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IBM Summit: así es el superordenador más potente del mundo

IBM Summit

IBM / Oak Ridge National Laboratory

02/05/2020 - 06:35

Los superordenadores están ganando cada vez más importancia en nuestra vida cotidiana, gracias a su uso para procesar el Big Data, analizar enfermedades o estudiar la información que nos llega desde el espacio. Vamos a explicar cómo es por dentro IBM Summit, el superordenador más potente del mundo.

IBM es, posiblemente, la compañía informática más importante de la historia. Fue la inventora del PC, pero mucho antes también fue responsable de los primeros ordenadores comerciales, en los años 50. Y aunque desde hace décadas su presencia en el mercado doméstico es testimonial, ha recobrado el protagonismo con sus supercomputadoras. Vamos conocer a fondo a IBM Summit, el superordenador más potente del mundo.

IBM tiene en la actualidad tres ordenadores en el Top 10 de los más potentes del mundo: IBM Summit, IBM Sierra (2), y el IBM Lassen (10). No son máquinas cerradas, en el sentido de que se amplían y mejoran continuamente, por eso pueden subir y bajar en el ranking Top 500 incluso un par de veces al año.

El IBM Summit lleva en primera posición desde 2018, cuando se fabricó, inalcanzable. Con sus casi 2,5 millones de núcleos de procesador, y 2.8 millones de GB de memoria, el IBM alcanza un potencia de 200.795 Teraflops. Para que te hagas una idea, una consola PS4 tiene un potencia de 1,8 Teraflops. En otras palabras, el IBM Summit tiene una potencia de cálculo equivalente a 100.000 consolas PS4. Imagínate el consumo. Aunque no hace falta: consume 13.000 kW.

Estas cifras se salen completamente de las tablas, cuando las comparamos con los ordenadores domésticos o comerciales.

¿Cómo es posible que alcance semejante potencia? ¿Qué hardware y software utiliza? ¿Para qué se usa? Vamos a descubrirlo...

Los secretos del IBM Summit

¿Qué es un supercomputador?

Quizá deberíamos comenzar explicando qué es un superordenador, para entender la razón de por qué son tan importantes.

10 superordenadores más veloces del mundo
Wikimedia Commons

En palabras sencillas, un superordenador es una computadora capaz de funcionar mucho más rápido que los ordenadores comerciales.

Este concepto surgió en los años 70, siendo la empresa fundada por Seymour Cray, llamada Cray Research, la pionera en el desarrollo de supercomputadoras. Hoy en día aún hay un par de equipos con procesadores Cray en el Top 10 del ranking, aunque la marca ahora pertenece a HP.

Al principio estos superordenadores usaban hardware y software propio, creado específicamente para ellos. Eran mucho más veloces que los comerciales, pero como la informática evoluciona tan rápido, a los pocos años los propios PCs de la calle se acercaban a su rendimiento.

Supercomputadora

IBM

Todo cambió en los años 90, cuando se empezó a usar la computación paralela utilizando el hardware actual. Esto permite escalar el rendimiento todo lo que se quiera, sin tener que crear hardware o software propio, que es mucho más caro.

Los superordenadores actuales usan procesadores Intel, IBM o similares, y chips gráficos (GPU) de Nvidia parecidos a los que se usan en las consolas, como hardware base, trabajando en paralelo. Miles de CPUs y GPUs trabajando todas a la vez, de forma coordinada, como una sola.

Por supuesto, no se trata solo de juntar miles de PC para que trabajen juntos. El hardware esta optimizado con memoria de alta velocidad, conexiones a través de cable de fibra óptica, refrigeración líquida y otras mejoras para obtener el máximo rendimiento.

Esta forma de crear superordenadores basados en componentes baratas y comerciales ha permitido romper la hegemonía de Estados Unidos, China y Japón, que hasta hace unos años eran los únicos países que poseían estas computadoras avanzadas. Ahora más de 50 países tienen su propio supercomputador. España tiene dos, el MareNostrum y el MareNostrum P9 CTE. El MareNostrum (que ya va por la cuarta actualización) está en la posición 30 del ranking mundial y es el octavo más potente de Europa:

MareNostrum

Wikimedia

El concepto de computación en paralelo también se puede aplicar de forma remota. Por ejemplo, conectando entre sí docenas de miles de PCs domésticos a través de Internet, como ha hecho el proyecto [email protected] para trabajar en tareas tan diferentes como ayudar a encontrar una cura para el Covid-19, secuenciar el genoma humano, personalizar tratamientos contra el cáncer, o buscar vida extraterrestre.

