¿Qué es una supercomputadora? - Origen, características, usos y evolución.

Una supercomputadora es una unidad de procesamiento extremadamente poderosa que realiza cálculos complejos y procesa grandes volúmenes de datos a velocidades asombrosas. El extraordinario potencial de estos sistemas de alto rendimiento ha servido para impulsar importantes avances en diversos campos. En este contexto, hacemos una revisión de qué es una supercomputadora, su origen, características y otros aspectos relevantes.

Las supercomputadoras o superordenadores, transformaron el panorama de la informática y la computación moderna. Estos sistemas nos colocan en una era en la que procesar cantidades ingentes de datos con un rendimiento sin precedentes no es sólo una posibilidad, sino una realidad.

De hecho, las supercomputadoras revolucionaron diversos campos, desde la investigación científica y la predicción meteorológica hasta la inteligencia artificial y las simulaciones complejas.

¿Cuál es el origen de las supercomputadoras?

El fascinante viaje de las supercomputadoras hunde sus raíces en una época crucial de la historia de la informática. A medida que crecía la demanda de ordenadores más rápidos y potentes, visionarios e ingenieros trataron de crear máquinas capaces de realizar tareas complejas con una rapidez y eficacia sin precedentes. Esta búsqueda desembocó en la aparición de lo que hoy conocemos como supercomputadoras.

La historia de los superordenadores se remonta a la década de 1960, cuando se acuñó el término para describir máquinas informáticas con una potencia de procesamiento significativamente superior a la de los ordenadores convencionales.

El CDC 6600 de Control Data Corporation, desarrollado en 1964 por el ingeniero Seymour Cray, suele considerarse una de las primeras supercomputadoras. Su innovador diseño, con múltiples unidades de procesamiento trabajando en paralelo, sentó las bases de la revolución de la supercomputación.

Esta máquina era capaz de realizar tres millones de operaciones en coma flotante por segundo (FLOPS), tres veces más rápido que el anterior poseedor del récord, el IBM 7030 Stretch. El CDC 6600 también introdujo características como procesadores múltiples, aritmética vectorial y pipelining, aspectos que se convirtieron en propiedades habituales en las supercomputadoras posteriores.

¿Cómo funciona una supercomputadora?

Los superordenadores alcanzan su extraordinaria potencia mediante el procesamiento paralelo. Esta técnica consiste en dividir tareas complejas en otras más pequeñas y resolverlas simultáneamente.

Una computadora convencional depende de un único procesador. Sin embargo, los superordenadores cuentan con varios procesadores o núcleos que trabajan juntos para procesar grandes cantidades de datos a velocidades extraordinarias.

Esta arquitectura paralela permite a los superordenadores realizar cálculos complejos, simulaciones y análisis de datos que serían impracticables para los ordenadores convencionales.

¿Cuáles son los principales usos de las supercomputadoras?

Los superordenadores se utilizan para una amplia gama de tareas de cálculo intensivo en diversos campos, siendo los principales:

• Física: las supercomputadoras pueden simular el comportamiento de la materia y la energía a diferentes escalas. Esto se refiere desde las partículas subatómicas hasta las galaxias. Por ejemplo, los superordenadores permiten estudiar el origen y la evolución del universo, la estructura y las propiedades de los materiales, la fusión y fisión nuclear y más.
• Biología: gracias a sus extraordinarias capacidades, las supercomputadoras pueden modelizar la estructura y función de moléculas, células, órganos y sistemas biológicos. Esto permite su uso en el análisis del genoma humano, el diseño de nuevos fármacos y vacunas, y el desarrollo de órganos y tejidos artificiales, entre otros.
• Meteorología: Estos dispositivos pueden predecir el tiempo y el clima resolviendo complejas ecuaciones que describen la dinámica de la atmósfera y los océanos. De este modo, se usan para predecir huracanes, tornados, inundaciones, sequías y el calentamiento global.
• Ingeniería: el alto rendimiento de estos aparatos permite probar y optimizar el diseño de diversos productos y estructuras realizando experimentos y análisis virtuales. Por ejemplo, para mejorar la aerodinámica de aviones y coches, aumentar la seguridad de edificios y puentes. Así como para reducir el impacto ambiental de los procesos industriales.
• Inteligencia artificial: el alto potencial de las supercomputadoras es ideal para procesar grandes cantidades de datos y aprender de patrones y correlaciones mediante algoritmos de aprendizaje automático. Esto es de gran utilidad para reconocer caras y voces, traducir idiomas, jugar, generar imágenes y textos y ayudar en la toma de decisiones.

