Supercomputadores

Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original

24/08/14 23:03Terra - Entenda o que são os supercomputadores
Página 1 de 2http://www.terra.com.br/noticias/infograficos/supercomputadores/supercomputadores-01.htm
1 O que é um
supercomputador?
Basicamente, um supercomputador é um computador
cujo desempenho é extremamente grande. A
velocidade de processamento de uma máquina dessas
supera em milhares (às vezes milhões) de vezes a de
um computador doméstico. Ele também precisa ter uma
capacidade de memória absurdamente superior para
dar conta da enorme quantidade de dados
apresentados na entrada e depois produzidos na saída.
Por fim, a maioria dos supercomputadores usa um tipo
de processamento de informação chamado de
processamento paralelo, o que quer dizer que pode
calcular várias coisas ao mesmo tempo.
Embora essa capacidade de processamento possa
parecer fútil, os supercomputadores são bastante úteis.
Cálculos e simulações científicas que poderiam levar
anos podem ser feitas em questão de dias ou mesmo
horas. Por conta disso, os supercomputadores têm
lugar cativo em centros de pesquisa, sejam elas
aeroespaciais, militares, de física, química e medicina.
Por exemplo, já notou que as previsões de tempo hoje
são muito mais precisas do que há trinta ou mesmo
vinte anos? Isso ocorre porque os institutos de
meteorologia e clima não mais tentam “adivinhar” o que
vai acontecer pela configuração prévia da atmosfera.
Em vez disso, um supercomputador simula, baseado
nas condições atuais e nas tendências anotadas, como
o clima realmente estará. A quantidade de cálculos para
essa simulação é assombrosa, e deve acontecer em
poucas horas - caso contrário, não será possível emitir
a tempo um alerta de furação ou de maremoto, por
exemplo. Da mesma forma, apenas o imenso poder dos
supercomputadores tornam práticas as pesquisas
científicas e simulações de armas nucleares,
modelagem química e molecular e projeto de aeronaves
e carros de corrida.
foto: Getty Images
24/08/14 23:04Terra - Entenda o que são os supercomputadores
Página 1 de 2http://www.terra.com.br/noticias/infograficos/supercomputadores/supercomputadores-02.htm
2 Os primeiros e os mais
modestos
Os primeiros supercomputadores foram criados na
década de 1960 pelo engenheiro Seymour Cray para a
extinta Control Data Corporation. Cray posteriormente
fundou uma empresa que leva o seu nome, a Cray
Research, e dominou o mercado da supercomputação
durante cerca de 25 anos, até o início dos anos 1990.
Os Cray ainda são estrelas no mundo da
supercomputação, mas hoje a concorrência é grande,
com empresas como HP, Oracle e, claro, IBM
disputando cabeça por cabeça esse polpudo mercado.
Além dos imensos supercomputadores das grandes
empresas, é possível construir, com orçamentos mais
modestos, supermáquinas de porte menor, mas ainda
assim de grande capacidade de processamento. Esse é
o caminho trilhado por centenas de Universidades
espalhadas pelo mundo e mesmo por empresas e
entusiastas que querem ingressar nesse seleto clube.
Um dos exemplos é o FASTRA ii. Em vez do conceito
de cluster (computadores independentes ligados em
rede), todos os processadores no FASTRA ii trabalham
paralelamente compartilhando os mesmos barramentos
de dados dentro do mesmo gabinete.
foto: Divulgação
Seymour Cray e seu Cray-1, em 1970
O FASTRA ii, um supercomputador do tamanho de um PC comum e feito em casa
24/08/14 23:04Terra - Entenda o que são os supercomputadores
Página 1 de 2http://www.terra.com.br/noticias/infograficos/supercomputadores/supercomputadores-03.htm
3 Processamento paralelo
O grande segredo dos supercomputadores é a força
bruta. Além de muita memória, eles possuem inúmeros
processadores (hoje contados na casa dos milhares)
que funcionam juntos, como em uma orquestra.
Por conta da quantidade de processadores e de
memória, os PCs de casa não são páreos para os
supercomputadores, mesmo os mais acanhados. Se
compararmos com os primeiros da lista, então, a coisa
fica ainda mais distante: o famoso Roadrunner, sétimo
supercomputador mais rápido do mundo, possui mais
de 19 mil processadores. O Jaguar, terceiro no ranking,
tem cerca de 37 mil processadores de dois núcleos,
num total de quase 80 mil núcleos. Um PC caseiro tem,
no máximo, quatro processadores. E até bem pouco
tempo atrás, a regra era possuírem um só.
Com apenas um processador, um computador
doméstico ou empresarial pode desempenhar apenas
uma tarefa por vez. Mesmo com sistemas operacionais
ditos “multitarefa” (como o Windows e o Linux), o que
ocorre é apenas a ilusão de várias tarefas sendo
executadas ao mesmo tempo. Na verdade, o sistema
alterna entre as várias tarefas (pula de uma para outra)
numa velocidade muito grande, dando a ilusão de que
você está editando no Word e jogando paciência ao
mesmo tempo.
