El supercómputo como herramienta en la investigación científica

Computadoras y Supercomputadoras

El nombre supercómputo, también llamado cómputo de alto rendimiento o de alto desempeño, se refiere al uso de las computadoras más poderosas que existen, aquellas que actualmente se usan para hacer operaciones matemáticas que serían imposibles en las computadoras de escritorio; estos cálculos son normalmente de tipo científico pero no necesariamente, por ejemplo cabe mencionar que las empresas que se dedican a hacer películas animadas o con efectos especiales, cuentan con equipos de supercómputo comparables a los de los mejores centros de investigación del mundo.

p-5Las primeras computadoras electrónicas se construyeron hace cerca de 80 años, anteriores a la invención del transistor que ocurrió en 1948. Eran unos aparatos impresionantes que ocupaban cuartos enteros llenos de tubos al vacío. Sin embargo, la computación tuvo un poderoso impulso gracias a la comercialización de las primeras computadoras personales a mediados de la década de los 70s. Estas primeras computadoras de escritorio contaban con procesadores que eran capaces de realizar hasta medio millón de instrucciones por segundo (una unidad que se llama MIPS).

Para ejemplificar el enorme avance que han logrado las computadoras basta recordar que un procesador moderno, como los que se usan actualmente en las laptops más rápidas, tiene un poder de cómputo cercano a 200 000 MIPS, es decir que las computadoras personales han tenido un progreso en velocidad de cómputo de cerca de 400 mil veces.

Avances igualmente espectaculares se han logrado también en la cantidad de memoria temporal y de almacenamiento de datos, por ejemplo la cantidad de memoria temporal, conocida como memoria RAM por las siglas en inglés “Random Acces Memory”,  es ahora cerca de 2 millones de veces mayor en las computadoras portátiles que la que tenían las primeras computadoras personales de escritorio.

 

Las Supercomputadoras más rápidas del mundo

 

En contraste con las computadoras portátiles y las de escritorio que poseen un procesador, las supercomputadoras actualmente se construyen con cientos de miles de procesadores que trabajan simultáneamente. La lista de las 500 supercomputadoras más rápidas del mundo, conocida como “Lista TOP500”, se publica cada seis meses, de modo que  la última lista se publicó  en junio de 2016. En esta lista la computadora más rápida del mundo la ocupa una computadora recién construida que se llama “Sunway TaihuLight” y que pertenece al gobierno de China.

La velocidad de cómputo de las supercomputadoras modernas se mide en unidades de PetaFLOPS, donde el prefijo Peta equivale a un uno seguido de 15 ceros, así como el prefijo kilo equivale a un uno seguido de tres ceros, y FLOPS es un acrónimo que significa “operaciones de punto flotante por segundo” por sus siglas en inglés. Esta supercomputadora china posee una velocidad máxima de cómputo de 93 PetaFLOPS, desplazando a otra supercomputadora también china que había sido la más rápida durante los últimos tres años. Mientras que la supercomputadora más rápida de Estados Unidos, llamada Titán, que hace cuatro años era la más rápida del mundo quedó ahora en el tercer lugar.

 

¿Para qué sirve el supercómputo científico?

El uso del supercómputo con fines científicos permite abordar una gran cantidad de problemas científicos que de otro modo serían difíciles o imposibles de resolver. Por ejemplo la predicción confiable del clima a escalas de tiempo cada vez mayores sería imposible sin el uso de las supercomputadoras. Otros ejemplos son la simulación de la creación y evolución de las galaxias que componen a nuestro Universo; el estudio de nuevos fármacos en el tratamiento de enfermedades; el estudio de las corrientes de aire en un nuevo diseño aerodinámico de un avión o de un auto; la búsqueda de números primos que tienen más de 100 millones de dígitos; el análisis de los datos de los mayores aceleradores de partículas para buscar nuevas partículas, como ocurrió en 2012 con la partícula Higgs descubierta en el laboratorio CERN en Europa; el análisis de los datos del movimiento de las galaxias para entender mejor la expansión acelerada del Universo; el estudio de nuevas moléculas, por mencionar solo algunos.

Podemos afirmar que en prácticamente todas las áreas del conocimiento se requiere actualmente, o se requerirá en el futuro próximo, del uso de la supercomputación, lo cual nos permitirá aumentar substancialmente nuestro conocimiento de la naturaleza y sin duda incrementar la duración y la calidad de la vida humana.

 

Laboratorio Nacional de Supercómputo del Sureste de México

El Laboratorio Nacional de Supercómputo del Sureste  de México (LNS) se encuentra en el campus de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP) y cuenta con una supercomputadora que tiene una velocidad máxima de cómputo de 0.2 PetaFLOPS. Este proyecto fue aprobado por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt)  en mayo de 2014 y en él participan además de la BUAP el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE) y la Universidad de las Américas.

