¿Qué son superordenadores? Estos son los más potentes del mundo

Puede que nunca hayas visto uno pero los superordenadores son muy necesarios en el día a día. Puede que hayas escuchado hablar de la expresión “superordenador” pero que no sepas bien a qué se refiere. Se trata de grandes computadoras con altos niveles de potencia y rendimiento que se utilizan en la investigación genética, biológica, armamentística… La potencia se ha multiplicado por más de 100.000 en los últimos quince años y son capaces de funcionar como miles de ordenadores juntos para encontrar curas a enfermedades o “adivinar” cuándo va a llegar un tsunami.

Qué son los superordenadores

Los superordenadores o supercomputadores son ordenadores con unas características muy superiores a los que tenemos por casa que funcionan a una gran velocidad habitualmente medida en petaFLOPS y que se traduce como mil billones de operaciones por cada segundo. Pueden procesar miles de millones de datos por segundo lo que hace que sean útiles para prácticamente todo tipo de tareas: desde predecir un tsunami a encontrar una cura contra el coronavirus, buscar planetas, etc.

Por lo general, aunque más adelante veremos algunos de sus usos, se utilizan para investigaciones especiales ya sea de laboratorios, de educación, de diseño industrial de investigación de fármacos. Están por todo el mundo, cuestan cientos de millones de euros y se espera que en Europa haya muchos más en los próximos años. Aunque no estés acostumbrado a verlos su uso es fundamental para investigaciones de todo tipo.

Un rendimiento espectacular en habitaciones completas que equivalen a miles de ordenadores funcionando a la vez. La mayoría de ordenadores tienen un aspecto similar al de armarios metálicos donde hay miles de procesadores y nodos funcionando de forma conjunta hasta alcanzar miles de millones de operaciones por segundo que se van multiplicando a medida que lanzan nuevos modelos e innovaciones técnicas. Las marcas son diversas… Fujitsu, IBM o Lenovo son algunas de ellas. También varía su ubicación: China o Estados Unidos están a la cabeza pero Europa planea estar pronto a su altura con varias nuevas computadoras.

Cómo son

Básicamente y en resumidas cuentas, los superordenadores son conjuntos de ordenadores de que funciona como un todo potente y único. Varios miles de ordenadores con sus respectivos CPUs y GPUs que trabajan como uno solo gracias a la unión de los nodos. Cada nodo sería similar (aproximadamente) a un ordenador tal y como lo conoces, por ejemplo, con varios procesadores, chips gráficos, almacenamiento interno y memoria RAM. Todos ellos se unen hasta que hay miles de nodos conectados en los distintos ‘switches’ de la habitación.

La potencia en superordenadores se mide en petaflops o pFLOPS (número de operaciones de coma flotante por segundo) y debemos tener en cuenta que habitualmente usamos como medida, en ordenadores, los teraFLOPS o TFLOPS, siendo los más potentes que tengamos en casa de unos 10 TFLOPS. Cada TFLOPS equivale a 10¹² FLOPS y cada PFLOPS equivale a 10¹⁵.

Las supercomputadoras ocupan habitaciones o edificios enteros y pueden ser utilizados por muchas personas a la vez, como es lógico, pero casi siempre funcionan de forma semiautónoma. Por lo general, siempre se usan prácticamente todos los recursos sin ningún descanso.

Enfriamiento único

Debido a las dimensiones, habitualmente de varios metros cuadrados, y potencia de estos ordenadores, necesitan estar en unas condiciones especiales: habitaciones con sistema de enfriamiento únicos y refrigeración especial, por ejemplo. E incluso urnas que protegen los sistemas o protección antiincendios capaz de extinguir cualquier fuego.

Por ejemplo, algunos superordenadores cuentan con CPUs que superan los 80 grados centígrados y es necesario apostar por sistema de enfriamiento de todo tipo como la refrigeración líquida avanzada. Aunque también soluciones alternativas: en Suiza han buscado “uso” a este calor de los superordenadores: el calor que provocan se utiliza como sistema de calefacción en las habitaciones de la misma universidad en la que se aloja.

