Computación a escala de exaescala

La computación a exaescala se refiere a sistemas informáticos capaces de calcular al menos "10 ¹⁸ operaciones IEEE 754 de doble precisión (64 bits) (multiplicaciones y/o sumas) por segundo ( exa FLOPS )"; ^[1] es una medida del rendimiento de las supercomputadoras .

La computación a exaescala es un logro significativo en ingeniería informática : principalmente, permite mejores aplicaciones científicas y una mayor precisión de predicción en dominios como la previsión meteorológica , el modelado climático y la medicina personalizada . ^[2] La exaescala también alcanza la potencia de procesamiento estimada del cerebro humano a nivel neuronal, un objetivo del ahora extinto Proyecto Cerebro Humano . ^[3] Ha habido una carrera para ser el primer país en construir una computadora a exaescala, generalmente clasificada en la lista TOP500 . ^{[4] [5] [6] [7]}

En 2022, se anunció la primera computadora pública a exaescala del mundo, Frontier . ^[8] A partir de junio de 2024 ^[actualizar], es la supercomputadora más rápida del mundo. ^[9]

Las operaciones de punto flotante por segundo (FLOPS) son una medida del rendimiento de una computadora . Las FLOPS se pueden registrar en diferentes medidas de precisión, sin embargo, la medida estándar (usada por la lista de supercomputadoras TOP500 ) utiliza operaciones de 64 bits ( formato de punto flotante de doble precisión ) por segundo utilizando el benchmark High Performance LINPACK (HPLinpack) . ^{[10] [1]}

Si bien un sistema de computación distribuida había roto la barrera de 1 exaFLOPS antes de Frontier , la métrica generalmente se refiere a sistemas de computación individuales. Las supercomputadoras también habían roto previamente la barrera de 1 exaFLOPS utilizando medidas de precisión alternativas; nuevamente, estas no cumplen con los criterios para la computación a exaescala utilizando la métrica estándar. ^[1] Se ha reconocido que HPLinpack puede no ser una buena medida general de la utilidad de la supercomputadora en aplicaciones del mundo real, sin embargo es el estándar común para la medición del rendimiento. ^{[11] [12]}

Se ha reconocido que no es sencillo permitir que las aplicaciones exploten por completo las capacidades de los sistemas informáticos de exaescala. ^[13] El desarrollo de aplicaciones con uso intensivo de datos en plataformas de exaescala requiere la disponibilidad de paradigmas de programación y sistemas de tiempo de ejecución nuevos y efectivos. ^[14] El proyecto Folding@home , el primero en romper esta barrera, se basó en una red de servidores que enviaban piezas de trabajo a cientos de miles de clientes utilizando una arquitectura de red de modelo cliente-servidor . ^{[15] [16]}

La primera computadora a petaescala (10 ¹⁵ FLOPS) entró en funcionamiento en 2008. ^[17] En una conferencia de supercomputación en 2009, Computerworld proyectó la implementación de la exaescala para 2018. ^[18] En junio de 2014, el estancamiento de la lista de supercomputadoras Top500 hizo que los observadores cuestionaran la posibilidad de sistemas a exaescala para 2020. ^[19]

Aunque la computación a exaescala no se logró en 2018, en el mismo año la supercomputadora Summit OLCF-4 realizó 1,8 × 10¹⁸ cálculos por segundo utilizando una métrica alternativa mientras se analiza información genómica. ^[20] El equipo que realizó esto ganó el Premio Gordon Bell en la Conferencia de Supercomputación ACM/IEEE de ^{2018. [ cita requerida ]}

La barrera de los exaFLOPS se rompió por primera vez en marzo de 2020 gracias al proyecto de investigación sobre el coronavirus Folding@home , una red informática distribuida . ^{[21] [16] [22] [23] [24]}

En junio de 2020 ^[25], la supercomputadora japonesa Fugaku logró 1,42 exaFLOPS utilizando el benchmark alternativo HPL-AI.