¿Qué características tienen las supercomputadoras?

Las supercomputadoras son maravillas del ingenio tecnológico diseñadas para realizar los cálculos más complejos. Para alcanzar estos altos niveles de rendimiento, las supercomputadoras incluyen las siguientes características:

• Potencia de procesamiento: quizá la característica más definitoria de los superordenadores sea su extraordinaria potencia de procesamiento. Estas máquinas están equipadas con múltiples procesadores o núcleos que trabajan en paralelo, lo que les permite ejecutar cálculos intrincados y simulaciones a velocidades alucinantes. Esta arquitectura paralela es una característica fundamental que sustenta el extraordinario rendimiento de los superordenadores.
• Métricas de rendimiento: el rendimiento de las supercomputadoras suele medirse en teraflops (billones de operaciones de coma flotante por segundo) o incluso petaflops (cuatrillones de operaciones de coma flotante por segundo). Estas métricas reflejan la magnitud de los cálculos que un superordenador puede realizar en un solo segundo. Además, evidencia la capacidad para procesar grandes cantidades de datos con una eficiencia excepcional.
• Memoria y almacenamiento: las supercomputadoras disponen de una gran capacidad de memoria para albergar grandes conjuntos de datos y algoritmos complejos. La memoria de alta velocidad garantiza un acceso rápido a los datos, minimizando los retrasos en el procesamiento. Además, los superordenadores suelen contar con sistemas de almacenamiento masivo, capaces de almacenar y recuperar volúmenes colosales de información.
• Arquitectura paralela: el procesamiento paralelo es la base de las capacidades de las supercomputadoras. Esta arquitectura divide las tareas en componentes más pequeños y los procesa simultáneamente, lo que acelera considerablemente el cálculo. Las interconexiones avanzadas facilitan la comunicación fluida entre procesadores, lo que permite un intercambio de datos y una sincronización eficiente.
• Hardware especializado: las supercomputadoras suelen incorporar componentes de hardware especializados adaptados a tareas específicas. Las unidades de procesamiento gráfico (GPU) y las matrices de puertas programables en campo (FPGA) se utilizan habitualmente para acelerar los cálculos, sobre todo en inteligencia artificial y simulaciones científicas.
• Sistemas de refrigeración: la inmensa potencia de procesamiento de las supercomputadoras genera un calor considerable, lo que requiere sofisticados sistemas de refrigeración para mantener temperaturas de funcionamiento óptimas. Por ello, estos sistemas emplean refrigeración líquida, técnicas avanzadas de refrigeración y soluciones de gestión térmica de alta eficiencia.
• Eficiencia energética: además de su formidable capacidad de procesamiento, los superordenadores son diseñados para ser energéticamente eficientes. Como el consumo de energía afecta directamente los costos de funcionamiento y el medio ambiente, estos sistemas incluyen componentes que ahorran energía y formas novedosas de enfriamiento. Esto equilibra el rendimiento con la sostenibilidad.
• Algoritmos innovadores: los algoritmos desarrollados para supercomputadoras se adaptan para explotar sus altas capacidades de procesamiento. En este sentido, investigadores y desarrolladores crean sofisticados algoritmos que dividen las tareas de forma eficiente entre los procesadores. Esto permite una utilización óptima de los recursos y maximiza el rendimiento.

¿Cuál fue el primer sistema operativo que usaron las supercomputadoras?

El camino de los primeros sistemas operativos (SO) de supercomputación comenzó con el sistema operativo Chippewa. Este dispositivo marcó un hito importante en la evolución de la tecnología computacional. Seymour Cray y su equipo de Control Data Corporation desarrolló en los años 60 el sistema operativo Chippewa para el superordenador CDC 6600.

El SO Chippewa fue útil para aprovechar las capacidades únicas de la innovadora arquitectura del CDC 6600. Este sistema operativo facilitaba la multitarea y presentaba una gestión de recursos eficientes. De esta forma, el superordenador podía ejecutar múltiples programas simultáneamente, una hazaña de vanguardia para la época.

