O que é um Supercomputador?

Um supercomputador, ou Computador de Alto Desempenho, como o nome já diz, é um computador com níveis superiores de performance se comparado a um computador convencional.

Geralmente, esses níveis de performance são mensurados na quantidade de operações de pontos flutuantes por segundo, ou FLOPS, em vez da quantidade de instruções por segundos.

Este artigo, como você já deve suspeitar, irá abordar o que são os supercomputadores, as origens da computação de alto desempenho, as principais fabricantes de supercomputadores, os motivos por trás do seu desenvolvimento e utilização, bem como algumas curiosidades sobre os essas monstruosas máquinas.

Definição

A definição geral de um supercomputador já foi abordada no início do texto, mas você sabia que para obter tal nome, uma máquina deve operar em uma quantidade específica de FLOPS?

Um supercomputador, segundo a empresa alemã de desenvolvimento de softwares, Suse, supercomputadores são máquinas que contém milhares de processadores e podem realizar bilhões ou trilhões cálculos computacionais por segundo.

Alguns supercomputadores podem chegar até centenas de quadrilhões de FLOPS, que como dito lá em cima, são operações de pontos flutuantes por segundo.

A IBM (quem não conhece este nome?) afirma que, diferentemente dos computadores tradicionais, um supercomputador utiliza mais de uma CPU, agrupadas em nódulos que comprimem um processador, ou um grupo de processadores e um bloco de memória. Tal técnica é chamada de multiprocessamento simétrico (SMP – Symmetric multiprocessing).

Com isso, geralmente, um supercomputador pode ter dezenas de milhares de nódulos, que com recursos de comunicação interconectadas, permitem a resolução de problemas específicos.

Além disso, usando a interconexão, tais nódulos podem se comunicar com sistemas I/O, como armazenamento de dados e sistemas de rede.

Processo paralelo

O computador é uma máquina cujo propósito geral é obter informações (dados) através de um processo de inserção de dados, armazenamento e processamento que gera alguma forma de resultado. Esse processo é chamado de processamento serial, ou em série.

Em um supercomputador o trabalho é feito de uma forma diferente, usando o processamento paralelo em vez do processamento em série, realizando tarefas múltiplas ao mesmo tempo.

Portanto, um supercomputador moderno trabalha de forma mais rápida ao dividir os problemas matemáticos em partes iguais e executando os cálculos nessas partes em simultâneo.

Linux

Em novembro do ano passado, foi lançado o ranking dos 500 melhores supercomputadores do mundo, Top500, que constatou que o Linux está presente em todas essas máquinas.

O Top500 surgiu em 1993 para realizar benchmarks de supercomputadores, publicando os detalhes sobre os 500 melhores supercomputadores anualmente.

Segundo o último ranking, a principal razão pelo uso massivo do Linux como sistema operacional de um supercomputador se dá pela sua natureza de código aberto.

Um supercomputador é um dispositivo criado para propósitos específicos (falaremos em breve sobre isso), o que demanda um sistema operacional que possa ser personalizado para atender tais propósitos.

Sendo assim, times de engenharia podem personalizar o sistema operacional de seus supercomputadores da maneira mais conveniente para atender suas necessidades.

Nos primórdios da computação de alto desempenho, cada supercomputador tinha um sistema operacional específico.

História do Supercomputador

Embora a atenção da mídia aos supercomputadores surja nas duas últimas décadas, o conceito de supercomputador já existe há um bom tempo, mais precisamente, desde as décadas de 1950 e 1960.

Além disso, o termo “Super Computação” existe há mais de 90 anos, utilizado pela primeira vez por um jornal americano, em 1929, para se referir a uma gigante máquina tabuladora desenvolvida pela IBM para a Universidade de Columbia, de Nova York.

Enfim, a supercomputação e o supercomputador foram inventados bem antes dos computadores pessoais (PC), construídos em grandes centros de computação nos EUA e na União Soviética durante a Guerra Fria.

A Guerra Fria, aliás, foi o que acelerou o trabalho para a criação de supercomputadores, sobretudo devido à corrida espacial disputada entre as duas grandes potências desse período.

Em suma, o progresso dos supercomputadores começa na década de 1950 quando o governo americano passa a investir regularmente no desenvolvimento de tecnologias de alta performance para uso militar.

A viagem à Lua, um dos maiores feitos da humanidade, só ocorreu pela criação de máquinas com capacidade de realizar cálculos mais complexos em uma maior velocidade.

