um determinado limite computacional fica desatualizada rapidamente, pois o desempenho dos processadores que são o núcleo dessas máquinas está em constante evolução e crescimento. A cada lançamento de novos processadores, a produtividade dos computadores modernos também aumenta. No entanto, construí-los é muito difícil e caro financeiramente.
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Quais supercomputadores são os mais rápidos?
Temos os dados mais recentes sobre este assunto. Em novembro de 2023, o site Top500.org, que há muitos anos publica regularmente classificações de desempenho dos computadores mais poderosos do planeta, publicou a última, 62ª edição do ranking Top500, que apresenta os 500 supercomputadores mais eficientes existentes no momento. .
O sistema Frontier ainda é o supercomputador mais eficiente do planeta. Este supercomputador é o primeiro sistema de computação em exascale do mundo, ou seja, sua velocidade ultrapassou 1 exaflops. A própria Frontier está localizada no Laboratório Nacional, localizado em Oak Ridge, Tennessee, EUA. Este supercomputador é o atual líder com uma pontuação HPL (High Performance LINPACK - um teste especial que avalia o desempenho bruto de supercomputadores) de 1193 EFlops (um exaflop é um quintilhão, ou 1018 cálculos de ponto flutuante por segundo).
Para efeito de comparação: a velocidade do chip mais poderoso Apple O M1 Ultra tem cerca de 21 teraflops (um trilhão de FLOPS). O número é enorme, isso é fato. Surpreendentemente, em 2002 houve um computador que desenvolveu uma velocidade ainda maior - este é o supercomputador Earth Simulator da gigante tecnológica japonesa NEC Corporation. Sua velocidade era de cerca de 36 teraflops!
O Frontier usa processadores AMD EPYC 64C 2GHz e é baseado na mais recente arquitetura HPE Cray EX235a. Ele é montado a partir de processadores 9408 AMD EPYC e aceleradores 37632 AMD Instinct MI250x. No total, o sistema possui 8 núcleos de processador e gráficos. Além disso, o Frontier tem uma eficiência energética impressionante de 699 GFlops/watt e usa rede HPE Slingshot 904 para transferência de dados. Assim, durante os testes, é capaz de produzir até 52,59 exaflops. O desempenho máximo atingiu um recorde de 11 exaflops. O custo do dispositivo é estimado em US$ 1,1 milhões.
Este é o primeiro e até agora o único supercomputador do mundo que funciona em modo flops. A Frontier se tornou líder há um ano, mas não permitiu que ninguém invadisse sua posição no ranking de junho de 2023. E até agora, no início de 2024, o supercomputador americano é o mais produtivo do mundo.
Mas os cientistas já sugerem que talvez depois de algum tempo ele tenha que admitir a superioridade de outra máquina americana: o supercomputador Aurora.
De acordo com a última classificação, o novo supercomputador Aurora com chips Intel Sapphire Rapids, rodando no Argonne Leadership Computing Facility em Illinois, EUA, ocupa o segundo lugar com um desempenho HPL de 585,34 PFlops. Embora este seja apenas metade do desempenho do supercomputador carro-chefe da Frontier, o sistema Aurora ainda não está completo e apenas metade do sistema final planejado está atualmente operacional. Após a conclusão, o desempenho previsto do Aurora provavelmente excederá 2 EFlops. O supercomputador Aurora, criado pela Intel, é baseado na arquitetura HPE Cray EX - Intel Exascale Compute Blade, usa processadores Intel Xeon CPU Max Series e aceleradores Intel Data Center GPU Max Series. Assim como no Frontier, a rede HPE Slinghot-11 é responsável pela transferência de dados.
O terceiro supercomputador mais eficiente é um novo sistema baseado em nuvem chamado Eagle Microsoft Azure nos EUA. Isso é uma curiosidade tecnológica, pois o Eagle é um supercomputador em nuvem, e a terceira posição no ranking Top500 é a mais alta já alcançada por um sistema em nuvem. Microsoft Eagle possui desempenho HPL de 561,2 PFlops, o coração da computação são os processadores e aceleradores Intel Xeon Platinum 8480C NVIDIA H100.
Aqui vale citar o supercomputador japonês Fugaku, cujo desempenho é mais de três vezes menor que o Frontier, e um dos supercomputadores mais produtivos do passado - LUMI. Embora os chineses ainda estejam construindo algo poderoso, tudo está no futuro.
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Por que precisamos de tanto poder de computação?
