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La gran carrera de los superordenadores: ¿quién tiene y cómo son las máquinas más potentes del mundo?

Comprender la historia del universo, simular los latidos de nuestro corazón o investigar la cura para determinadas enfermedades son algunos de los ingentes desafíos que solo un superordenador podría superar. Por el momento, los que más corren son los estadounidenses (que además fueron los primeros) y los chinos. En España, podemos presumir casi exclusivamente de uno, el MareNostrum, con un cerebro de casi 50.000 procesadores.

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"Todo el mundo puede construir una CPU rápida. El truco está en construir un sistema rápido". Así resumía Seymour Cray, el conocido como padre de la supercomputación, el reto de desarrollar los ordenadores más potentes del mundo. Su Cray-1, instalado en 1976, costó 8,8 millones de dólares y alcanzó una velocidad récord de 160 'megaflops' (160 millones de operaciones por segundo). Eso sí, tu 'smartphone' actual no tiene nada que envidiar a aquella enorme máquina: es cientos de veces más potente y dispone de una memoria miles de veces mayor que los 8 'megabytes' del Cray-1.

El superordenador MareNostrum

Superordenador MareNostrum

Desde entonces, la potencia de los superordenadores se ha multiplicado por mil cada diez años. El superordenador más potente de España, el MareNostrum,  alcanza un rendimiento pico de 1,1 'petaflops' (más de mil billones de operaciones por segundo) con sus casi 50.000 procesadores.

"Cuando Cray hace el primer supercomputador, tenía un solo procesador muy rápido: era como un Fórmula 1 que se había hecho a mano. Ahora el supercomputador más rápido tiene seis millones de procesadores", nos cuenta Mateo Valero, director del Barcelona Supercomputing Center - Centro Nacional de Supercomputación, que alberga el MareNostrum y que celebra este miércoles su décimo aniversario.

Más de 400 investigadores trabajan en este centro, que lleva a cabo proyectos de investigación en distintos ámbitos: simulación del funcionamiento del corazón y del cerebro, estudios del genoma, optimización de campos de energía eólica o predicciones del cambio climático. Pero, ¿ cómo funciona el MareNostrum, un superordenador que ocupa 120 metros cuadrados y que es capaz de llevar a cabo todas esas investigaciones?  

LA COLABORACIÓN DE CASI 50.000 PROCESADORES

En los superordenadores, la unión hace la fuerza. Hasta ahora, el aumento de la velocidad de los procesadores (la Ley de Moore, que señala que cada 18 meses se duplica el número de transistores en un circuito integrado, está tocando techo) y su trabajo coordinado han permitido el desarrollo de estas potentes máquinas. "Es lo que se llama un ordenador paralelo, y es una forma de saltarse la ley de Moore", nos explica Mariano Vázquez, jefe del grupo High Performance Computational Mechanics en el BSC.

"Ahora mismo, un nodo de un superordenador no es muy distinto de un PC que te puedas comprar, lo que ocurre es que están construidos de forma que puedes empaquetar muchos juntos y disponerlos en un espacio relativamente pequeño de muchos 'cores'", nos cuenta por su parte Vicente Martín, director del Center for Computacional Simulation de la Universidad Politécnica de Madrid y exdirector del CeSViMa, el Centro de Supercomputación y Visualización de Madrid, que alberga el superordenador Magerit. Al final, la diferencia está en el hecho de que estos procesadores son capaces de trabajar de forma conjunta y sumar sus capacidades.

Casi 50.000 procesadores unidos en el MareNostrum

Casi 50.000 procesadores unidos

Sin embargo, no solo el 'hardware' importa. "Hay que saber domar a la bestia", nos explica Mariano Vázquez, que trabaja desarrollando herramientas de simulación para grandes ordenadores y escribiendo programas paralelos que permiten ese trabajo coordinado de los procesadores. "Cuando quieres aprovechar varios procesadores, lo que se llama cálculo paralelo, los programas tienen que estar escritos de otra manera", detalla.