Hoje, os PCs domésticos têm processadores com dois
ou mesmo quatro núcleos - um processador com dois
núcleos é um “dois-em-um”, funcionando como se
fossem dois processadores separados. Portanto, é
correto dizer que os sistemas domésticos possuem
processamento paralelo. Mas, com dois processadores,
são apenas duas tarefas ao mesmo tempo. Há diversas
tecnologias empregadas pelos supercomputadores para
controlar e distribuir tarefas a todos os seus
processadores, de forma que, ao mesmo tempo, cada
um faça uma coisa diferente (é a isso que chamamos
de processamento paralelo).
Além de processadores “tradicionais” (como os intel
Core e os AMD Opteron) trabalhando de forma paralela,
é comum ver processadores vetoriais (os mesmos
usados em placas de vídeo para desenhar rapidamente
cenas complexas na tela, especialmente em jogos)
também contribuindo em cálculos matemáticas a altas
velocidades. Não é o intuito deste artigo discorrer sobre
o funcionamento de cada tecnologia, mas é curioso
notar como componentes criados para um propósito
específico acabam sendo úteis em outros usos.foto: Divulgação
24/08/14 23:05Terra - Entenda o que são os supercomputadores
Página 1 de 2http://www.terra.com.br/noticias/infograficos/supercomputadores/supercomputadores-04.htm
4 Software
Para que todos esses processadores trabalhem em
cooperação, é necessário que, em primeiro lugar,
tenham algum tipo de comunicação entre si. Essa
comunicação pode ser direta - ou seja, como se fosse
um computador só contendo todos os processadores -
ou em forma de cluster - muitos computadores comuns
ligados entre si para simular um supercomputador,
normalmente em uma rede comum de computadores.
Mas não basta ligar todo mundo em rede para ter um
supercomputador. É preciso que o sistema operacional
em cada um deles seja preparado para isso, e ainda
que haja um software central para distribuir as tarefas
entre todos eles. No caso dos clusters, o software mais
popular para isso é o Beowulf (beowulf.org), gratuito e
aberto, mas há outras opções pagas como o MOSIX
(mosix.org) e o Microsoft Windows Computer Cluster
Server 2003.
A gratuidade, o código aberto e a grande comunidade
que se formou em volta do Linux e do Beowulf
permitem que se construam, facilmente, pequenos
supercomputadores “em casa” (ou na Universidade,
como normalmente é o caso), a custo baixo. Qualquer
um pode construir um supercomputador modesto se
tiver vários PCs à disposição e quiser “meter a mão” em
configurações de rede e na instalação do Linux e do
Beowulf. Para mais informações, um bom ponto de
partida é o artigo da wikipedia sobre clusters, disponível
em en.wikipedia.org/wiki/Computer_cluster (em inglês).
No caso dos supercomputadores maiores, em que os
processadores (ou "nós", como também são chamados
nesse ambiente) são ligados internamente, cada
instalação têm o seu software próprio de controle. Uma
coisa bastante comum entre todos, entretanto, é que a
maioria dos supercomputadores no mundo (mesmo os
maiores) rodam alguma versão do sistema operacional
Linux.
foto: McGill University/Divulgação
Esse é o Borg, um
cluster Beowulf usado pela McGill University para pesquisas sobre estrelas pulsares
24/08/14 23:05Terra - Entenda o que são os supercomputadores
Página 1 de 2http://www.terra.com.br/noticias/infograficos/supercomputadores/supercomputadores-05.htm
5 Petaflops
O desempenho de qualquer computador - mesmo os
pequenos PCs que todos têm em casa - é medido em
uma unidade esquisita chamada flops (assim mesmo,
com “s” no final, mesmo no singular). Um flops
representa a potência computacional de uma máquina
capaz de realizar uma operação matemática em ponto
flutuante - ou seja, com números decimas de muitas
casas - em um segundo (o “s” de flops representa o
segundo). Apesar da unidade ser chamada de flops, é
usual que os múltiplos sejam grafados sem esse “s”
final quando no singular (um teraflop, três quiloflops).
O desempenho em flops pode ser grafado com os
multiplicadores que estamos acostumados na vida
cotidiana (quilo, mega, giga, tera) para facilitar a
compreensão. Assim como 1 kg representam 1 mil g,
podemos quantificar os flops da seguinte maneira:
- 1 megaflop = 1 milhão de flops
- 1 gigaflop = 1 bilhão de flops
- 1 teraflop = 1 trilhão de flops
- 1 petaflop = 1 quatrilhão de flops
Um petaflop, a unidade usada em supercomputadores,
representaria portanto a capacidade de realizar um
quatrilhão dessas operações em ponto flutuante em um
segundo. Supercomputadores mais antigos rodam a
“meras” centenas de teraflops. A título de comparação,
um computador PC de configuração mais rápida
possível, equipado com três Intel Core i7 980 XE (ou
seja, 12 núcleos!), chega, segundo a página Top10
Flops, a “apenas” 20 gigaflops, ou 0,02 teraflops ou,
para podermos comparar com o desempenho do
Tianhe-1A, 0,00002 petaflops.