La supercomputadora más potente del mundo

Como hemos comentado, desde hace dos años el superordenador más potente del mundo es el IBM Summit, que entró en servicio el 8 de junio de 2018.

IBM Summit

IBM / Oak Ridge National Laboratory

Es un equipo construido por IBM para el Departamento de Energía de Estados Unidos. Está ubicado en el Oak Ridge National Laboratory, en Tennessee.

Este ordenador masivo ocupa más de 500 metros cuadrados, y pesa más de 340.000 Kilos. En este vídeo puedes dar un paseo entre los pasillos que contienen las miles de GPUs y CPUs:

Como se puede ver en el vídeo, el ruido del sistema de refrigeración es ensordecedor, hasta el punto de que todos los operarios tienen que llevar auriculares con cancelación de ruido para trabajar.

IBM Summit y sus cifras curiosas

Las espectaculares cifras que acumula la supercomputadora de IBM nos proporcionan algunas comparativas muy interesantes, que nos dan una perspectiva de lo que Summit representa.

  • La potencia de cálculo del IBM Summit alcanza los 200 petaflops. Si cada habitante de la Tierra pudiese llevar a cabo un cálculo cada segundo, tardarían 305 días en completar todos los cálculos que este superordenador hace en un segundo.
  • El peso total del Summit alcanza los 340.000 Kilos. Pesa el doble que un avión Boeing 747.
  • Ocupa 520 metros cuadrados, el equivalente a dos pistas de tenis
  • Para conectar todas las componentes se usan 297 Kilómetros de fibra óptica. Eso es casi la distancia de Madrid a Zaragoza
  • Para enfriar las miles de CPUs y GPUs, el sistema de refrigeración bombea 15.000 litros de agua por minuto
Raspberry Pi

Raspberry Pi 4 Model B

Nueva Rapsberry Pi 4 Model B con procesador Broadcom de 4 núcleos a 1,5 GHz y dos puertos micro HDMI. Reproduce vídeos 4K a 60 fps en dos monitores. Con WiFi de doble banda, Bluetooth 5.0 y USB Tipo C. Se vende con 1, 2 o 4 GB de RAM.

Más allá de las cifras que llaman la atención, las características técnicas del IBM Summit son impresionantes. Las hemos resumido en esta tabla, y después explicaremos lo que significa cada dato:

Caracteristicas IBM Summit
Número de núcleos 2.414.592
Memoria RAM 2.801.664 GB
Nodos 4.608
Procesadores  Más de 9.000 CPUs IBM POWER9 (22 núcleos a 3.07GHz)
Chips gráficos (GPU) Más de 27.000 chips gráficos NVIDIA Volta GV100
Rendimiento Linkpack (Rmax) 148.600 Teraflops
Rendimiento teórico (Rpeak) 200.795 Teraflops
Consumo 13.000 kW
Sistema operativo RHEL 7.4 (Linux)
Coste 200 millones de dólares

El IBM Summit, por dentro

¿Cómo se construye un superordenador? El concepto es sencillo de entender, aunque fabricarlo requiere una gran inversión, un enorme consumo eléctrico, y un caro mantenimiento. Por eso la gran mayoría de las supercomputadoras están gestionadas por gobiernos.

Summit superordenador

El IBM Summit está diseñado bajo el concepto de computación heterogénea: diferentes tipos de procesadores trabajando de forma conjunta. En concreto se trata de la CPU IBM POWER9, formada por 22 núcleos que trabajan a 3,07 GHz, y la GPU NVIDIA VoltaGV100, un chip gráfico profesional que se usa en estaciones de trabajo para tareas de diseño gráfico y servidores.

La unidad de computación más pequeña del IBM Summit es un nodo compuesto por dos CPUs y seis GPUs. Podemos verlo aqui:

IBM Summit

IBM / Oak Ridge National Laboratory

Vemos que el nodo contiene la memoria RAM (1), las seis GPUs de Nvidia (2) y las dos CPUs de IBM (3).

Cada nodo tiene más de 600GB de memoria RAM (96 GB de memoria HBM2 + 512 GB DDR4 SDRAM) completamente accesible por todas las CPUs y GPUs. Además posee más de 800GB de almacenamiento, que puede ser utilizado como búfer o memoria extendida.