Este sistema operativo sentó las bases del paradigma de procesamiento paralelo que se convertiría en un sello distintivo de la supercomputación. Aunque los superordenadores modernos han adoptado sistemas operativos más estandarizados, el SO Chippewa sigue siendo un testimonio del ingenio y la previsión de los primeros pioneros de la supercomputación.

Top 10 de súper computadoras en el mundo

Los superordenadores se han convertido en sinónimo de superación de los límites de la potencia de cálculo. Entre sus funciones, permiten avances científicos, simulaciones y análisis de datos a una escala sin precedentes. Seguidamente hacemos una revisión de los 10 superordenadores que actualmente dominan el panorama mundial:

1.- Fugaku: desarrollada por RIKEN y Fujitsu. Fugaku es la supercomputadora más rápida del mundo. Situada en Kobe, Japón, ostenta un asombroso rendimiento de más de 442 petaflops. Esta supercomputadora destaca en una amplia gama de aplicaciones, desde la investigación climática y el descubrimiento de fármacos hasta los avances impulsados por la IA.

2.- Summit: situada en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en Tennessee, Estados Unidos, es un centro neurálgico del poder computacional. Con un rendimiento máximo de aproximadamente 200 petaflops, es especialmente conocido por sus capacidades de IA. Summit desempeña un papel fundamental en la aceleración de la investigación en campos como la ciencia de los materiales y la genómica.

3.- Sierra: ubicada en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, en California. Esta supercomputadora se diseñó principalmente para simular armas nucleares. Sierra ofrece un rendimiento de unos 125 petaflops y desempeña un papel fundamental para garantizar la seguridad del arsenal nuclear de Estados Unidos.

4.- Sunway TaihuLight: si bien ya no ostenta el título de ser la supercomputadora más rápida del mundo, Sunway TaihuLight sigue siendo un notable contendiente. Situada en el Centro Nacional de Supercomputación de Wuxi en China, este sistema alcanza un rendimiento máximo de unos 93 petaflops. Su arquitectura única, basada en procesadores SW26010 de diseño chino, permite una capacidad de procesamiento excepcional.

5.- Tianhe-2A: está ubicada en el Centro Nacional de Supercomputación de Guangzhou en China. Tiene un rendimiento máximo de aproximadamente 61 petaflops. Tianhe-2A, también conocida como Milky Way 2A, es un sistema de avanzada que aporta contribuciones significativas a diversas simulaciones científicas y de ingeniería.

6.- Selene: está en la sede de NVIDIA de Santa Clara en California. Esta potente supercomputadora tiene con un rendimiento máximo de unos 63 petaflops. Sirve como recurso crucial para la investigación y la innovación en IA, haciendo avanzar tecnologías como el aprendizaje profundo y los sistemas autónomos.

7.- Módulo de refuerzo de JUWELS: situada en el Centro de Supercomputación de Jülich en Alemania, esta supercomputadora alcanza un rendimiento máximo de aproximadamente 44 petaflops. Esta potencia se utiliza ampliamente en la investigación en campos como la neurociencia, la modelización del clima y la energía.

8.- HPC5: es testimonio del compromiso de Italia con el avance tecnológico. Esta supercomputadora ofrece un rendimiento máximo de unos 35 petaflops. Situada en el Green Data Center de Eni S.p.A. en Lombardia, HPC5 contribuye significativamente a la investigación energética y la exploración de hidrocarburos.

9.- ABCI: operada por el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada de Japón, ABCI (AI Bridging Cloud Infrastructure) ofrece un rendimiento máximo de aproximadamente 20 petaflops. Como su nombre indica, este superordenador se centra principalmente en la investigación y el desarrollo de la IA, fomentando la innovación en el aprendizaje automático y el análisis de datos.

10.- SuperMUC-NG: ubicada en el Centro de Supercomputación Leibniz de Múnich en Alemania, SuperMUC-NG alcanza un rendimiento máximo de unos 26 petaflops. Desempeña un papel fundamental en la investigación científica europea, contribuyendo a avances en campos como la astrofísica, la dinámica de fluidos y la ciencia de materiales.

Estas supercomputadoras representan la cúspide de la tecnología computacional moderna, y cada una de ellas contribuye de forma única al progreso científico, la innovación tecnológica y nuestra comprensión del mundo que nos rodea. A medida que sigan evolucionando, estas máquinas abrirán nuevas fronteras del descubrimiento y darán forma al futuro de la informática.

