Especificidad del rendimiento de una supercomputadora

El rendimiento de una computadora siempre tiene que estar referido a la prueba con que se mide. Esto es porque existe una gran variedad de arquitecturas de computadoras; tecnologías y modelos de organización e interconexión de procesadores, memorias y dispositivos de almacenamiento, y también una gran variedad de software, cada uno con diferentes patrones de procesamiento; accesos a memoria, comunicaciones, accesos a almacenamiento, precisión de los cálculos, paralelismo, de modo que una computadora que es muy eficiente para ejecutar cierto software no necesariamente lo es para todos los tipos de software existentes.

El criterio utilizado en la clasificación Top500 es el rendimiento obtenido en una prueba numérica, que resuelve un sistema de ecuaciones lineales, conocido como linpack. Mucho se ha discutido sobre la validez de esta prueba para especificar el rendimiento de una computadora, ya que sus características son poco representativas de la gran diversidad del software que habitualmente se utiliza en supercómputo. Se ha seguido usando la prueba linpack porque tiene algunas ventajas, como el hecho de que el rendimiento se representa mediante un único dato que es obtenido directamente de la prueba. Es sencillo de aplicar, y se cuenta con datos históricos, lo que permite hacer prospectivas como las de la Figura 3.

Otros esfuerzos se han hecho para tratar de representar de una forma más completa el rendimiento de equipos de supercómputo, como son los realizados por la organización Standard Performance Evaluation Corporation (SPEC) y los de la organización High Performance Computing Challenge Benchmark (HPCC).

Una organización, debe contemplar una forma de medir el rendimiento que indique cuál es el mejor equipo para los propósitos que busca con su adquisición. En organizaciones que instalan supercomputadoras para un propósito muy específico, como el proyecto BlueBrain, de la Escuela Politécnica Federal de Lausana, es relativamente sencillo definir pruebas de rendimiento adecuadas. Por el contrario, en ambientes más generales, como los centros de supercómputo de universidades, en donde existe una gran variedad, tanto de áreas de investigación como de software, es mucho más complicado establecer un mecanismo para determinar el rendimiento de una supercomputadora. En la UNAM se ha utilizado un índice de rendimiento que es calculado, a partir de los tiempos de ejecución de un grupo de aplicaciones representativas de las áreas de química cuántica, dinámica molecular y astronomía.

Así pues, definir el tamaño y las características de una supercomputadora no es trivial, y va mucho más allá de los resultados que se obtengan en el Top500. Debe analizarse una serie de factores, como son: el software que se pretende utilizar o cuyo desarrollo se pretende impulsar mediante el equipo de supercómputo; el número de proyectos/usuarios que se pretende apoyar; las habilidades y los conocimientos de los usuarios potenciales y los grupos que los asesoran y apoyan en cómputo; el rendimiento mínimo esperado, junto con los mecanismos efectivos para su evaluación; la relación entre rendimiento, costo de adquisición, costo de operación, gasto energético, espacio requerido y condiciones específicas de operación.

Nuevas tecnologías

Las mayores computadoras del mundo, comúnmente, son resultado de un trabajo de innovación tecnológica que se desarrolla en conjunto entre expertos de la industria y la academia. Con los años, estas propuestas suelen pasar a formar parte de productos bien identificados, que son los que suelen usarse en escalas menores del supercómputo.

Actualmente, las 10 mayores supercomputadoras del mundo son masivamente paralelas, con rangos desde los 224,162 a los 41,616 núcleos de procesamiento. Algunas de ellas están construidas con tecnologías específicas de cada fabricante, mientras que otras son clusters o grupos de elementos que pueden encontrarse en el mercado común de servidores con sistemas de interconexión estándar, principalmente Infiniband.

Se prevé que en los próximos años dos tecnologías de procesamiento se desarrollen de forma considerable: los procesadores multinúcleo y los procesadores gráficos. También existe una tendencia a introducir el uso de arreglos de compuertas reprogramables (FPGAs) en cómputo científico, aunque está un poco más retrasada con respecto a las anteriores.

La razón detrás del impulso reciente a procesadores multinúcleo y procesadores gráficos es que, por motivos de consumo y disipación de energía, no es viable construir procesadores más rápidos a través de incrementar su frecuencia de reloj. La única manera de incrementar su potencia es incluir más elementos de procesamiento en ellos.

En la actualidad los procesadores multinúcleo son comunes en el mercado de hardware, pero su mayor capacidad alcanza 4 u 8 núcleos por procesador. Se espera que en pocos años el número de núcleos se incremente a varias decenas. De forma similar, los procesadores gráficos han ido aumentando el número de elementos aritméticos que contienen.

El uso de procesadores multinúcleo y procesadores gráficos en el diseño de supercomputadoras, genera varios retos. Uno de ellos es cómo crear una computadora en la que estén balanceadas las capacidades de procesamiento de sus elementos con las capacidades de acceso a memoria y a mecanismos de comunicación. El otro es que se crean dos o más niveles diferentes de paralelismo en la misma máquina. No es trivial producir software paralelo en la escala de miles o decenas de miles de procesadores y tampoco lo es explotar el paralelismo interno de los procesadores multinúcleo.

Perspectivas del Supercómputo en México
José Luis Gordillo Ruiz