En 2022, se anunció la primera computadora pública a exaescala del mundo, Frontier . ^[8] A partir de junio de 2024 ^[actualizar], es la supercomputadora más rápida del mundo. ^[9]

En 2008, dos organizaciones gubernamentales de los Estados Unidos de América dentro del Departamento de Energía de los EE. UU. , la Oficina de Ciencia y la Administración Nacional de Seguridad Nuclear , proporcionaron fondos al Instituto de Arquitecturas Avanzadas para el desarrollo de una supercomputadora a exaescala; el Laboratorio Nacional Sandia y el Laboratorio Nacional Oak Ridge también iban a colaborar en diseños a exaescala. ^[26] Se esperaba que la tecnología se aplicara en varias áreas de investigación con uso intensivo de recursos computacionales, incluidas la investigación básica , la ingeniería , las ciencias de la Tierra , la biología , la ciencia de los materiales , las cuestiones energéticas y la seguridad nacional. ^[27]

En enero de 2012, Intel compró la línea de productos InfiniBand de QLogic por 125 millones de dólares para cumplir su promesa de desarrollar tecnología de exaescala para 2018. ^[28]

En 2012, Estados Unidos había asignado 126 millones de dólares al desarrollo de la computación a exaescala. ^[29]

En febrero de 2013, ^[30] la Actividad de Proyectos de Investigación Avanzada de Inteligencia inició el programa Cryogenic Computer Complexity (C3), que prevé una nueva generación de supercomputadoras superconductoras que operan a velocidades de exaescala basadas en lógica superconductora . En diciembre de 2014 anunció un contrato plurianual con IBM, Raytheon BBN Technologies y Northrop Grumman para desarrollar las tecnologías para el programa C3. ^[31]

El 29 de julio de 2015, Barack Obama firmó una orden ejecutiva que creaba una Iniciativa Nacional de Computación Estratégica que pedía el desarrollo acelerado de un sistema de exaescala y la financiación de la investigación en computación post-semiconductora. ^[32] El Proyecto de Computación de Exaescala (ECP) espera construir una computadora de exaescala para 2021. ^[33]

El 18 de marzo de 2019, el Departamento de Energía de los Estados Unidos e Intel anunciaron que la primera supercomputadora exaFLOPS estaría operativa en el Laboratorio Nacional de Argonne a fines de 2022. La computadora, llamada Aurora , será entregada a Argonne por Intel y Cray (ahora Hewlett Packard Enterprise), y se espera que use GPGPU Intel Xe junto con una futura CPU escalable Xeon, y costará US$600 millones. ^{[34] [35]}

El 7 de mayo de 2019, el Departamento de Energía de Estados Unidos anunció un contrato con Cray (ahora Hewlett Packard Enterprise) para construir la supercomputadora Frontier en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. Se prevé que Frontier esté en pleno funcionamiento en 2022 ^[36] y, con un rendimiento de más de 1,5 exaFLOPS, debería ser entonces la computadora más potente del mundo. ^[37]

El 4 de marzo de 2020, el Departamento de Energía de Estados Unidos anunció un contrato con Hewlett Packard Enterprise y AMD para construir la supercomputadora El Capitan por un costo de US$600 millones, que se instalará en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL). Se espera que se use principalmente (pero no exclusivamente) para el modelado de armas nucleares. El Capitan se anunció por primera vez en agosto de 2019, cuando el DOE y el LLNL revelaron la compra de una supercomputadora Shasta de Cray. El Capitan estará operativo a principios de 2023 y tendrá un rendimiento de 2 exaFLOPS. Utilizará CPU y GPU de AMD, con 4 GPU Radeon Instinct por CPU EPYC Zen 4, para acelerar las tareas de inteligencia artificial. El Capitan debería consumir alrededor de 40 MW de energía eléctrica. ^{[38] [39]}

En noviembre de 2021, Estados Unidos tenía tres de las cinco supercomputadoras más rápidas del mundo. ^[40]