Você pode admirar a eficiência das máquinas mais rápidas do planeta, mas o desempenho que elas alcançam não se trata de quebrar recordes, mas de obter os resultados de cálculo desejados no menor tempo possível. Nenhum usuário de supercomputador usa essa máquina para escrever um e-mail ou preparar uma apresentação. Seria um desperdício terrível usar essas máquinas para realizar tarefas que podemos realizar em dispositivos em nossas casas. Afinal, o potencial computacional dos supercomputadores permite realizar ações que não estão disponíveis em computadores comuns.
De que tarefas estamos falando? Em primeiro lugar, sobre aqueles que podem trazer benefícios reais, e não são necessariamente aqueles que podem ser imediatamente convertidos em dinheiro. Vale lembrar que apenas cerca de 600 milhões de dólares foram gastos na criação do supercomputador Frontier. Naturalmente, a sua utilização e os custos de manutenção contínua também são significativos. O supercomputador ocupa uma área de 680 metros quadrados e consome 21 MW de energia elétrica.
O Frontier, tal como outros supercomputadores, é utilizado, entre outras coisas, para tarefas como modelação climática, investigação e produção de novos medicamentos vitais para a humanidade, investigação de novas tecnologias de materiais, etc. Claro que o âmbito das tarefas desempenhadas por este tipo de equipamento é muito mais vasto e inclui, por exemplo, a análise de enormes conjuntos de dados de vários tipos: financeiros, médicos, imagens de satélite, modelação de fenómenos físicos e muitos, muitos outros. O fato de o Frontier ser o primeiro supercomputador em exaescala permite que ele execute tarefas que seriam difíceis mesmo em outros supercomputadores.
Um exemplo pode ser a modelagem de todo o ciclo de vida de um reator termonuclear. Sim, isso não é um erro. Ainda não existe uma única usina de fusão no mundo, mas o poderoso poder de computação em exaescala do Frontier torna possível simular o comportamento de um hipotético reator de fusão e prever o comportamento do plasma em tal reator. É claro que, até que a energia termonuclear seja comercializada, é difícil pensar nos benefícios, mas ninguém no mundo duvida que o poder computacional que contribuirá para a criação e desenvolvimento da energia termonuclear e salvará toda a humanidade da escassez de energia vale a pena. investimento.
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Supercomputadores e medicina
Uma das aplicações dos supercomputadores são cálculos complexos e que consomem muita energia relacionados à estrutura de produtos químicos e compostos orgânicos. A análise cuidadosa do comportamento de substâncias individuais, possível devido à capacidade de simular o comportamento de um determinado composto num nível muito preciso, é uma ferramenta que permite o desenvolvimento de novos medicamentos mais eficazes.
Em 2020, antes do lançamento do supercomputador Frontier, cientistas do Laboratório Nacional de Oak Ridge, que então contava com o supercomputador Summit (esta máquina foi o supercomputador mais eficiente em 2018, ainda está em uso e ficou em 7º lugar com uma eficiência de 148,8 PFlops) usou-o para desenvolver um novo tipo de medicamento contra o câncer. O novo medicamento revelou-se cerca de 10% melhor e mais eficaz no tratamento do que os meios utilizados anteriormente. Claro que 10% não é tanto, mas diga isso aos pacientes que conseguiram salvar a vida graças a essa “pequena” diferença. A vida humana é, obviamente, inestimável, mas qualquer medicamento com maior eficácia pode poupar enormes recursos para o sistema de saúde e reduzir os custos do tratamento. É aqui que o Frontier pode ser útil. Suas capacidades são muito superiores às do mesmo supercomputador Summit.
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Fronteira e o novo modelo climático
A modelagem climática requer análise e justificativa do modelo da história milenar da Terra. Claro, esta é uma tarefa que requer uma enorme quantidade de recursos computacionais. Quanto mais precisamente pudermos modelar as alterações climáticas e prever o que acontecerá a longo prazo, mais rápidos e poderosos serão os supercomputadores de que precisaremos.
Mark Taylor, do Sandia National Laboratories, um dos pesquisadores que trabalham nas primeiras previsões climáticas de longo prazo do mundo usando computação escalonada, observou certa vez: "A arquitetura computacional única do supercomputador Frontier permite coisas que não podíamos fazer antes." Ou seja, o poder computacional dessa máquina reduz um cálculo que demorava anos para alguns dias. Ao mesmo tempo, permite aos investigadores obter estimativas detalhadas dos efeitos a longo prazo das alterações climáticas e das condições meteorológicas extremas. “Este é o novo padrão ouro para modelagem climática”, acrescenta Taylor.
