computación de alto rendimiento

La computación de alto rendimiento ( HPC , por sus siglas en inglés) es el uso de supercomputadoras y clústeres de computadoras para resolver problemas complejos.

La HPC integra la administración de sistemas (incluidos los conocimientos de redes y seguridad), la computación paralela y la computación distribuida en un campo multidisciplinario que combina electrónica digital , arquitectura de computadoras , software de sistema , lenguajes de programación , algoritmos y técnicas computacionales. ^{[ 1 ]} Las tecnologías HPC son las herramientas y sistemas utilizados para implementar y crear sistemas de computación de alto rendimiento. ^{[ 2 ]} Desde alrededor de 2005, los sistemas HPC han pasado de la supercomputación a los clústeres y redes de computación . ^{[ 1 ]} Debido a la necesidad de redes en clústeres y redes, las tecnologías de computación de alto rendimiento se logran mediante el uso de una red troncal colapsada , porque la arquitectura de red troncal colapsada es simple de solucionar problemas y las actualizaciones se pueden aplicar a un solo enrutador en lugar de a varios. La HPC se integra con el análisis de datos en los flujos de trabajo de ingeniería de IA para generar nuevos flujos de datos que aumentan la capacidad de una simulación para responder a las preguntas "¿qué pasaría si?". ^{[ 3 ]}

El término se asocia más comúnmente con la computación utilizada para la investigación científica o la ciencia computacional . Un término relacionado, computación técnica de alto rendimiento (HPTC), generalmente se refiere a las aplicaciones de ingeniería de la computación basada en clústeres (como la dinámica de fluidos computacional y la construcción y prueba de prototipos virtuales ). La HPC también se ha aplicado a usos empresariales como almacenes de datos , aplicaciones de línea de negocio (LOB) y procesamiento de transacciones .

El término computación de alto rendimiento (HPC, por sus siglas en inglés) surgió a partir del término "supercomputación". ^{[ 4 ]} A veces, HPC se usa como sinónimo de supercomputación; pero, en otros contextos, "supercomputadora" se usa para referirse a un subconjunto más potente de "computadoras de alto rendimiento", y el término "supercomputación" se convierte en un subconjunto de "computación de alto rendimiento". Es evidente la posibilidad de confusión en el uso de estos términos.

Debido a que la mayoría de las aplicaciones actuales no están diseñadas para tecnologías HPC, sino que se adaptan posteriormente, no están diseñadas ni probadas para escalar a procesadores o máquinas más potentes. ^{[ 2 ]} Dado que los clústeres y las redes utilizan múltiples procesadores y computadoras, estos problemas de escalabilidad pueden perjudicar sistemas críticos en futuros sistemas de supercomputación. Por lo tanto, o bien las herramientas existentes no satisfacen las necesidades de la comunidad de computación de alto rendimiento, o bien la comunidad HPC desconoce estas herramientas. ^{[ 2 ]} Algunos ejemplos de tecnologías HPC comerciales incluyen:

• ingeniería estructural para el diseño de edificios
• la simulación de colisiones de automóviles para el diseño estructural
• Interacción molecular para el diseño de nuevos fármacos
• el flujo de aire sobre automóviles o aviones
• modelización climática y predicción meteorológica
• investigación genética y secuenciación de ADN
• robótica y desarrollo de vehículos autónomos
• Simulaciones electromagnéticas para la comunicación inalámbrica

En instituciones gubernamentales y de investigación, los científicos simulan la formación y evolución de galaxias , la energía de fusión y el calentamiento global, además de trabajar para crear pronósticos meteorológicos a corto y largo plazo más precisos. ^{[ 5 ]} La décima supercomputadora más potente del mundo en 2008, IBM Roadrunner (ubicada en el Laboratorio Nacional de Los Alamos del Departamento de Energía de los Estados Unidos ) ^{[ 6 ]} simuló el rendimiento, la seguridad y la fiabilidad de las armas nucleares y certifica su funcionalidad. ^{[ 7 ]}

TOP500 clasifica las 500 computadoras de alto rendimiento más rápidas del mundo, según la prueba de rendimiento High Performance LINPACK (HPL). No todas las computadoras existentes se clasifican, ya sea porque no cumplen los requisitos (por ejemplo, no pueden ejecutar la prueba HPL) o porque sus propietarios no han enviado una puntuación HPL (por ejemplo, porque no desean que el tamaño de su sistema se haga público, por motivos de defensa). Además, el uso de la prueba LINPACK es controvertido, ya que ninguna medida por sí sola puede evaluar todos los aspectos de una computadora de alto rendimiento. Para ayudar a superar las limitaciones de la prueba LINPACK, el gobierno de EE. UU. encargó a uno de sus creadores, Jack Dongarra de la Universidad de Tennessee, la creación de un conjunto de pruebas de rendimiento que incluye LINPACK y otras, denominado HPC Challenge. Este conjunto, en constante evolución, se ha utilizado en algunas adquisiciones de HPC, pero, al no poder reducirse a un solo número, no ha logrado superar la ventaja de publicidad de la prueba TOP500 LINPACK, menos útil. La lista TOP500 se actualiza dos veces al año: una vez en junio, durante la Conferencia Europea de Supercomputación del ISC, y otra vez en una Conferencia de Supercomputación de EE. UU. en noviembre.