Portanto, em 1954, para fins de Defesa Nacional, o primeiro supercomputador foi criado: O NORC. Desenvolvido pela IBM e instalado na Base Naval de Dahlgren, nos Estados Unidos.

O NORC conseguia fazer cálculos em 67 kOPS, ou seja, 67 mil operações por segundo, quando a unidade de medida dos supercomputadores ainda era OPS, operações por segundo.

Sete anos após a criação do NORC, a IBM Lançou o 7030, conhecido popularmente como Stretch, em 1961, o supercomputador mais rápido até 1964, quando o CDC 6600 foi lançado.

A construção do Stretch começou em 1956, com o investimento de 4,3 milhões de dólares (US$ 44 milhões em 2021) e durou 42 meses. De acordo com a IBM, foi após o lançamento do Stretch e do UNIVAC LARC, que o termo supercomputador entrou em uso geral.

Uso comercial

Embora, inicialmente, os supercomputadores eram produzidos em quantidades limitadas para uso governamental, a tecnologia desenvolvida durante esse período iria chegar aos setores industriais e comerciais nas décadas seguintes.

Duas empresas americanas, a CDC (Control Data Corporation) e a Cray Research, lideraram o movimento para o uso comercial do supercomputador a partir da segunda metade dos anos 1960.

O CDC 6600, desenvolvido por Seymour Cray — considerado o pai da supercomputação —, é considerado o primeiro supercomputador comercial de sucesso.

Após deixar a CDC, Seymour Cray e inicia o período considerado como a Era Cray, quando a Cray Research dominou o mercado de supercomputadores durante as décadas de 1970 e 1980.

O Cray-1, lançado em 1976, é um dos primeiros supercomputadores a utilizar circuitos integrados, com a capacidade de realizar cálculos em 160 megaFLOPS, com o fim de realizar pesquisas aerodinâmicas e meteorológicas.

O fim da Era Cray chega após outras companhias começarem a desenvolver supercomputadores mais baratos através do processamento paralelo.

Propósitos de um Supercomputador

Como dito acima, os primeiros supercomputadores eram utilizados essencialmente para pesquisas em aerodinâmica e meteorologia.

No entanto, as décadas posteriores ao lançamento do Cray marcam o início do uso de supercomputadores para análises probabilísticas e em proteção radiológica.

Os anos 1990 são o período em que os supercomputadores começaram a ser usados para a cibersegurança e até mesmo para simulações de testes nucleares em 3D.

Os supercomputadores atuais, essencialmente, são usados para executar tarefas com o intenso uso de dados e processamento para propósitos científicos e de engenharia, como mecânica quântica, previsão climática, exploração de petróleo e gás natural, modelagem molecular, aerodinâmica, fusão nuclear e criptoanalise.

No caso da exploração de petróleo, os supercomputadores convertem dados sísmicos em mapas para indicar onde estão os locais ideias para perfuração.

Um supercomputador pode calcular dinâmicas de fluidos (hidrodinâmica) em automóveis através de simulações de engenharia para analisar a eficiência aerodinâmica. Semelhantemente, simulações de engenharia mecânica que calculam as cargas de uma estrutura inteira podem determinar onde estão os pontos fracos e identificar a pressão no veículo.

Além disso, nos últimos anos, supercomputadores estão diretamente ligados ao desenvolvimento de inteligência artificial, ao Data Science e ao machine learning.  O vídeo abaixo explica como os supercomputadores estão presentes na nossa realidade.

Os Estados Unidos e a China são os principais fabricantes de supercomputadores

Entre os cinco principais fabricantes de supercomputadores, a China e os EUA são os que possuem a maior quantidade de máquinas de alto desempenho. O país asiático possui 37,6% das máquinas na lista do TOP500 de junho deste ano.

Embora os Estados Unidos fiquem um pouco atrás da China, com 24,4%, de acordo com a análise da TOP500, os supercomputadores americanos possuem um desempenho superior às máquinas chinesas.

Em seguida aparecem o Japão, a Alemanha e a França, com 6,8%, 4,6% e 3,2%, respectivamente.  O Brasil ocupa a 11ª posição do ranking, com seis supercomputadores representando o país.

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Voltando a falar sobre os EUA e a China, em 2013, a China lançou o Tianhe-2A, com desempenho de 125 petaFLOPS, assumindo o primeiro lugar entre os 500 melhores computadores por três anos.

O Tianhe-2A possuía um processador da Intel, o que tornou a conquista chinesa menos surpreendente.

Em 2016, o Tianhe-2A perde o posto para outro supercomputador chinês, o TaihuLight, com 140 petaFLOPS, que se torna o orgulho da nação por ter sido construído usando apenas tecnologia chinesa e fica no topo até 2018.

