<Direto ao Ponto 10> Os Supercomputadores

Artigos desta série: ( < ) Anterior | Índice | Seguinte ( > )

Olá, dev!

Este artigo faz parte da NOVA série DIRETO AO PONTO, que eu estou escrevendo para a DIO.

Ele vai tratar dos supercomputadores, do primeiro (nos anos 60! Acredite!!!) até os de hoje, inclusive no Brasil.

Sumário

1.  Introdução

2.  Os supercomputadores

3.  Considerações finais

4.  Referências

1 – Introdução

A NOVA série DIRETO AO PONTO enfoca artigos básicos sobre a programação e é voltada, principalmente, para os iniciantes.

Serão publicados artigos técnicos e artigos com histórias relacionadas à computação/programação, um artigo por semana, sempre no início da semana, pela manhã.

Neste artigo que você lê agora, serão apresentados os supercomputadores, cuja história começou nos anos 60 e, agora, existem modelos que realizam quintilhões de operações complexas por segundo, voltados para aplicações específicas de altíssimo desempenho, inclusive no Brasil.

2 – Os supercomputadores

Para quem acha que os supercomputadores só apareceram nos últimos 10 anos, por conta dos saltos tecnológicos que vivemos, vai ficar surpreso ao saber que, na década de 60, já havia supercomputadores. Eles foram criados com o objetivo de realizar cálculos extremamente complexos e processar grandes volumes de dados, geralmente para aplicações científicas e de pesquisa.

Os primeiros supercomputadores, com maior relevância, foram estes, segundo [1] e [2]:

IBM STRETCH (1961) – O modelo IBM 7030 (ver imagem abaixo) era notável, incorporando várias inovações técnicas. Foi usado em pesquisas importantes e influenciou o design de supercomputadores subsequentes; 

CDC 6600 (1964) – É considerado o primeiro supercomputador de fato da história (ver imagem abaixo). Foi desenvolvido pela empresa CDC (“Control Data Corporation”) e criado por Seymour Cray. Ele iniciou a era dos computadores de alto desempenho e estabeleceu um padrão para os supercomputadores.

Apresentava um desempenho significativo em relação aos computadores da época. Lembre-se que, nessa época, só havia os primeiros computadores gigantes, que usavam válvulas, não é?

As suas principais características eram:

•         Desempenho – era muito mais rápido que os computadores contemporâneos, chegando a 3 MIPS (milhões de instruções por segundo - lê-se “mips”);

•         Tecnologia – foi um dos primeiros computadores a usar transistores em lugar de válvulas, o que contribuiu para sua eficiência e confiabilidade, e diferença de desempenho em relação aos demais computadores da época;

•         Arquitetura – inovadora, incluindo um pipeline de instruções, permitindo a execução simultânea de várias instruções;

•         Aplicação – usado principalmente para aplicações científicas e de pesquisa, como simulações de armas nucleares;

Illiac IV (1966) – Foi um dos primeiros supercomputadores paralelos, usado em aplicações científicas e de pesquisa;

CDC 7600 (1969) – Também foi criado por Seymour Cray e desenvolvido pela empresa CDC. Era uma evolução do CDC 6600, apresentando um desempenho bem melhor do que o anterior.

CDC Star-100 (1974) – Introduziu a arquitetura vetorial e foi usado até para simulações de armas nucleares;

Cray-1 (1976) – Este foi um dos computadores mais icônicos projetados por Seymour Cray (ver imagem abaixo). Ele tinha um design circular e inovou ao usar resfriamento por imersão em fluido. Apresentava um desempenho excepcional para a época, em torno de 80 MFLOPS (milhões de instruções de ponto flutuante por segundo – lê-se “megaflops”);

Após estes primeiros supercomputadores marcantes, os avanços continuaram, e muitos supercomputadores foram criados, sempre incluindo inovações e melhorando os seus desempenhos. As empresas que se destacaram na criação de supercomputadores foram CDC, Cray Research, IBM, NEC e Thinking Machines.

Segundo [3], as aplicações atuais dos supercomputadores incluem previsão do tempo, descoberta de novos remédios, cálculos astronômicos, simulações físicas, modelagem de moléculas, entre outras.

A diferença entre as unidades MIPS e MFLOPS é que a primeira mede a quantidade de instruções executadas por segundo, quaisquer que sejam elas, enquanto a segunda mede apenas a quantidade de instruções de operações em ponto flutuante executadas por segundo, mais complexas do que todas as outras instruções.

Na década de 70 e 80, o desempenho dos supercomputadores era medido em MFLOPS e hoje ele é medido em PFLOPS (Quatrilhões de FLOPS – lê-se “petaflops”) e até EFLOPS (Quintilhões de FLOPS – lê-se “ezaflops”, do prefixo “exa”).

