A diferencia de nuestros dispositivos cotidianos, una supercomputadora se refiere a una computadora principal de alto rendimiento. Es una máquina poderosa y altamente precisa conocida por procesar conjuntos masivos de datos y cálculos complejos a velocidades rápidas.

Las supercomputadoras son sistemas principales de alto rendimiento que resuelven cálculos complejos. Dividen las tareas en múltiples partes y trabajan en ellas en paralelo, como si hubiera muchas computadoras actuando como una sola máquina colectiva.

Las supercomputadoras pueden realizar múltiples operaciones simultáneamente en paralelo, gracias a una multitud de procesadores integrados. Este alto nivel de rendimiento se mide mediante operaciones de punto flotante por segundo (FLOPS), una unidad que indica cuántos problemas aritméticos puede resolver una supercomputadora en un marco temporal determinado.

Una operación se divide en partes más pequeñas, donde cada pieza se envía a una CPU para resolver. Estos procesadores de múltiples núcleos se encuentran dentro de un nodo, junto con un bloque de memoria. En colaboración, estas unidades individuales, tantas como decenas de miles, se comunican a través de canales inter-nodos llamados interconexiones para permitir una computación concurrente. Las interconexiones también interactúan con sistemas de entrada/salida (I/O), que administran el almacenamiento en disco y la red.

Nótese que en su computadora doméstica, una vez que presiona la tecla ‘enter’ en una consulta de motor de búsqueda, esa información se introduce en el sistema de la computadora, se almacena y luego se procesa para producir un valor de salida. En otras palabras, una tarea se resuelve a la vez.

Este proceso funciona muy bien para aplicaciones cotidianas, como enviar un mensaje de texto o planificar una ruta mediante GPS. Pero para proyectos más intensivos en datos, como calcular la órbita balística de un misil o realizar criptoanálisis, los investigadores confían en sistemas más sofisticados que pueden ejecutar muchas tareas simultáneamente.

La principal contribución de la supercomputación a la ciencia ha sido su capacidad para simular la realidad. Esta capacidad ayuda a los humanos a hacer mejores predicciones de rendimiento y diseñar mejores productos en campos que van desde la fabricación y el petróleo hasta la farmacéutica y lo militar.

Cuando se alimenta a una supercomputadora con datos de modelado numérico recopilados mediante satélites, boyas, radar y globos meteorológicos, los expertos en el campo se informan mejor sobre cómo las condiciones atmosféricas nos afectan.

Se vuelven mejor equipados para aconsejar al público sobre temas relacionados con el clima, como si debería traer una chaqueta y qué hacer en caso de una tormenta eléctrica.

Derecho, una supercomputadora petascala, se está utilizando para explorar los efectos de la geoingeniería solar, un método que teóricamente enfriaría el planeta desviando los rayos solares y cómo la liberación de aerosoles influye en los patrones de lluvia.

La secuenciación genómica, un tipo de modelado molecular, es una táctica que usan los científicos para obtener una mirada más cercana a la secuencia de ADN de un virus. Esto les ayuda a diagnosticar enfermedades, desarrollar tratamientos personalizados y rastrear mutaciones virales.

Originalmente, este proceso intensivo en tiempo tomó a un equipo de investigadores 13 años completarlo. Pero con la ayuda de supercomputadoras, la secuenciación completa del ADN ahora es cuestión de horas.

Recientemente, investigadores de la Universidad de Stanford lograron el récord Guinness para la técnica de secuenciación genómica más rápida utilizando un método de “mega-máquina” que ejecuta el genoma de un solo paciente en todas las 48 celdas de flujo simultáneamente.

Las supercomputadoras pueden tomar la ingente cantidad de datos recopilados por una variedad de dispositivos cargados de sensores, incluidos satélites, sondas, robots y telescopios, y usarlos para simular condiciones del espacio exterior en la Tierra.

Estas máquinas pueden crear entornos artificiales que coincidan con parches del universo y, con algoritmos generativos avanzados, incluso reproducirlos.

En la NASA, una supercomputadora petascala llamada Aitken es la última adición al Centro de Investigación Ames que se usa para crear simulaciones de alta resolución en preparación para las próximas misiones Artemis, que tienen como objetivo establecer una presencia humana a largo plazo en la luna.

Una mejor comprensión de cómo las cargas aerodinámicas afectarán al vehículo de lanzamiento, la estructura de la torre del lanzador móvil y la zanja de llama reduce los riesgos y crea condiciones más seguras.

Los sistemas de supercomputación en la aviación han sido utilizados para detectar llamaradas solares, predecir turbulencias y aproximar la aeroelasticidad (cómo las cargas aerodinámicas afectan a un avión) para construir mejores aeronaves.

De hecho, la supercomputadora más rápida del mundo hasta la fecha, Frontier, ha sido reclutada por GE Aerospace para probar una arquitectura de motor de ventilador abierto diseñada para la próxima generación de aeronaves comerciales, lo que podría ayudar a reducir las emisiones de dióxido de carbono en más del 20%.

Dos de las supercomputadoras de mayor rendimiento en el mundo, Frontier y Summit, crearán simulaciones para predecir la pérdida de energía y optimizar el rendimiento en plasma.

El objetivo del proyecto, liderado por científicos de General Atomics, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge y la Universidad de California en San Diego, es ayudar al desarrollo de tecnología de vanguardia para reactores de energía de fusión.

Emulando los procesos de generación de energía del sol, la fusión nuclear es un candidato en la búsqueda de recursos energéticos abundantes, de largo plazo, libres de emisiones de carbono y residuos radiactivos.

Las supercomputadoras de mayor rendimiento actual pueden computar simulaciones en el tiempo que le tomaría a una computadora personal 500 años, según la Partnership for Advanced Computing in Europe.