Muchas ideas para la nueva ola de computación en malla se tomaron prestadas originalmente de la computación de alto rendimiento (HPC).

Tradicionalmente, la computación de alto rendimiento (HPC) ha implicado una infraestructura local , con inversión en supercomputadoras o clústeres de computadoras. Durante la última década, la computación en la nube ha ganado popularidad al ofrecer recursos informáticos al sector comercial, independientemente de su capacidad de inversión. ^{[ 8 ]} Algunas características, como la escalabilidad y la contenerización, también han despertado interés en el ámbito académico. ^{[ 9 ]} Sin embargo, las preocupaciones sobre la seguridad en la nube, como la confidencialidad de los datos, aún se consideran al decidir entre recursos HPC en la nube o locales. ^{[ 8 ]}

A continuación se muestra una lista de los principales HPC por potencia de cálculo, según lo informado en la lista Top500: ^{[ 10 ]}

• El Capitan : este sistema HPE Cray EX255a alcanza 1,742 exaFLOPS con 1.051.392 núcleos de CPU y 9.988.224 núcleos aceleradores, lo que suma un total de 11.039.616 núcleos. Utiliza la tecnología de interconexión Slingshot-11 y está ubicado en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore , EE. UU . ^{[ 11 ]}

• Frontier : con 1,353 exaFLOPS, este sistema HPE Cray EX235a cuenta con 614.656 núcleos de CPU y 8.451.520 núcleos aceleradores, lo que suma un total de 9.066.176 núcleos. Funciona con interconexiones Slingshot-11 en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge , EE. UU. ^{[ 12 ]}

• Aurora : este sistema con procesador Intel ofrece 1,012 exaFLOPS, aprovechando las arquitecturas Xeon y Ponte Vecchio. Está instalado en el Laboratorio Nacional Argonne , EE. UU. ^{[ 13 ]}

• Eagle: impulsado por procesadores Intel Xeon Platinum 8480C de 48 núcleos a 2 GHz y GPU NVIDIA H100, Eagle alcanza una potencia de cálculo de 561,20 petaFLOPS, con 2.073.600 núcleos. Cuenta con NVIDIA Infiniband NDR para conectividad de alta velocidad y está alojado en Microsoft Azure , EE. UU. ^{[ 14 ]}

• HPC6 : el superordenador industrial más potente del mundo, desarrollado por Eni y lanzado en noviembre de 2024. Con una potencia de cálculo de 606 petaFLOPS, se utiliza para la investigación energética y opera en Italia . Está ubicado en el Centro de Datos Verdes de Eni en Ferrera Erbognone (PV). ^{[ 15 ]}

• Fugaku : desarrollado por Fujitsu , este sistema alcanza 442,01 petaFLOPS utilizando procesadores A64FX 48C de 2,2 GHz y tecnología de interconexión Tofu D. Está ubicado en el Centro RIKEN de Ciencias Computacionales, Japón . ^{[ 16 ]}

• Alpes : este sistema HPE Cray EX254n alcanza los 434,90 petaFLOPS, impulsado por procesadores NVIDIA Grace 72C de 3,1 GHz y superchips NVIDIA GH200, conectados mediante interconexiones Slingshot-11. Está ubicado en CSCS , Suiza . ^{[ 17 ]}

• LUMI : uno de los superordenadores más rápidos de Europa, LUMI alcanza 379,70 petaFLOPS con procesadores AMD Optimized 3rd Generation EPYC 64C de 2 GHz y aceleradores AMD Instinct MI250X. Está alojado en CSC , Finlandia , como parte de la iniciativa EuroHPC . ^{[ 18 ]}

• Leonardo : desarrollado bajo la iniciativa EuroHPC, este sistema BullSequana XH2000 alcanza 241,20 petaFLOPS con procesadores Xeon Platinum 8358 de 32 núcleos a 2,6 GHz y aceleradores NVIDIA A100 SXM4 de 64 GB. Está instalado en CINECA , Italia . ^{[ 19 ]}

• Tuolumne: Tuolumne alcanza 208,10 petaFLOPS y funciona con procesadores AMD EPYC de cuarta generación de 24 núcleos a 1,8 GHz y aceleradores AMD Instinct MI300A. Opera en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore , EE. UU. ^{[ 20 ]}

• MareNostrum 5 ACC: este sistema BullSequana XH3000 funciona a 175,30 petaFLOPS, con procesadores Xeon Platinum 8460Y+ de 32 núcleos a 2,3 GHz y aceleradores NVIDIA H100 de 64 GB. Está alojado en el Centro de Supercomputación de Barcelona (BSC), España , como parte de EuroHPC. ^{[ 21 ]}

• HPCwire
• Las 500 supercomputadoras más potentes
• Rocks Clusters: clústeres Linux de alto rendimiento de código abierto
• Artículos de noticias e informes de políticas sobre computación científica de alto rendimiento.
• El Centro para el Modelado de la Inmunidad a Patógenos Entéricos (MIEP)
• El arte de la computación de alto rendimiento: Libros de texto de Victor Eijkhout de TACC.
  • Vol. 1: La ciencia de la computación
  • Vol. 2: Programación paralela para la ingeniería científica
  • Vol. 3: Introducción a la programación científica en C++17/Fortran2008
  • Vol. 4: Tutoriales para la computación científica de alto rendimiento