Duas vezes por ano, uma organização [4] lança uma lista dos 500 supercomputadores com melhor desempenho instalados no mundo todo, e outra lista com os de melhor eficiência energética. A versão mais recente dessas listas foi publicada em novembro de 2023.

A seguir, são apresentados os 4 primeiros da lista de melhor desempenho:

1º - Frontier (1,2 EFLOPS) - Único supercomputador atual com desempenho na casa dos ExaFLOPS, está instalado no Laboratório Nacional de Oak Ridge, EUA (ver imagem abaixo). Usa processadores AMD EPYC 64C, de 2GHz, e tem quase 8.700 núcleos combinados de CPU e GP;

2º – Aurora (585 PFLOPS) – Este desempenho de 0,58 EFLOPS foi medido  apenas com metade do sistema final planejado, mas deve chegar a 2 EFLOPS quando completamente concluído. Instalado também nos EUA, é desenvolvido pela Intel, usando chips “Sapphire Rapids”, da Intel. É refrigerado à água;

3º – Eagle (561 PFLOPS) - Instalado na nuvem Azure da Microsoft, nos EUA, é o sistema de nuvem com classificação mais alta alcançada na lista dos TOP500. É um sistema Microsoft NDv5, baseado nos processadores Intel Xeon Platinum 8480C e aceleradores NVIDIA H100;

4º - Fugaku (442 PFLOPS) – Ocupou o primeiro lugar de junho de 2020 a novembro de 2021. Este sistema fica em Kobe, no Japão, e ainda é o sistema fora dos EUA com melhor classificação na lista.

Essa lista tem 9 supercomputadores brasileiros (instalados no Brasil), sendo 6 só da Petrobrás (5 deles entre os 200 melhores); os outros 3 são:

•         Iara (205º), da SiDi (empresa de software e pesquisa);

•         NOBZ1 (217º), da MBZ (empresa de software);

•         A16A (475º), da MBZ (empresa de software).

Dos 9, o melhor colocado da lista é o Pégaso (ver imagem abaixo), da Petrobrás, que aparece na posição 45 em desempenho (19 PFLOPS) e 47 em eficiência energética, sendo o 1º da América Latina nos dois rankings. Na lista divulgada em novembro de 2022 [5], o Pégaso estava em 33º em desempenho e em 39º em eficiência energética.

Outro supercomputador da Petrobrás, Dragão (ver figura abaixo), com 8PFLOPS, aparece na lista entre os 100 melhores, figurando em 88º lugar.

Você pode se perguntar o que um supercomputador pode fazer na Petrobrás. Segundo [6], eles realizam o processamento de dados geofísicos e simulações do comportamento dos reservatórios de hidrocarbonetos, permitindo a geração de imagens da subsuperfície de áreas mapeadas para produção e exploração de petróleo e gás natural. Com isso, os riscos geológicos e operacionais para essas atividades são reduzidos.

Entre os supercomputadores instalados no Brasil, também merece destaque o Tupã (ver imagem a seguir). É um supercomputador do Instituto de Pesquisas Espaciais (INPE), instalado no Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos (CPTEC), em Cachoeira Paulista-SP.  

Segundo [7], ele é utilizado para a realização de análises meteorológicas complexas, previsões climáticas e previsão de eventos extremos, como chuvas torrenciais em regiões críticas do país, com até 2 dias de antecedência.

O Tupã é um supercomputador Cray XE6 com capacidade de 214 TFLOPS (TeraFLOPS), contendo 31 mil núcleos AMD Opteron, com mais de 45 TB de RAM no total, todos conectados por módulos Cray Gemini de alta capacidade, rodando no sistema proprietário CrayLinux OS.

Ele iniciou suas operações em 2010, com previsão de uso por 6 anos e foi comprado pelo valor de 50 milhões de reais. Atualmente, o Tupã está extremamente defasado, com dificuldade de manutenção e inexistência de peças de reposição, pois o modelo deixou de ser fabricado há anos.

Em 2021, o INPE anunciou que iria desligar o Tupã [8], por causa de um grande corte, por parte do Governo Federal, no orçamento reservado para o órgão, mas, felizmente, esse desligamento não ocorreu.

Ainda segundo [4], em 2023, o Governo Federal anunciou que iria comprar um novo supercomputador para o CPTEC, orçado em 200 milhões de reais, e o Tupã poderá ser aposentado.

Além da aquisição do novo supercomputador, um novo modelo numérico para previsão de tempo e de clima, chamado Monan, está em desenvolvimento pela comunidade científica brasileira, sob comando do Inpe.