¿Cómo han evolucionado los sistemas operativos en las supercomputadoras?

La evolución de los sistemas operativos en los superordenadores es un reflejo de los rápidos avances registrados en el campo de la informática en general. Estos sistemas experimentaron cambios significativos para adaptarse a las demandas únicas de la computación de alto rendimiento, incluyendo:

De sistemas específicos a genéricos

En los primeros tiempos de la supercomputación, cada máquina tenía su propio sistema operativo hecho a medida y optimizado para sus especificaciones de hardware. No obstante, este enfoque era costoso, complejo e incompatible con otros sistemas.

Por eso, desde mediados de los 80, los superordenadores adoptaron sistemas genéricos como UNIX o Linux, que son más portátiles, flexibles y estandarizados.

De los sistemas mononodos a los multinodos

Los superordenadores incrementaron su número de procesadores para lograr un mayor rendimiento. Por eso, aumentó su número de nodos o clusters que se comunican entre sí a través de interconexiones o redes.

Esto hizo necesario que los sistemas operativos soportaran el procesamiento paralelo, la computación distribuida, el equilibrio de carga, la tolerancia a fallos, etcétera. Por eso, desde principios de los años 90, los superordenadores utilizan sistemas multinodo. Gracias a esto pueden ejecutar distintos sistemas operativos o kernels en diferentes nodos según su papel o función.

De los sistemas de propósito general a los especializados

Dado los ámbitos de aplicación y las necesidades de los usuarios se diversificó, las supercomputadoras también diversificaban las características y capacidades de sus sistemas operativos.

Por ello, desde finales de los años 90, los superordenadores utilizan sistemas operativos especializados que se adaptan a tipos específicos de cargas de trabajo o aplicaciones. Por ejemplo, algunos sistemas están diseñados para la computación de alto rendimiento, que se centra en el cálculo y el análisis de datos a alta velocidad. Otros están diseñados para la computación de alto rendimiento, que se centra en la ejecución de un gran número de tareas independientes.

Estos avances subrayan la transformación y evolución de los sistemas operativos de los superordenadores, permitiéndoles aprovechar su inmensa potencia para una amplia gama de aplicaciones.

Ventajas y desventajas de las supercomputadoras

Dependiendo de sus aplicaciones y contextos, las supercomputadoras presentan una variedad de ventajas y desventajas, siendo las más notables:

Ventajas

• Potencia de procesamiento sin precedentes: los superordenadores abordan cálculos y simulaciones complejas con mayor rapidez que los ordenadores convencionales, impulsando el progreso científico y tecnológico.
• Simulaciones de avanzada: estos sistemas permiten intrincadas simulaciones en campos como la astrofísica, la modelización del clima y el descubrimiento de fármacos, lo que conduce a innovaciones revolucionarias.
• IA y aprendizaje automático: las capacidades que distinguen a las supercomputadoras aceleran el entrenamiento de la IA, impulsando avances en el reconocimiento de imágenes, el procesamiento del lenguaje y los coches autónomos.
• Simulaciones del mundo real: el alto rendimiento de estos sistemas permiten modelar escenarios del mundo real, ayudando a la preparación ante catástrofes, la planificación urbana y la investigación médica.
• Reducción de costes y plazos de comercialización: los superordenadores optimizan diseños para la industria aeroespacial, automovilística y arquitectónica, entre otros, reduciendo costes y plazos de comercialización.

Desventajas:

• Infraestructura costosa: construir y mantener la operatividad de una supercomputadora requiere importantes inversiones en hardware, refrigeración y consumo de energía.
• Conocimientos especializados: la programación para superordenadores exige conocimientos especializados, lo que limita el acceso a quienes poseen conocimientos técnicos avanzados.
• Software complejo: el desarrollo de software que aproveche plenamente el potencial de los superordenadores es un reto y requiere mucho tiempo.
• Impacto medioambiental: las operaciones que consumen mucha energía contribuyen a la huella de carbono, lo que requiere una refrigeración y una gestión de la energía eficientes.
• Aplicabilidad limitada: las supercomputadoras destacan en tareas específicas, pero pueden no ser prácticas para las necesidades informáticas cotidianas.

Equilibrar estas ventajas y desventajas es esencial para aprovechar el inmenso potencial de las supercomputadoras y, al mismo tiempo, mitigar sus inconvenientes en aras de un futuro sostenible y tecnológicamente avanzado.