Por si fuera poco, las CPUs IBM Power9 y las GPUs NVIDIA Volta están conectadas mediante el protocolo de alta velocidad NVLink de NVIDIA.

Cada uno de estos nodos tiene una potencia de cálculo de 42 Teraflops, varias veces más potente que el ordenador comercial más potente que existe. El IBM Summit tiene 4.608 nodos trabajando en paralelo:

IBM Summit

IBM / Oak Ridge National Laboratory

Los nodos se conectan entre sí usando un sistema de doble raíl llamado Mellanox EDR Infiniband. Se agrupan de 20 en 20 en esta especie de armarios que podemos ver aquí, varios cientos en total:

IBM Summit

IBM / Oak Ridge National Laboratory

Para que todo funcione en paralelo hay que cablear cada nodo con el resto, mediante cables de fibra óptica, y de alimentación. En total, casi 300 Kilómetros de fibra óptica en solo 500 metros cuadrados:

IBM Summit

IBM / Oak Ridge National Laboratory

Con miles de GPUs y CPUs funcionando al máximo rendimiento, el consumo es enorme, entre 10.000 y 13.000 kW. Y también se necesita un sistema de refrigeración extraordinario. El IBM Summit emplea refrigeración líquida:

IBM Summit

IBM / Oak Ridge National Laboratory

Requiere bombear 15.000 libros de agua por minuto para refrigerar todo.

En total acumula casi 2,5 millones de núcleos, y casi 3 millones de GB de memoria RAM. La potencia de proceso teórica supera los 200.000 Teraflops, es decir, 200 petaflops, aunque las mediciones del benchmark LinkPack la sitúan en los 148 petaflops.

Un flops es una operación de punto flotante por segundo. Un tipo de cálculo cientifico que se usa en informática. Un petaflops son 10 elevado 15 flops, es decir 1.000.000.000.000.000 operaciones de punto flotante por segundo.

El Summit ejecuta 148.000.000.000.000.000 operaciones por segundo. Absolutamente increíble.

¿Qué software utiliza?

Hoy en día casi el 100% de los 500 superordenadores más potentes usan alguna variante de Linux como sistema operativo. Antes también se utilizaba Unix.

El Summit utilizar la distro RHEL 7.4 (Red Hat Enterprise Linux), que lógicamente ha sido optimizada para funcionar con este tipo de hardware.

Linux

También emplea las librerías matemáticas ESSL y CUBLAS 9.2, y los compiladores XLC y nvcc. Por supuesto, también puede utilizar cualquier software compatible con Linux.

¿Para qué se usa?

Este superordenador se diseñó para uso civil en aplicaciones científicas. Todo lo contrario que su hermano, el IBM Sierra, que se emplea en actividades militares relacionadas con las bombas atómicas:

10 superordenadores más veloces del mundo
Wikimedia Commons

En estos dos años el Summit se ha centrado principalmente en análisis de datos relacionados con el espacio, el clima, la inteligencia artificial y la medicina.

Su enorme capacidad de proceso sirve para poner en marcha simulaciones que exigen procesar o predecir miles de millones de situaciones por segundo. Se usa para predecir el clima, secuenciar el ADN de enfermedades, calcular cómo se extienden las epidemias o cómo afecta el cambio climático a las especies y los ecosistemas.

Al ser un ordenador público, cualquier organización científica puede pedir prestados sus recursos durante unas horas para llevar a cabo sus cálculos. Además su potencia es tan inmensa que puede ejecutar miles de aplicaciones independientes al mismo tiempo, si no se requiere su máxima capacidad.

Por eso en sus dos años de vida ya ha trabajado en docenas de proyectos diferentes. Desde aplicar el aprendizaje automático a la biología a estudiar el flujo del plasma, analizar datos captados por los telescopios, investigar el cáncer o estudiar las propiedades de los materiales a nivel atómico.

Desde hace un mes se ha unido a la lucha contra el Covid-19. Se está utilizando para llevar a cabo un gran número de cálculos en epidemiología, bioinformática y modelado molecular. Los investigadores tardarían años en completar esos cálculos con ordenadores convencionales.

Los superordenadores son la herramienta más potente de la Ciencia para luchar contra las enfermedades y el cambio climático. Y ahora los conocemos un poco más...