Para qué se usan

No se utilizan para jugar en casa ni para oficinas sino que tienes usos generalmente científicos. Una de sus aplicaciones más habituales es la meteorología con el fin de enfrentarse a todo tipo de eventos climáticos externos y “adelantarse” a lo que venga y predecir las condiciones climáticas.  Son capaces de predecir el clima futuro o por ejemplo prever los efectos de un tsunami para evitar una catástrofe en un país o que supongan pérdidas humanas. En cuanto a física, pueden simular evoluciones estelares o también realizan otras tareas como la reproducción de modelos aerodinámicos de los que serían aviones militares. También pueden ser de utilidad en otros campos como la biología, la medicina, la física, astronomía, geología, zoología.

Los superordenadores también permiten hacer que buscar fármacos sea más rápido y más sencillo en casos de emergencia como el de la COVID en España. Gracias a la potencia de cálculo son capaces de hacer simulaciones que ayudan con cualquier investigación de medicinas, sobre células, sobre combinaciones químicas, etc.

Usos habituales

• Ampliar la vida de las armas nucleares
• Estudios de astrofísica
• Sostenibilidad, salud y cambio climático
• Meteorología
• Composición atmosférica y calidad del aire
• Big Data, interacción de personas con las computadoras
• Biomecánica para simulaciones de sistemas respiratorio, cardiovascular, etc.
• Educación
• Simulación de ingeniería
• Diseño de medicamentos
• Geofísica, simulación de terremotos
• Análisis de las propiedades de la superficie de nuestro planeta
• Bioinformática y transmisión de volumen de datos cínicos
• Computación en la nube y optimización de centros de datos
• Simulación social y estudio de la evolución cultural
• Seguridad pública o investigación de ciudades inteligentes
• Simulaciones sobre virus, células, etc
• Estudio de grupos humanos
• Investigación del espacio exterior y evolución estelar

Donde están

Hay más de mil superordenadores por todo el mundo en una gran cantidad de países. Entre ellos, España con su MareNostrum en Barcelona. Pero la mayoría se reparten entre China, Estados Unidos y Japón aunque también Francia, Alemania u Holanda tiene algunos de los más importantes.

Según los datos más recientes, el 45,2% de los superordenadores de los 500 mejores superordenadores del mundo. China tiene 226 dispositivos del total de los 500 más potentes de todo el planeta. Pero que tenga más ordenadores no implica que tenga más potencia. Pese a tener más máquinas, China no es el que más potencia o petaflops tiene. Es Estados Unidos el rey en este apartado: suma 644 petaflops frente a los 565 de los ordenadores de China pese a que los americanos cuentan con un 22,6% del total de los supercomputadores que tenemos en el mundo.

MareNostrum en Barcelona

En España, puedes visitar el supercomputador MareNostrum en Barcelona, el más potente del país que se encentra en las instalaciones del BSC-CNS (Barcelona Supercomputing Center) y su modelo más actual, el MareNostrum 5 se espera que entre en funcionamiento a finales de 2020 o a principios de 2021. El MareNostrum de España se utiliza para la composición atmosférica, para el Big Data, geofísica y otras muchas tareas desde el primer modelo construido en 2004.

Una de las particularidades de este ordenador es que está localizado en una urna de cristal con un sistema contra incendios con agua micropulverizada que no moja al entrar en contacto con las diferentes piezas pero que sí sería capaz de apagar el fuego sin provocar daños. Además, el MareNostrum 1 se instaló en esta urna de cristal del Campus Nord de la Universidad Politécnica de Cataluña, concretamente dentro de la capilla de la Universidad siendo el primer supercomputador de España pero también uno de los que tiene una ubicación más peculiar

Si tienes curiosidad, puedes hacer una visita virtual del ordenador de Barcelona a través de su página web aunque también pueden reservarse visitas guiadas especialmente pensadas para colegios, estudiantes o simplemente para curiosos.