Estes dados alimentarão bilhões de equações matemáticas para dar uma exatidão de até 90% nos locais onde são usados.

Para isso, também vai ser preciso aumentar a rede de captação de dados de tempo e clima (estações meteorológicas, radiossondagens, oceanos, temperatura, pressão, vento etc.)

O supercomputador deve estar totalmente instalado até 2026, em quatro etapas anuais e poderá gerar previsões com 24 a 72 horas de antecedência. 

Com o novo supercomputador, o custo de consumo de energia vai cair de forma significativa, pois, além de mais moderno e econômico, ele será abastecido por uma planta de energia solar. Deve ser o primeiro supercomputador do mundo abastecido por energia solar.

Você pode achar que eu estiquei muito esse assunto do CPTEC, mas ele faz parte da minha vida profissional. Entre 1993 e 2005, eu trabalhei no Laboratório de Meteorologia, Recursos Hídricos e Sensoriamento Remoto da Paraíba (LMRS-PB), órgão estadual, e, em parceria, fiz várias capacitações no CPTEC.

Eu conheci os supercomputadores do CPTEC em duas oportunidades, antes da chegada do Tupã. Na primeira, o modelo era um NEC SX-3, de 3 GFLOPS, e na outra era um NEC SX-4, de 16 GFLOPS.

3 – Considerações finais

Este é mais um artigo da série DIRETO AO PONTO, que eu estou escrevendo para a DIO. Ele tratou dos supercomputadores, dos primeiros, inovadores, até os atuais, indispensáveis para aplicações de alto desempenho.

Os primeiros computadores da história ocupavam uma sala inteira e apresentavam um desempenho comparável às primeiras calculadoras eletrônicas.

Mesmo com o avanço tecnológico e a redução do tamanho dos computadores, os supercomputadores ocupam uma sala inteira, só que voltados para aplicações extremamente complexas e de altíssimo desempenho.

Eles são implementados com o melhor da tecnologia em cada época e fazem uso intensivo de paralelismo, pipelines e arquiteturas avançadas.

As aplicações atuais incluem previsão do tempo, descoberta de novos remédios, cálculos astronômicos, simulações físicas, entre outras.

No Brasil têm vários deles entre os melhores do mundo, vários na Petrobrás, 5 deles entre os 200 mais rápidos do mundo.

Um desempenho melhor do que os dos supercomputadores pode ser esperado das tecnologias e inovações disruptivas que estão surgindo e sendo aplicadas aos computadores do futuro.

No próximo artigo, eu vou apresentar esses brinquedinhos.

4 – Referências

[1] CAP/Computação Aplicada – INPE. Disponível em: <http://www.lac.inpe.br/~stephan/CAP-372/supercomputing21.pdf>. Acessado em: 30/01/2024.

[2] Supercomputadores: o que são, como funcionam e história. Disponível em: <https://www.techtudo.com.br/guia/2023/07/supercomputadores-o-que-sao-como-funcionam-e-historia-edinfoeletro.ghtml>. Acessado em: 30/01/2024.

[3] Nadeem Aftab, Supercomputers: The Fastest Computers in the World. Disponível em: <https://medium.com/illumination/supercomputers-the-fastest-computers-in-the-world-3aed2d6e0e11>. Acessado em: 30/01/2024.

[4] Top 500 The List NOVEMBER 2023. Disponível em: <https://www.top500.org/lists/top500/2023/11/>. Acessado em: 30/01/2024.

[5] Top 500 dos supercomputadores: Brasil emplaca 6 máquinas no ranking mundial. Disponível em: <https://www.uol.com.br/tilt/noticias/redacao/2022/11/21/supercomputadores-top-500-brasil.htm>. Acessado em: 30/01/2024.

[6] Petrobras vira líder em supercomputadores ecoeficientes fora de EUA e China. Disponível em: <https://www.uol.com.br/tilt/noticias/redacao/2023/09/06/petrobras-vira-lider-em-supercomputadores-ecoeficientes-fora-de-eua-e-china.htm>. Acessado em: 30/01/2024.

[7] Novo supercomputador promete revolucionar a previsão do tempo e clima no Brasil. Disponível em: <https://olhardigital.com.br/2023/02/25/ciencia-e-espaco/novo-supercomputador-vai-revolucionar-a-previsao-do-tempo-no-brasil/>. Acessado em: 30/01/2024.

[8] Sem supercomputador, Brasil pode estagnar em sistemas de previsão do tempo. Disponível em: <https://www.uol.com.br/tilt/noticias/redacao/2021/07/13/substituicao-do-supercomputador-tupa-pode-deixar-pais-estagnado.htm>. Acessado em: 30/01/2024.

Artigos desta série: ( < ) Anterior | Índice | Seguinte ( > )