No entanto, os Estados Unidos recuperam o posto revelando o Summit, um supercomputador fabricado pela IBM equipado com processadores da Nvidia, alcançando a velocidade de 200 petaFLOPS.

Financiado pelo governo americano, o Summit foi desenvolvido para lidar com tarefas relacionadas aos campos da física nuclear, sismologia e ciência climática.

Além disso, no mesmo ano o supercomputador Sierra é lançado, utilizado pelo governo americano, alcançando 125 petaFLOPS de velocidade, para simulação de ogivas nucleares.

Contudo, essa recuperação não significa que o topo da guerra tecnológica entre EUA e China já tem dono. Na verdade, a China pode recuperar o primeiro lugar em breve, pois o país trabalha para ser a primeira nação a alcançar a próxima etapa da supercomputação: a computação de exaescala.

Sistemas de exaescala conseguirão alcançar a velocidade de exaflops (um bilhão de operações por segundo). Dois protótipos já foram revelados, mas até então, ao contrário do que havia sido prometido pelo governo chinês, nenhum supercomputador de exaescala foi lançado.

Por outro lado, o atual supercomputador mais potente do mundo é de outro país japonês.

Fugaku: o maior supercomputador

Em junho de 2020, o supercomputador Fugaku, baseado em tecnologia Arm e desenvolvido pelo instituto de pesquisa RIKEN, em parceria com a empresa Fujitsu, assumiu o primeiro lugar na lista TOP500 melhores supercomputadores do mundo.

O Fugaku possui uma velocidade de 415,53 petaflops, superando o Summit e o Sierra, que caíram para o segundo e terceiro lugar, respectivamente.

Instalado no Centro de Ciência da Computação do instituto RIKEN, em Kobe, no Japão, o Fugaku é o fruto do plano nacional de desenvolvimento de supercomputação do Japão e será usado em aplicações de cunho científico e social.

Os principais usos do Fugaku serão em áreas como a farmacêutica — na descoberta de drogas e no uso personalizado e preventivo de medicações —, em simulações de desastres naturais; na criação, uso e armazenamento de energia; em novos processos de produção industrial.

Além disso, assim como o Summit, o Fugaku foi utilizado, de maneira experimental, para a pesquisa durante a pandemia da COVID-19, incluindo diagnósticos, tratamentos e simulações de como o vírus se espalha.

Leia mais: IBM disponibiliza o supercomputador Summit para pesquisas contra o coronavírus

No último TOP500, realizado em junho deste ano, o Fugaku manteve o topo da lista e foi considerado o primeiro supercomputador de exaescala devido ao seu desempenho em tarefas de machine learning e inteligência artificial, que ultrapassaram 1 exaflop.

Considerações Finais — Futuro da Supercomputação

Os principais países fabricantes de supercomputadores estão em uma corrida acirrada para desenvolver o supercomputador mais rápido do planeta, que atinja a Exaescala.

Essa corrida não acontece apenas pela demonstração de poder tecnológico e econômico.

Na verdade, em um mundo pós-pandemia, há diversos fatores contribuindo para aceleração do desenvolvimento daquilo que será a nova de geração de supercomputadores.

Apesar do alto custo na criação de um supercomputador, os países perceberam a importância dos supercomputadores para o desenvolvimento de vacinas e outras formas de combate à pandemia.

O fator militar também é um dos principais motivos para o investimento em computação de alto desempenho, tendo em vista que o combate moderno, bem como outros própositos militares, dependem demasiadamente desses sistemas.

Por exemplo, supercomputadores são usados para o desenvolvimento de armas, quebra de códigos criptografados, análise de conflitos armados e na garantia de futuras ameaças.

Desse modo, o Laboratório Nacional de Oak Ridge, no Tennessee, está desenvolvendo o supercomputador Frontier, que pretende alcançar a velocidade de 1,5 exaFLOPS, com previsão de lançamento para dezembro deste ano.

A China também está nessa corrida. O país desenvolve atualmente três máquinas para chegar na exaescala.

A previsão é de que no final desta década, e no início da próxima, haverá computadores com dezenas e, até mesmo, centenas de exaFLOPS. Em 2036, é possível que vejamos a chegada do primeiro computador com desempenho em zettaFLOPS, operando em um setilhão (1.000.000.000.000.000.000.000.000) por segundo.

Por fim, de acordo com o gráfico de projeção de desempenho do TOP500, é possível que vejamos um supercomputador chegar à escala yotta em 2050. Quem viver, verá.