Ordenadores más potentes del mundo

Los ordenadores más potentes del mundo se actualizan continuamente en la lista Top500 elaborado por investigadores de todo el mundo desde el año 1993. Se actualiza dos veces al año en caso de que algún nuevo supercomputador haya desbancado de la lista a otro. Por ejemplo, el IBM Summit era el más potente del mundo hasta la llegada del Fugaku, un ordenador Japonés que está actualmente a la cabeza del top500 de todo el mundo superando al estadounidense.

Los diez superordenadores más potentes del mundo son:

Frontier

Más conocido como Hewlett Packard Enterprise Frontier u OLCF-5, es el primero en el mundo en romper la barrera de la exaescala. Está ubicado en el Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) en Tennesse (Estados Unidos). Entró en funcionamiento en 2022 y está basad en Cray EX. Utiliza un total de 9472 procesadores AMD Epyc 7A53s «Trento» 64 core de 2 GHz y 37888 gráficas Radeon Instinct MI250X.

Supercomputer Fugaku de Fujitsu

Japón se ha hecho con el número uno de la lista de los ordenadores más potentes del mundo gracias a Fugaku, un ordenador probado en junio de 2020 que ha roto todas las estadísticas medidas hasta la fecha. La super computadora nipona ha alcanzado un Rmax de 415.530 TFlops/s y un Rpeak de 513.584,7 TFlops/s. La bestial máquina japonesa se ha colocado como la más potente del mundo gracias a estas cifras y se encuentra en el instituto de investigación RIKER Center for Computacional Science, en Kobe.

Summit de IBM

Antes de la aparición de Fugaku, este superordenador estadounidense tenía en su mano el liderato mundial. Se encuentra en el Laboratorio Nacional Oak Ridge, en Tennessee, y cuenta con procesadores POWER9 de IBM y Tesla V100 de NVIDIA. Su Rmax es de 148.600 TFlops/s y su Rpeak de 200.794,9 TFlops/s. Summit ha estado dedicado a identificar patrones que pudieran anticipar el diagnóstico de la enfermedad de Alzheimer, así como otras investigaciones de genética o meteorología.

Sierra de IBM

El número tres de la lista de los superordenadores más potentes del mundo es para esta máquina de IBM, Nvidia y Mellanox que ha alcanzado un Rmax de 94.640,0 TFlops por segundo y un Rpeak de 125.712 TFlops por segundo. Se encuentra en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, en California, y ha llevado a cabo investigaciones para garantizar la seguridad de las armas nucleares estadounidenses, así como su fiabilidad.

Sunway TaihuLight de NRCPC

China se queda fuera del podio actual y se tiene que conformar con la cuarta plaza en este TOP 500 que clasifica a los superordenadores más potentes del mundo. Pese a poseer la mayor parte de las máquinas que conforman este TOP 500, los chinos se quedan sin las tres primeras plazas y su primera máquina es esta Sunway TaihuLight que se encuentra situada en centro de supercomputación nacional de Wuxi. Sus datos dicen que arroja un Rmax de 93.014,6 TFlops por segundo y un Rpeak de 125.435,9 TFlops por segundo.

Tianhe-2A de NUDT

Otra computadora china que se cuela entre los ordenadores más potentes del mundo es este Tianhe-2A que tiene procesadores Intel Xeon E5-2692 v2 y cuyos datos de potencia son de 61.444,5 y 100.678,7 TFlops/s en Rmax y Rpeak respectivamente. Llegó a estar en el número 1 de la lista y fue la computadora más rápida del mundo entre junio de 2013 y junio de 2016. Se encuentra en Guangzhou.

HPC5 de Dell

Otra de las irrupciones de 2020 es esta máquina situada en el Green Data Center de la compañía Eni, en Pavia, Italia, que se ha colocado en el sexto puesto de la tabla de los ordenadores más potentes del mundo. Cuenta con procesadores Xeon Gold 6252 y Tesla V100 y arroja unos datos de 35.450 TFlops/s de Rmax y 51.720,8 TFlops/s de Rpeak.

