Un superordenador español más potente para llevar la ciencia a otro nivel

El Centro Nacional de Supercomputación (BSC, Barcelona Supercomputing Center) ha presentado su candidatura para albergar uno de los dos superordenadores más potentes de la UE.

La decisión de qué centros de supercomputación europeos ganarán el concurso se tomará este verano, y se espera que la nueva máquina entre en funcionamiento a finales de 2020. Si el BSC resulta elegido, multiplicará por 15 la potencia del superordenador que tiene actualmente. Pero, ¿qué es un supercomputador y para qué se usa?

Capacidades de cálculo extraordinarias

La computación técnica se refiere al uso de los ordenadores para realizar cálculos con el objetivo de resolver problemas prácticos. Por ejemplo, cuando se diseña un edificio es necesario llevar a cabo ciertos análisis para ver cuál va a ser su respuesta ante las cargas (viento, peso del contenido, seísmos). Muchas veces, es suficiente con utilizar un ordenador convencional, pero en otros casos se requiere una capacidad de cálculo mayor y es necesario recurrir a ordenadores especiales.

Hoy en día, los ordenadores tienen un procesador multinúcleo, en el que cada núcleo es casi como un procesador completo que puede realizar tareas independientes de los demás núcleos. Con este tipo de procesadores se ha aumentado sustancialmente la potencia de cálculo. Sin embargo, el número de núcleos que pueden albergar es actualmente bastante pequeño (hasta 32 en los de gama más alta), por lo que si se quiere incrementar más la potencia hay que juntar varios de estos procesadores, o bien usar procesadores especiales (como las GPU que pueden llegar hasta los 5000 núcleos, aunque más sencillos). Y aun así, esto resulta insuficiente para las aplicaciones con más demanda computacional.

La solución es formar un clúster agregando varios ordenadores (llamados nodos) y conectándolos mediante una red rápida, de forma que se puedan usar todos simultáneamente. En computación técnica, la clave está, además, en utilizar todos los núcleos a la vez para la misma tarea, de forma que el cálculo se complete en menos tiempo. Es lo que se llama computación paralela. Un supercomputador no es más que un clúster paralelo de gran tamaño, formado por cientos de nodos o más.

Por ejemplo, el supercomputador que hay actualmente en el BSC (MareNostrum 4) tiene 3.456 nodos, cada uno de ellos con dos procesadores de 24 núcleos. O sea, más de 150.000 núcleos en total. Si fuéramos capaces de utilizar todos esos núcleos a la vez, podríamos realizar hasta 11 mil billones de operaciones de coma flotante por segundo (11 petaflops). El nuevo superordenador, el que sería el MareNostrum 5, podría alcanzar una velocidad máxima de 200 mil billones de operaciones de coma flotante (200 petaflops).

Actualmente, MareNostrum 4 ocupa la posición 25 en el ranking de supercomputadores más potentes del mundo. Estas máquinas, sobre todo las de las primeras posiciones, son extremadamente complejas y necesitan instalaciones especiales.

La supercomputación en España

Además de MareNostrum, existen otros superordenadores en España. Actualmente, la Red Española de Supercomputación (RES) está formada por 12 supercomputadores (incluido MareNostrum) situados en diferentes centros de investigación y universidades, y da servicio a usuarios de computación técnica avanzada distribuidos por toda la geografía española. El panorama se completa con los centros de supercomputación autonómicos.

Cabe destacar que estas máquinas se utilizan siempre de forma compartida. Por ejemplo, un usuario reserva 40 nodos de MareNostrum durante cinco horas, mientras que otro usuario solicita solo dos nodos durante 12 horas, etc. El sistema planifica la ejecución de estos trabajos de forma que se maximice la utilización del computador y se minimice el tiempo de espera de los usuarios. Pero el número de nodos que puede utilizar cada usuario está limitado, así como el número de trabajos que puede lanzar.

Por otro lado, para poder acceder a una de estas máquinas, es necesario justificar para qué se va a usar mediante una descripción técnica que incluye una estimación de las horas totales de cálculo necesarias (para un periodo de cuatro meses). Los proyectos admitidos se asignan a las diferentes máquinas de la RES, de forma que se haga un uso equilibrado de todas ellas. A modo de ejemplo, en el periodo actual se han asignado 187 millones de horas de computación entre 131 proyectos.

Hacer ciencia en el siglo XXI

Los supercomputadores se utilizan principalmente para realizar simulaciones numéricas mediante programas paralelos (capaces de usar varios procesadores a la vez). La simulación numérica pretende emular un sistema físico para estudiarlo y poder predecir su evolución en el tiempo o su comportamiento bajo determinadas condiciones. Con las simulaciones podemos llevar a cabo experimentos virtuales (¿qué pasaría si…?), una herramienta muy útil para científicos e ingenieros.

La computación científica (o ciencia computacional) es una disciplina reciente que se está desarrollando rápidamente y está cambiando la forma de hacer ciencia. Muchas áreas científicas están sustituyendo las técnicas tradicionales (observación y experimentación en laboratorio) por las nuevas metodologías basadas en la informática, entre las que destaca la simulación. En algunos países ya se han puesto en marcha titulaciones universitarias específicas de computación científica, que aúnan conocimientos de matemáticas e informática con los de disciplinas aplicadas como la física, la química y la biología.

Podríamos citar multitud de áreas científicas que se benefician de la supercomputación. Por ser más concretos, tomemos como ejemplo algunas de las temáticas abordadas por los proyectos de la RES activos actualmente:

. Ciencia de materiales: semiconductores, metamateriales, baterías de iones de sodio, aleaciones metálicas.

. Ciencias de la tierra: cambio climático, geodinámica.

. Química: catalizadores, valorización de CO₂.

. Bioquímica y medicina: interacción de biomoléculas, coagulación de la sangre, membrana celular.

. Nanociencia: nanopartículas, grafeno, nanocristales, espintrónica, placas fotovoltaicas de bajo coste y alta eficiencia.

. Astrofísica: ondas gravitatorias, colisión de estrellas de neutrones, agujeros negros, formación del universo, cromosfera solar.

. Dinámica de fluidos: flujo turbulento, flujos con burbujas, ruido aeroacústico, combustión, reactores de fusión.

La simulación numérica también se emplea en aplicaciones de la industria. Así, empresas energéticas como Repsol la utilizan para mejorar el proceso de prospección de hidrocarburos. Otro ejemplo es la producción de cementos más duraderos.

Desde hace años existe una colaboración a nivel europeo en supercomputación (PRACE) que permite que los proyectos con mayores necesidades de cómputo puedan acceder a los supercomputadores más potentes en Europa (actualmente son siete, y uno de ellos es MareNostrum).

Ahora, la UE apuesta por tener menos supercomputadores pero más potentes aún (con vistas a alcanzar una potencia de exaflops en 2023), para poder competir con China, EE. UU. y Japón. La propuesta del BSC viene apoyada por Portugal, Turquía y Croacia. Si finalmente se aprueba la compra de la nueva máquina, se pondrá a disposición de usuarios de toda Europa, pero España tendría un papel de liderazgo destacado.

Publicado originalmente en The Conversation.

El autor es catedrático de Ciencia de la Computación y miembro del Comité de Usuarios de la Red Española de Supercomputación, Universitat Politècnica de València.