En su calidad de Laboratorio Nacional de Supercómputo, el LNS permite que además de los investigadores del consorcio formado por estas tres instituciones, otros investigadores de cualquier parte de México puedan hacer uso de los recursos de supercómputo a través de convocatorias nacionales que periódicamente publica el LNS.

La variedad de problemas científicos a los que el LNS está contribuyendo para su solución incluyen el misterio del origen y la naturaleza de las partículas más energéticas del Universo, conocidas como rayos cósmicos ultra energéticos, que se han detectado con el Observatorio Pierre Auger que se encuentra en Argentina, el estudio de las explosiones más violentas que ocurren en el Universo y que originan chubascos de rayos gamma que se buscan en el Observatorio HAWC que se encuentra en la Sierra Negra en México, el comportamiento de las partículas subatómicas que se estudian en el Laboratorio CERN en Europa a través del experimento llamado CMS,  en particular el LNS permite hacer simulaciones de estas partículas que son vitales para este tipo de descubrimientos científicos, como fue el caso del descubrimiento de la partícula Higgs en 2012 en el CERN, el estudio de los rayos gamma de mayores energías que se detectan con el Observatorio HAWC, el comportamiento de la materia en condiciones extremas de alta temperatura y alta densidad que se estudian también en el CERN a través del experimento llamado ALICE.

En el área de la salud la supercomputadora del LNS modela problemas de cardiología y neurociencias así como propiedades de algunas biomoléculas, se usa también para el diseño de circuitos integrados con aplicaciones biomédicas, se usa también para cuantificar la dosis entregada mediante la técnica de braquiterapia,  entre otros. En el área de la ciencia de materiales los recursos de supercómputo del LNS se usan para estudiar el comportamiento de nanoestructuras y otros compuestos nuevos. En el área de las ciencias sociales se usa para el estudio de la dinámica de poblaciones. En el área de energías limpias se usa para investigar algunos yacimientos geotérmicos que existen en México.

Los problemas científicos que se han mencionado constituyen solo una muestra del modo en que se está usando la supercomputadora del LNS para contribuir a resolver problemas científicos de nivel mundial y para contribuir a resolver algunos problemas nacionales como en el caso de la energía geotérmica o la dinámica poblacional.

Otro aspecto de suma importancia es la formación de ingenieros y técnicos, para que sean capaces de enfrentar los retos actuales y futuros relacionados con esta nueva tecnología, así como el acompañamiento a los investigadores para  aprovechen al máximo  la alta velocidad de cómputo científico, y elevado volumen de datos que se pueden manejar en las nuevas instalaciones de supercómputo como el LNS. Por esta razón se imparte actualmente un programa de Diplomado en Supercómputo en el LNS con una duración total de 120 horas. A corto plazo se impartirá, además, un programa de Especialidad en Supercómputo y a mediano plazo esperamos abrir un programa de Maestría en esta disciplina emergente en nuestro país.

 

Perspectivas del supercómputo en el futuro próximo

Ante la pérdida frente a China del liderazgo en supercómputo que tuvo Estados Unidos hasta hace tres años, el presidente Obama ha firmado un acuerdo para incrementar el presupuesto de su país en este ramo, y poner en funcionamiento al menos tres supercomputadoras con velocidades superiores a los 150 PetaFLOPS a partir del año 2018.

Aparte del uso de los procesadores convencionales, conocidos como CPUs por sus siglas en inglés, algunas supercomputadoras están usando un nuevo tipo de procesamiento que tiene sus orígenes en las tarjetas de video y que se llaman unidades de procesamiento gráfico (GPUs). Las GPUs tienen la ventaja de que, para una misma velocidad de supercómputo, son de más baratas y consumen menos  electricidad que los sistemas basados en CPUs. Podemos esperar un número cada vez mayor de supercomputadoras de tipo híbrido que usen tanto procesadores centrales CPU como tarjetas de GPU, como es el caso de la supercomputadora Titán.

La aparición de las tarjetas GPU en supercómputo científico viene a aliviar en parte la preocupación de la comunidad científica de que cada vez se hace más difícil que se siga cumpliendo la llamada Ley de Moore, la cual expresa el hecho empírico de que, en los últimos 50 años, los fabricantes de procesadores de cómputo han logrado duplicar cada dos años el número de transistores en sus chips. Por otro lado, la anhelada computación cuántica, la cual permitirá incrementar dramáticamente la velocidad de supercómputo, aún tiene muchos obstáculos que superar antes de convertirse en una realidad.

 

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