Selene de Nvidia

También de 2020, la séptima plaza se queda en la sede de Nvidia en Santa Clara, California. Con procesadores Epyc 7742 y Ampere A100 y unos datos de rendimiento de 27.580 y 34.568,6 TFlops por segundo en Rmax y Rpeak respectivamente, el punto fuerte de esta máquina está en su consumo, apenas 1.344 kw, lo que la convierte en la número 2 de la lista Green 500, en la que se hace un ránking de las supermáquinas que más eficiencia energética demuestran.

Frontera de Dell

Superado en 2020 por Selene, HPC5 y Fugaku, esta máquina se encuentra en la Universidad de Texas y ha sido utilizada para dedicarse a la educación y en su día ostentó el puesto de ser el quinto más potente del mundo, y el más potente en usos académicos. Algunos de los datos que gestiona son por ejemplo el modelado, simulaciones, big data, o machine learning, y tiene especiales aplicaciones en modelos de IA centrados en el comportamiento de las moléculas.

En cuanto a su almacenamiento, cuenta con 50 petabytes de discos duros, y 3 petabytes de SSD que en total pueden gestionar hasta 12 Tbps de información. Y es capaz de realizar un reinicio completo en tan solo 17 segundos.

Sus datos de rendimiento arrojan un Rmax de 23.516,4 TFlops/s y un Rpeak de 38.745,9 TFlops/s. Comentar también que utiliza refrigeración líquida, y cada uno de sus nodos tiene un consumo de 65 vatios.

Marconi-100 de IBM

Otro superordenador de 2020 y también situado en Italia, como el HPC5 es este Marconi-100 de IBM que se encuentra en Cineca, el mayor centro de computación del país, en Bolonia. A su sistema IBM le añade unos procesadores POWER9 y Volta V100 que le hacen llegar a un Rmax de 21,640 TFlops por segundo y un Tpeak de 29,354.0 TFlops/s.

Otra de las características importantes que podemos destacar de este superordenador, es la potencia de procesamiento que le permite llevar a cabo hasta 32 cuatrillones de cálculos por segundo.

Este ordenador está especialmente pensado para poder hacer frente a determinados retos socioeconómicos como son las energías renovables, el cambio climático o la economía sostenible entre muchos otros.

Hace uso de la simulación digital para acortar tiempos en cuanto al aprendizaje y la toma de decisiones de la IA, y es especialmente útil en usos relacionados con la gestión de riesgos, crisis, o terremotos. Uno de los primeros proyectos para los que se usó fue en la lucha contra el COVID-19, simulando el comportamiento de las proteínas del virus para ver cómo los fármacos podría luchar mejor contra este.

Piz Daint de Cray

Cerrando la lista de los diez superordenadores más potentes del mundo se encuentra esta máquina situada en el Swiss National Supercomputing Centre, en Lugano. Hasta la irrupción en 2020 de las máquinas italianas, se trataba del superordenador más potente de Europa. Sus datos de rendimiento muestran un Rmax de 21.230 TFlops/s y un Rpeak de 27.154,3 TFlops/s.

Piz Daint utiliza el «modo de búfer de ráfaga» de DataWarp para aumentar el ancho de banda efectivo hacia y desde los dispositivos de almacenamiento. Esto acelera las tasas de entrada y salida de datos, lo que facilita el análisis de millones de archivos pequeños y sin estructura. Además de sus tareas diarias, puede controlar el análisis de datos de algunos de los proyectos con mayor uso de datos del mundo, como los datos recopilados de los experimentos en el Large Hadron Collider

Trinity de Cray

Este superordenador está en los laboratorios de Los Alamos en Estados Unidos. Está muy cerca del Piz Daint pero está un poco por debajo. Sus servidores son Cray XC40 con unos procesadores Xeon ES-2698 y es capaz de tener una potencia de 20.159 y 41.461 PLOPS en Rmax y Rpeak respectivamente.