En mayo de 2022, Estados Unidos tuvo su primera supercomputadora a exaescala. Aproximadamente dos años después, en mayo de 2024, el país obtuvo otra supercomputadora a exaescala. Estados Unidos también fue el primer país en tener al menos una supercomputadora a exaescala, seguido por Japón, que tiene previsto tener al menos una supercomputadora alrededor de mayo de 2026. Hoy, o a partir de octubre de 2024, es el único país con supercomputadoras a exaescala. ^{[ cita requerida ]}

En Japón, en 2013, el Instituto Avanzado de Ciencias Computacionales RIKEN comenzó a planificar un sistema de exaescala para 2020, destinado a consumir menos de 30 megavatios. ^[41] En 2014, Fujitsu recibió un contrato de RIKEN para desarrollar una supercomputadora de próxima generación para suceder a la computadora K. El sucesor se llama Fugaku , y tiene como objetivo tener un rendimiento de al menos 1 exaFLOPS, y estar completamente operativo en 2021. En 2015, Fujitsu anunció en la Conferencia Internacional de Supercomputación que esta supercomputadora utilizaría procesadores que implementaran la arquitectura ARMv8 con extensiones que estaba co-diseñando con ARM Limited . ^[42] Se puso parcialmente en funcionamiento en junio de 2020 ^[25] y logró 1,42 exaFLOPS (fp16 con precisión fp64) en el benchmark HPL-AI, lo que la convirtió en la primera supercomputadora que logró 1 exaFLOPS. ^[43] Bautizada con el nombre del monte Fuji, el pico más alto de Japón, Fugaku mantuvo el puesto número 1 en el ranking de velocidad de cálculo de supercomputadoras Top 500 anunciado el 17 de noviembre de 2020, alcanzando una velocidad de cálculo de 442 cuatrillones de cálculos por segundo, o 0,442 exaFLOPS. ^[44]

En mayo de 2026, Japón tendrá su primera supercomputadora a exaescala. En otras palabras, el país tendrá una supercomputadora a exaescala en ese momento. Japón también será el segundo país en tener al menos una supercomputadora a exaescala después de Estados Unidos, que solo tuvo una supercomputadora a exaescala durante aproximadamente dos años, entre mayo de 2022 y mayo de 2024. ^{[ cita requerida ]}

En junio de 2022, China tenía dos de las diez supercomputadoras más rápidas del mundo. Según el plan nacional para la próxima generación de computadoras de alto rendimiento y el director de la escuela de informática de la Universidad Nacional de Tecnología de Defensa (NUDT), China debía desarrollar una computadora de exaescala durante el período del 13.º Plan Quinquenal (2016-2020) que entraría en servicio en la segunda mitad de 2020. ^[45] El gobierno de la Nueva Área Binhai de Tianjin, NUDT y el Centro Nacional de Supercomputación de Tianjin están trabajando en el proyecto. Después de Tianhe-1 y Tianhe-2 , se planea que el sucesor de la exaescala se llame Tianhe-3. A partir de 2023, se informa que China tiene dos computadoras de exaescala operativas; Tianhe-3 y Sunway OceanLight, y se está construyendo una tercera. Ninguna está en el Top500. ^{[46] [47]}

Véase también Supercomputación en Europa

En 2011, se iniciaron en la Unión Europea varios proyectos destinados a desarrollar tecnologías y software para computación a exaescala. El proyecto CRESTA (Investigación colaborativa sobre software, herramientas y aplicaciones de sistemas a exaescala), ^[48] el proyecto DEEP (Plataforma dinámica de entrada a exaescala) ^[49] y el proyecto Mont-Blanc. ^[50] Un importante proyecto europeo basado en la transición a exaescala es el proyecto MaX (Materiales a exaescala). ^[51] El Centro de excelencia orientado a la energía (EoCoE) explota las tecnologías a exaescala para apoyar la investigación y las aplicaciones de energía libre de carbono. ^[52]