El MareNostrum está mucho mejor aprovechado que tu portátil: la máquina siempre utiliza más del 90% de sus recursos. "El porcentaje de tiempo que se utiliza es cincuenta veces mayor que el que yo utilizo en mi ordenador personal", nos cuenta Mateo Valero. La máquina se gestiona para trabajar sin descanso mediante un sistema de colas: los investigadores realizan una petición con el tiempo y el número de procesadores que van a necesitar. Cuando una parte del superordenador está más desahogada, incluirá la nueva tarea. "El cálculo es que más o menos un latido, que pongamos que es un segundo, lo podemos resolver en más o menos media hora usando 500 procesadores", nos explica Vázquez, que está al frente del proyecto para simular el corazón.

Los datos se van guardando en los 2 'petabytes' de disco duro del MareNostrum, que equivalen a más de 2.000 discos duros de ese 'terabyte' que se cuenta por unidades en tu ordenador portátil. "Nosotros lo vemos como un disco duro, pero en realidad son un montón de discos duros distribuidos y coordinados de la misma forma que se coordinan los procesadores", detalla Vázquez. El ordenador realiza tal cantidad de tareas que llena fácilmente ese disco duro. Además disponen de otro sistema de almacenamiento de ficheros de 11 'petabytes'.

El superordenador más potente de España

El superordenador más potente de España

Aunque el BSC cumpla diez años, en realidad el MareNostrum ha tenido ya tres vidas: se ha remodelado de forma completa en dos ocasiones, y ya se busca financiación para desarrollar el MareNostrum IV. El actual costó 18 millones de euros y supone un coste anual de 1,4 millones de euros solo en energía. "Se renueva todo por el problema de la energía. Cada vez que se desarrolla un nuevo chip, va más rápido con el mismo consumo", nos explica el director del centro. 

Pese a las renovaciones, los procesadores jubilados no se han tirado a la basura. "Todavía funcionan muy bien y lo que se hizo con ellos fue reciclarlos, dárselos a otras universidades para hacer sus propios ordenadores más pequeños", nos cuenta Vázquez. Algunos de ellos fueron a parar precisamente al Magerit, el superordenador del CeSViMa, que tras su renovación en 2011 llegó a ocupar el primer puesto entre los superordenadores de España.  

El MareNostrum y el Magerit forman, junto con otros seis supercomputadores, la Red Española de Supercomputación, aunque actualmente solo el de Barcelona está entre los 500 más potentes del mundo. " En España empezamos tarde, se crearon centros de servicio en vez de centros de investigación", afirma Valero.

SUPERCOMPUTADORES POR EL MUNDO

Desde 1993, el Top500, una lista elaborada por investigadores de todo el mundo, se encarga de clasificar los superordenadores. Las máquinas han de someterse al llamado test Linpack, que consiste en resolver un sistema de ecuaciones lineales a gran velocidad, y solo los 500 más veloces del mundo entran a formar parte de esta prestigiosa recopilación, que cambia constantemente. "El ordenador más potente del mundo en el año 1993 era lo que hoy es un iPad 4”, explica Vázquez.

Número de superordenadores por país según la última versión del Top 500

En noviembre de 2014, cuando se produjo la actualización más reciente del 'ranking', el Tianhe-2 se proclamó por cuarta vez consecutiva el ordenador más potente del mundo. Esta supercomputadora, desarrollada por un equipo de 1.300 ingenieros y científicos de la Universidad Nacional de Tecnología de Defensa Nacional de China, alcanza los 54,90 'petaflops' (más de 54.000 billones de operaciones por segundo), el equivalente a 50 MareNostrum o casi 300 millones de aquel Cray-1 que inició el camino de la supercomputación en los años 70.

Aunque 62 superordenadores del Top500 son chinos, Estados Unidos sigue siendo el país que más supercomputadores coloca en la lista: 231, de los cuales seis están entre los diez primeros. Su ordenador más rápido es el Titan, con solo la mitad de potencia (27,11 'petaflops') que el Tianhe-2. 

Japón es el tercero en la clasificación con 32 superordenadores, seguido de Francia y Reino Unido (con 30 cada uno) y de Alemania con 26. En total, en la lista aparecen 130 máquinas europeas. "Es el momento de que Europa se replantee si quiere ser líder en computación", afirma Valero.