Trinity está diseñado para proporcionar una capacidad computacional extraordinaria para la Empresa de Seguridad Nuclear de la NNSA. Su objetivo es mejorar las funciones geométricas y físicas en el código de simulación de armas nucleares, a la vez que garantiza que el arsenal nuclear sea seguro y eficaz. Este super ordenador se desarrolló en dos etapas: la primera etapa incorporó el procesador Intel Xeon Haswell y la segunda etapa incluyó un aumento sustancial del rendimiento utilizando el procesador Intel Xeon Phi Knights Landing. Puede ofrecer un rendimiento máximo total de más de 41 petaFLOPS.

AI Bridging Cloud Infrastructure de Fujitsu

La popular marca japonesa también tiene su propio superordenador en el Instituto Nacional de Industria y Tecnología de Japón. Tiene servidores PRIMERCY CX2550 M4 junto con procesadores Xeon Gold 6148. Además, se sirve de aceleradores gráficos Tesla V100. La potencia que consigue este equipo es de 19.880 PFLOPS Rmax y 32.577 PFLOPS Rpeak.

SuperMUC de Lenovo

Los servidores son los ThinkSystem SD650 conectados con Intel Omni-Path, refrigerados por agua direct y consigue un rendimiento de 19.477 y 26.874 PFLOPS en Rmax y Rpeak respectivamente. Está en Alemania, más concretamente en el Centro Supercomputación de Leibniz.

Tiene más de 700 terabytes de memoria principal y 70 petabytes de almacenamiento en disco. Está conectado a potentes sistemas de visualización que contienen un gran powerwall estereoscópico 4K y un entorno de realidad virtual artificial CAVE de 5 lados. La supercomputadora sirve a científicos europeos de diversos campos, incluido el análisis del genoma, la dinámica de fluidos, la cromodinámica cuántica, las ciencias de la vida, la medicina y la astrofísica.

Lassen de IBM

En el laboratorio de Lawrence Livermore, en Estados Unidos, está este superordenador que monta servidores IBM Power System S922LC con procesadores IBM Power9, consiguiendo unos resultados en lo que a potencia se refiere de 18.200 PFLOPS en Rmax y 23.047 PFLOPS en Rpeak

MareNostrum de Lenovo

El ordenador MareNostrum de Barcelona ocupa la posición 37 de los 500 más importantes y potentes del mundo. El primer modelo de este superordenador se lanzó en 2004 cuando IBM (en colaboración con la empresa Lenovo) firmó un acuerdo con el Gobierno para desarrollar este ordenador que contaba inicialmente con una potencia de 42,4 teraflops. Pero de eso hace ya más de quince años. En la actualidad se trabaja ya en el MareNostrum 5 que se espera que se estrene a finales de 2020 y tendrá un precio que supere los 100 millones de euros.

Este ordenador será 10.000 veces superior en potencia al modelo de 2004 y hasta 17 veces superior en potencia al actual MareNostrum 4. Alcanzará los 300 teraflops y forma parte de los planes de la Comisión Europea de crear una “red de superordenadores” en diferentes territorios de la Unión Europea. Más allá de España habrá también en Finlandia y en Italia, en Bulgaria, en Portugal, etc.

Actualmente el modelo en funcionamiento es el MareNostrum 4 que empezó en 2017 y que tiene 13,7 petaflops. Tiene dos partes diferenciadas: una parte para tecnologías emergentes y una parte de propósito general. Y su uso es muy diverso: para genética, medicina, química, paleontología, meteorología, etc. Ya se ha empleado en los últimos años para, por ejemplo, predecir tormentas de polvo y arena y mejorar así la seguridad en los vuelos. También para la predicción de contaminación atmosférica con el sistema CALIOPE del Centro Nacional de Supercomputación de Barcelona.