Quais são os benefícios? Eles são simplesmente enormes. A capacidade de prever mudanças climáticas catastróficas pode salvar dezenas de milhares, e talvez até milhões, de vidas. E a análise do provável impacto do aquecimento climático nos ciclos hídricos globais e regionais permite-nos preparar-nos antecipadamente para mudanças futuras. Existem modelos espaciais modernos, mas são extremamente exigentes em termos computacionais. Até recentemente, muito exigente. Sim, permitem-nos prever teoricamente a complexa interação entre os vários elementos que compõem o que chamamos de tempo ou clima, por exemplo, o movimento convectivo que acompanha a formação das nuvens, mas aí é necessário processar um enorme fluxo de informações e fazer cálculos de incrível complexidade.
A presença do supercomputador Frontier já mudou isso. O projeto Energy Exascale Earth System Model (E3SM) supera esses obstáculos combinando novas abordagens de software com desempenho massivo em exaescala. Sarath Sripathy, coautor do estudo e coordenador do projeto E3SM e coautor do modelo de atmosfera E3SM denominado SCREAM, explica: “A comunidade de modelagem climática há muito sonha em executar modelos em escala de quilômetros com rapidez suficiente para facilitar previsões de décadas, e agora é uma realidade”..
Por outras palavras, tal projecto sem Frontier simplesmente fracassaria devido à falta de volumes de processamento de dados. No entanto, é importante notar que não apenas o poder computacional básico é importante, mas também a otimização dos próprios modelos. Peter Caldwell, climatologista do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, e sua equipe passaram os últimos cinco anos construindo um novo modelo de nuvem do zero. Funcionará de forma eficiente em processadores gráficos (GPUs), que hoje são um componente muito importante do poder computacional dos supercomputadores modernos. Um carro interessante de sua classe também pode ser incluído aqui.
Imagine. Adaptar o código para rodar em GPUs levou a um aumento significativo no desempenho. O SCREAM pode ser executado em 8192 nós Frontier para simular formações de nuvens globais que normalmente levavam mais de um ano (1,25 anos para ser exato) em uma única sessão de computação de 24 horas. Simulações de longo prazo abrangendo 30-40 anos podem ser feitas na Frontier em questão de semanas. Os pesquisadores observam que antes era quase impossível fazer tais cálculos. Pessoas interessadas em aprender mais sobre esses estudos podem conheça a nova publicação científica Mark Taylor e sua equipe.
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Tecnologias de fronteira e materiais
Um projeto interessante que aproveita o potencial exaescala do supercomputador Frontier é o trabalho na área de tecnologia de materiais. Esta é uma das maiores simulações computacionais de uma liga, que, graças à sua eficiência computacional, permitiu atingir uma precisão que chega quase ao nível quântico. Esta pesquisa, conduzida por Vikram Gavini, da Universidade de Michigan, é inovadora porque utiliza a equação de Schrödinger para modelar o comportamento de diferentes materiais. O enorme poder de computação do Frontier permitiu simular um sistema de liga de magnésio composto por 75 átomos.
As ligas de magnésio são um material muito interessante. É muito leve e ao mesmo tempo forte. No entanto, as ligas de magnésio são sensíveis a certos defeitos, principalmente deslocações (isto é, defeitos maciços na estrutura cristalina do material), que alteram drasticamente as suas propriedades mecânicas. Isso transforma um material promissor em um pedaço de metal inutilizável, pois racha facilmente, é quebradiço e instável. Os cientistas, com a ajuda do poder computacional da Frontier, conseguiram corrigir alguns desses defeitos nas ligas de magnésio. Mas este é apenas o começo de um trabalho árduo.
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O futuro dos supercomputadores?
Os computadores convencionais não conseguem resolver os desafios que alguns problemas científicos e técnicos nos colocam. Os supercomputadores têm muito mais poder computacional, permitindo-lhes realizar cálculos que seriam impossíveis ou levariam muito tempo em computadores comuns. Ao criar supercomputadores, os cientistas se esforçam para expandir os limites do nosso conhecimento e capacidades, bem como para resolver problemas que podem ter um enorme impacto real no nosso futuro.
A Lei de Moore afirma que o poder dos computadores aumenta exponencialmente. A cada dois anos, a velocidade dos cálculos dobra, engenheiros e cientistas conseguem encontrar soluções para problemas que antes eram considerados impossíveis.
Um dia, os supercomputadores se tornarão comuns. Afinal, há apenas dez anos, conceitos como realidade virtual, jogos em nuvem e metauniverso existiam apenas na imaginação de alguns especialistas em tecnologia e geeks, e hoje é a nossa realidade. A geração futura nem sequer terá de obter uma formação em TI e arranjar um emprego na Google para tirar partido dos supercomputadores: eles tornar-se-ão silenciosa e imperceptivelmente parte da vida quotidiana, tal como os smartphones, os computadores portáteis e outras coisas.
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