Los cinco superordenadores más potentes y el MareNostrum

Mientras tanto, España cuenta solo con dos superordenadores en el Top 500 de 2014: el MareNostrum se sitúa en el puesto 36 (por detrás de los de Brasil, Italia, India, Rusia, Corea del Sur, Canadá, Arabia Saudí, Finlandia o Noruega) y el TEIDE-HPC, del Instituto Tecnológico de Energías Renovables, en el puesto 138. Con sus 0,34 'petaflops', el Instituto de Astrofísica de Canarias ha conseguido simular de forma realista la formación y evolución de las galaxias.

España está a la cola, superando solo a países como Bélgica, Taiwán, Hungría, Malasia o Austria, que tienen una sola máquina por país. De los 29 países que cuentan con superordenadores, España ocupa el puesto número 23.

En lo que respecta a los fabricantes, HP e IBM son los que cuentan con más supercomputadores en la lista. Con 179 y 153 respectivamente, sus máquinas suponen el 36% y el 30% del total. Cray, con 62 sistemas, representa hoy el 12,3%, muy lejos del 40% que llegó a acaparar en los comienzos del Top500 en 1993, “cuando ningún otro fabricante podía reclamar más de un 10%”, explica Vicente Martín.

Las aplicaciones de estos superordenadores son muy diversas. Entre los diez primeros, el Sequoia estadounidense se destina a investigar cómo ampliar la vida de las armas nucleares; el K computer japonés a proyectos de sostenibilidad, salud y cambio climático; y el Piz Daint suizo, entre otras cosas, a estudios de astrofísica, ciencia de los materiales y meteorología. El futuro de la ciencia parece ligado al de la supercomputación.

EL RETO DEL TRILLÓN: HACIA LA SUPERCOMPUTACIÓN DEL FUTURO

El próximo paso en supercomputación alcanzará cifras de 18 ceros. Se espera que en 2022 o 2023 los superordenadores superen la barrera de los 'exaflops', es decir, 1.000 'petaflops', un trillón de operaciones por segundo. Son varios los retos que deben superar los investigadores para conseguirlo. Uno de ellos es el consumo de energía.

Titan, el segundo superordenador más potente

Titan, el segundo superordenador más potente

"La revolución al 'exaflop' va a tener que ser mucho mayor que las anteriores: con muchos más procesadores, se va necesitar una revolución en el 'software' para aprovecharlos y otra en 'hardware' y el consumo energético. Con las tecnologías actuales tendrías que instalar casi una central nuclear al lado", nos explica Vicente Martín. 

"Queremos conseguir que un computador a escala 'exaflop' tenga un consumo energético de 20 o 25 megavatios, lo mismo que consume el supercomputador más rápido actualmente”, detalla Valero. La eficiencia energética de los superordenadores ha cobrado cada vez más importancia, y otra lista, la  Green500 se encarga de evaluar la potencia en relación a la energía consumida.

Además, la evolución supondrá que se abaraten los superordenadores actuales, con potencia de 'petaflops', como lleva ocurriendo desde los inicios de la supercomputación. “Costará mucho hacer la primera máquina, consumirá muchos recursos, pero no solo tendrás una máquina final sino que a mitad del camino tendrás máquinas 'petaflop', que actualmente te cuestan muchos millones de euros, de manera barata y al alcance de muchos más investigadores. El beneficio está también en el camino y no solo en la meta”, explica Vicente Martín.

Los superordenadores del pasado se han convertido en los ordenadores del presente, y los actuales avances en supercomputación continuarán repercutiendo en el progreso de la ciencia del futuro. Eso sí, los avances tendrán lugar en aquellos países que cuenten con estas máquinas, con las que se podrá mejorar  el tratamiento de enfermedades, estudiar el cambio climático o incluso comprender mejor la historia de nuestro universo.

"Un país que no computa, no compite", sentencia Mateo Valero, director del BSC. Sin embargo, si todo continúa como hasta ahora, los chinos y los estadounidenses seguirán dominado la carrera de la supercomputació n mientras España se mantiene a la cola.

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Las imágenes de este reportaje son propiedad, por orden de aparición, del  BSC-CNS (1 y 3), VCarceler y  GB Public_PR

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