Las siguientes supercomputadoras están clasificadas por Top500, un proyecto cofundado por Dongarra que clasifica las computadoras no distribuidas más rápidas. Esto se basa en su capacidad para resolver un conjunto de ecuaciones lineales utilizando una matriz aleatoria densa. Utiliza el Benchmark LINPACK, que estima qué tan rápido es probable que una computadora ejecute un programa o muchos.

Con operación en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en Tennessee, Frontier es la primera supercomputadora registrada en romper la “exaescala”, sosteniendo una potencia computacional de 1.1 exaFLOPS. En otras palabras, puede resolver un quintillón de cálculos por segundo.

Construida con 74 gabinetes de supercomputación HPE Cray EX, que pesan casi 8,000 libras cada uno, es más poderosa que las siete supercomputadoras más rápidas combinadas. Según el laboratorio, le tomaría a toda la población del planeta más de cuatro años resolver lo que Frontier puede resolver en un segundo.

Fugaku debutó con 416 petaFLOPS, un rendimiento que le ganó el título mundial durante dos años consecutivos y, tras una actualización de software en 2020, ha alcanzado un máximo de 442 petaFLOPS. Está construida con un microprocesador Fujitsu A64FX que tiene 158,976 nodos.

La computadora petascala recibe su nombre de un nombre alternativo para el Monte Fuji, y está ubicada en el Centro de Ciencia Computacional de Riken en Kobe, Japón.

Un consorcio de 10 países europeos se unió para crear Lumi, la supercomputadora más rápida de Europa. Esta máquina de 1,600 pies cuadrados y 165 toneladas tiene una potencia computacional sostenida de 375 petaFLOPS, con un rendimiento máximo de 550 petaFLOPS, una capacidad comparable a 1.5 millones de laptops.

También es uno de los modelos más eficientes en términos de energía hasta la fecha. Ubicada en el centro de datos de CSC en Kajaani, Finlandia, Lumi se mantiene fresca gracias a las condiciones climáticas naturales. También funciona completamente con energía hidroeléctrica libre de carbono, mientras produce el 20% del calor del distrito circundante a partir de su calor residual.

Summit fue la computadora más rápida del mundo cuando debutó en 2018, y actualmente tiene una velocidad máxima de 200 petaFLOPS. El Departamento de Energía de los Estados Unidos patrocinó el proyecto, operado por IBM, con un contrato de $325 millones.

Usando inteligencia artificial, ciencia de materiales y genómica, la máquina de 9,300 pies cuadrados ha sido utilizada para simular terremotos y condiciones climáticas extremas y predecir la vida útil de los neutrinos. Al igual que Frontier, Summit está alojada por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en Tennessee.

Leonardo es una supercomputadora petascala alojada por el centro de datos CINECA ubicado en Bolonia, Italia.

El sistema de 2,000 pies cuadrados está dividido en tres módulos: el impulsor, el centro de datos y los módulos frontales y de servicio, que funcionan en una computadora Atos BullSequana XH2000 con más de 13,800 GPUs Nvidia Ampere. En rendimiento máximo, las velocidades de procesamiento alcanzan los 250 petaFLOPS.

La potencia de procesamiento es la principal diferencia que separa a las supercomputadoras de su Macbook Pro promedio. Esto se puede atribuir a los múltiples CPUs integrados en su arquitectura, que superan en número al único CPU encontrado en una computadora de propósito general por decenas de miles.

En términos de velocidad, el rendimiento típico de un dispositivo cotidiano, que se mide entre un gigaFLOPS y decenas de teraFLOPS, que va desde mil millones hasta 10 billones de cálculos por segundo, palidece en comparación con las máquinas de 100-petascala actuales, capaces de resolver 100 billones de cálculos por segundo.

La otra gran diferencia es el tamaño. Una computadora portátil se desliza fácilmente en una bolsa. Pero las máquinas escalables de supercomputación pesan toneladas y tienen miles de pies cuadrados. Generan tanto calor, que en algunos casos se reutiliza para calentar pueblos locales, que requieren un sistema de enfriamiento integrado para funcionar adecuadamente.

Las supercomputadoras pueden entrenar varios modelos de inteligencia artificial a velocidades más rápidas mientras procesan conjuntos de datos más grandes y detallados (como en esta investigación científica del clima).

Además, la inteligencia artificial en realidad alivianará la carga de trabajo de una supercomputadora, ya que utiliza cálculos de menor precisión que luego se verifican para garantizar la precisión. La inteligencia artificial depende en gran medida de los algoritmos, que, con el tiempo, permiten que los datos hagan la programación.

Emparejadas juntas, la inteligencia artificial y las supercomputadoras han aumentado el número de cálculos por segundo de la supercomputadora más rápida del mundo actual por un intervalo de seis.

Esta combinación ha creado un estándar completamente nuevo para medir el rendimiento, conocido como el benchmark HPL-MxP. Equilibra las métricas tradicionales basadas en hardware con la computación algorítmica.

Dongarra piensa que las supercomputadoras moldearán el futuro de la inteligencia artificial, aunque exactamente cómo sucederá no es completamente previsible.

“En cierta medida, las computadoras que se están desarrollando hoy se utilizarán para aplicaciones que necesitan inteligencia artificial, aprendizaje profundo y cálculos de redes neuronales”, dijo Dongarra. “Será una herramienta que ayude a los científicos a comprender y resolver algunos de los problemas más complejos que tenemos”.

En conclusión, las supercomputadoras representan la cima de la tecnología informática actual. Sus diseños especializados de alto rendimiento permiten un modelado, simulaciones y análisis revolucionarios en ciencia, ingeniería y negocios.