foto: Divulgação
24/08/14 23:06Terra - Entenda o que são os supercomputadores
Página 1 de 2http://www.terra.com.br/noticias/infograficos/supercomputadores/supercomputadores-06.htm
6 Chineses desbancam
americanos
Depois de anos de hegemonia americana, a China
alcançou o segundo lugar na lista semestral dos Top500
(top500.org), que elenca os supercomputadores mais
potentes do planeta. A lista apresentada na Conferência
Internacional de Supercomputação 2010 mostra que o
sistema chinês Nebulae já ocupava o segundo lugar. O
primeiro lugar continuava (até o aparecimento do
Tianhe-1A, atual campeão) com o Jaguar da ORNL, nos
Estados Unidos.
Mais tarde, em outubro de 2010, a China anunciou a
poderosa máquina Tianhe-1A, que conseguiu
ultrapassar seu concorrente imediato, o americano
Jaguar (que pulou para segundo e deixou o Nebulae
em terceiro). O Tianhe-1A possui 7.168 unidades de
processamento gráfico da NVIDIA, de modelo Tesla
M2050 e 14.336 processadores Intel Xeon. Ainda não
foi desta vez que a China conseguiu produzir um
supercomputador com chips nacionais, mas a
combinação Intel + NVIDIA do dragão chinês foi capaz
de desenvolver um desempenho de cerca de 2,51
petaflops.
Fisicamente, o Tianhe-1A é um monstro de
computação. Ele tem 262 terabytes de memória e está
alocado em 140 gabinetes do tamanho de geladeiras e
ocupa um andar inteiro. O Jaguar, na verdade um Cray
XT-5, está localizado no Laboratório Nacional Oak
Ridge, no Tennessee, e fica “lá atrás”, com um
desempenho de “apenas” 1,75 petaflops, já que tem
“somente” 37.376 processadores Opteron, da AMD.
A posição ocupada pelo sistema Nebulae já mostrava a
clara iniciativa da China de entrar para o grupo de
países possuidores de supercomputadores, afirmou o
site da organização do Top500 na época. O Nebulae
está localizado no Centro Nacional de
Supercomputação, em Shenzhen e é baseado na
plataforma Dawning TC3600 Blade, com processadores
Intel X5650 e GPU (Graphics Processing Unit) NVidia
Tesla C2050. Como se pode ver, nenhum dos três está
para brincadeiras.
O Roadrunner, produzido pelo laboratório de Berkeley
em parceria com a IBM e a NASA, foi o primeiro
computador a quebrar (em 2008) a barreira do petaflop.
Apesar de já meio “velhinho”, o Roadrunner é um
importante componente para a pesquisa norte-
americana e chegou a simular um modelo completo do
universo em 2009. Na época em que o Roadrunner foi
apresentado, o chefe da Direção Nacional de
Segurança Nuclear disse que se as mais de 6 bilhões
de pessoas em todo o planeta usassem máquinas de
calcular e fizessem cálculos durante 24 horas por sete
dias de uma semana, levariam 46 anos para fazer o
que o supercomputador Road runner pode fazer em um
dia.
foto: Divulgação
Adicione um selo "Made in China" também ao supercomputador mais rápido do mundo
24/08/14 23:06Terra - Entenda o que são os supercomputadores
Página 1 de 2http://www.terra.com.br/noticias/infograficos/supercomputadores/supercomputadores-07.htm
7 E o Brasil?
O Brasil tem dois supercomputadores entre os 500 mais
poderosos do mundo. De acordo com a lista organizada
pelo site Top500 divulgada em novembro, os brasileiros
ficaram em 29° lugar com o Tupã, do CPTEC (Centro
de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos), e em 115º
posição com o Galileu, do Núcleo de Atendimento em
Computação de Alto Desempenho da Universidade
Federal do Rio de Janeiro.
O Tupã chegou no fim do ano passado ao CPTEC, a
um custo de R$ 50 milhões. Capaz de 258 trilhões de
cálculos por segundo, o Tupã está entre os mais
poderosos supercomputadores do mundo para previsão
de tempo e estudos sobre as mudanças climáticas
Já o Galileu é usado principalmente no apoio a
pesquisas inovadoras na área de petróleo e gás. Sua
performance média é de “modestos” 64 teraflops (0,064
petaflops) e roda Linux - como o RoadRunner, o Jaguar
e as duas máquinas chinesas. Em 2009, chegou a
figurar entre os 100 supercomputadores mais potentes
do mundo, e já foi a máquina mais poderosa da
América Latina.
foto: CPTEC/INPE/Divulgação
O supercomputador Tupa, do CPTEC, é o 29º mais rápido do mundo