En 2015, el proyecto Scalable, Energy-Efficient, Resilient and Transparent Software Adaptation (SERT), un importante proyecto de investigación entre la Universidad de Manchester y el Laboratorio STFC Daresbury en Cheshire , recibió cerca de £1 millón del Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas del Reino Unido. El proyecto SERT debía comenzar en marzo de 2015. Será financiado por EPSRC bajo el programa Software for the Future II, y el proyecto se asociará con el Grupo de Análisis Numérico (NAG), Cluster Vision y el Consejo de Instalaciones Científicas y Tecnológicas (STFC). ^[53]

El 28 de septiembre de 2018, la UE creó formalmente la Empresa Común de Informática de Alto Rendimiento Europea (EuroHPC JU, por sus siglas en inglés). La EuroHPC JU tiene como objetivo construir un superordenador de exaescala para 2022/2023. La EuroHPC JU será financiada conjuntamente por sus miembros públicos con un presupuesto de alrededor de 1000 millones de euros. La contribución financiera de la UE es de 486 millones de euros. ^{[54] [55]}

En marzo de 2023, el gobierno del Reino Unido anunció que invertiría 900 millones de libras en el desarrollo de una computadora a exaescala. ^[56] Este proyecto fue cancelado en agosto de 2024. ^[57]

En junio de 2017, el Centro Nacional de Computación de Alto Rendimiento de Taiwán inició el esfuerzo hacia el diseño y construcción de la primera supercomputadora de exaescala taiwanesa al financiar la construcción de una nueva supercomputadora intermedia basada en una transferencia de tecnología completa de la corporación Fujitsu de Japón , que actualmente está construyendo la supercomputadora basada en IA más rápida y poderosa en Japón . ^{[58] [59] [60] [61] [62]} Además, se han realizado muchos otros esfuerzos independientes en Taiwán con el foco en el rápido desarrollo de la tecnología de supercomputación de exaescala, como Foxconn Corporation , que recientemente diseñó y construyó la supercomputadora más grande y rápida de todo Taiwán. Esta nueva supercomputadora Foxconn está diseñada para servir como un trampolín en la investigación y el desarrollo hacia el diseño y la construcción de una supercomputadora de exaescala de última generación. ^{[63] [64] [65] [66]}

En 2012, el Gobierno de la India propuso destinar 2.500 millones de dólares a la investigación en supercomputación durante el duodécimo período del plan quinquenal (2012-2017). El proyecto iba a estar a cargo del Instituto Indio de Ciencias (IISc) de Bangalore . ^[67] Además, más tarde se reveló que la India planea desarrollar una supercomputadora con una potencia de procesamiento en el rango de exaFLOPS . ^[68] Será desarrollada por C-DAC en los cinco años siguientes a su aprobación. ^[69] Estas supercomputadoras utilizarán microprocesadores desarrollados localmente por C-DAC en la India. ^[70] En 2023, en una presentación de CDAC, se prevé tener una supercomputadora de exaescala desarrollada localmente llamada Param Shankh. La Param Shankh estará impulsada por un procesador autóctono de 96 núcleos basado en la arquitectura ARM, que ha sido apodado AUM (ॐ). ^[71]

• Computación a petaescala
• Supercomputadora
• Computación superconductora
• Ingeniería neuromórfica
• Grandes datos
• Rendimiento informático por órdenes de magnitud
• Computación a escala Zetta

• Gropp, William (2009). "MPI a exaescala: desafíos para las estructuras de datos y algoritmos". Avances recientes en máquinas virtuales paralelas e interfaces de paso de mensajes . Lecture Notes in Computer Science. Vol. 5759. Berlín: Springer. p. 3. Bibcode :2009LNCS.5759....3G. doi :10.1007/978-3-642-03770-2_3. ISBN 978-3-642-03769-6. {{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda )
• Kirkley, John (22 de noviembre de 2011). "El camino hacia la exaescala: ¿puede ayudar la nanofotónica?". enterprisetech.com . Consultado el 11 de octubre de 2015 .

• La próxima generación de supercomputadoras de Estados Unidos: el desafío de la exaescala: audiencia ante el Subcomité de Energía, Comité de Ciencia, Espacio y Tecnología, Cámara de Representantes, 113.º Congreso, primera sesión, miércoles 22 de mayo de 2013.
• ProyectoExascale.org