Dos tecnologías desarrolladas por NASA han aumentado diez veces la velocidad de una clase de supercomputadora. Los científicos que estudian el clima están aprovechando la potencia adicional para mejorar las predicciones.
Mayo 2, 2002: Para muchas personas, las computadoras más veloces son sinónimo de mejores videojuegos y de navegación más rápida por Internet. Pero para quienes toman las decisiones y abordan el tema del futuro del clima de la Tierra, las computadoras más veloces tienen una ventaja muy práctica: simulaciones del clima más realistas, que brindan pronósticos más confiables. Los científicos de la NASA han logrado aumentar aproximadamente 10 veces más la velocidad de avanzadas supercomputadoras "paralelas", a través de innovaciones en el
software y en el diseño de la memoria. Este salto en la "potencia" efectiva de la computación -- junto con la información que proporcionan los satélites de la NASA que observan la Tierra -- permite lograr mayor realismo y confianza estadística en las simulaciones del clima mundial.
"Esto es algo que queremos lograr, de manera que cuando los funcionarios encargados de políticas ambientales deban tomar decisiones sobre planes de acción que involucran cientos de millones de dólares en la economía, puedan también decir: Tenemos confianza [en estas simulaciones]," afirma el Dr. Ghassem Asrar, Administrador Asociado para la Oficina de las Ciencias de la Tierra, en la sede central de la NASA, en Washington, D.C.
Ya sea que el tema esté relacionado con la trayectoria de un huracán que se aproxima o con el aumento de las temperaturas de la Tierra durante el próximo siglo, las predicciones implican siempre cierto grado de incertidumbre. Los "modelos" por computadora que producen las simulaciones, sin embargo, pueden ser perfeccionados de manera que sea posible reducir esta incertidumbre. Para llevar a cabo estas mejoras, es necesario que los científicos puedan tener acceso a supercomputadoras con la máxima potencia posible. Con el fin de suministrar la inmensa potencia que se necesita para realizar los largos y complejos cálculos de las exigentes aplicaciones científicas -- como la simulación del clima -- algunos fabricantes de computadoras están volcándose a los diseños "paralelos" con cientos o miles de procesadores en una sola supercomputadora.
Las características de estas máquinas hacen que hasta las microcomputadoras más veloces parezcan calculadoras de bolsillo. Por ejemplo, la supercomputadora más reciente disponible en el Centro Goddard de Vuelos Espaciales, en la NASA, cuenta con 512 procesadores, cada uno de los cuales funciona a 400MHz, con 128 GB de memoria de acceso aleatorio (RAM, por sus siglas en inglés), 2.800 GB de espacio en disco, y ¡un rendimiento pico de 409 gigaflops! (Un "gigaflop" significa mil millones de cálculos por segundo.) Una máquina más moderna, en el Centro de Investigación Ames, de la NASA, superará incluso a la mencionada anteriormente, ya que contará con 1.024 procesadores.
Pero simplemente agregar más procesadores no garantiza un aumento proporcional en la potencia efectiva. En realidad, el máximo potencial de estas supercomputadoras paralelas aún no ha sido aprovechado. "Entonces, ¿cuál es el problema? Cada nodo (o sea, procesador) posee cierto rendimiento," explica Asrar. "Individualmente funcionan bien, pero a medida que se van sumando, al aumentar el número de nodos, el rendimiento total disminuye." Por ejemplo, un sistema con 100 procesadores no sería 100 veces más potente que un simple procesador -- el rendimiento total sería algo menor. Esta pérdida del rendimiento de las computadoras es semejante a lo que sucede cuando las personas tienen que trabajar en forma conjunta para cumplir con una tarea determinada. Se debe dedicar cierto esfuerzo a manejar y a coordinar a la gente involucrada en dicha tarea -- esfuerzo que no se orienta hacia la producción de algo específico -- y hasta los trabajadores productivos deben perder algún tiempo comunicándose entre sí. De manera similar, una supercomputadora con más procesadores debe utilizar mayor potencia para coordinarlos, y el aumento de las comunicaciones entre todos los procesadores hace atascar el sistema.
"En consecuencia, el desafío era: ¿cómo elaborar los programas de la computadora de manera tal que se obtenga el máximo rendimiento de una sola máquina?", dice Asrar. Izquierda: Las simulaciones del clima de la Tierra se encuentran dentro de los problemas más complejos de la ciencia. Haga un clic sobre la imagen para ver una película MPG. Durante los últimos cuatro años, los científicos del Centro de Investigación Ames, de la NASA, han estado trabajando junto con el fabricante de computadoras Silicon Graphics, Inc., para abordar este problema. Los frutos de su labor son dos nuevas tecnologías que aumentan la potencia efectiva de estas máquinas en aproximadamente un orden de magnitud (o sea, un factor de 10). Ambas tecnologías están disponibles libremente para el público de las supercomputadoras, se comercializan en forma independiente de los vendedores de computación, y no son específicas para el diseño de modelos climáticos.
La primera de estas tecnologías es una estructura de memoria llamada "memoria compartida de imagen única" (single-image shared memory, en inglés). En este diseño, toda la memoria de la supercomputadora es utilizada como un espacio de memoria continuo por todos los procesadores . (Otras estructuras distribuyen la memoria entre los procesadores.) Esto permite que los procesadores intercambien los mensajes necesarios para coordinar sus operaciones accediendo a este "terreno común" de memoria. Este esquema es más eficaz que pasar los mensajes directamente entre los procesadores, como lo hace la mayoría de las supercomputadoras paralelas.
Pero una nueva estructura de memoria necesita un software que sepa cómo aprovecharla. La segunda innovación hace exactamente esto. Se trata de una herramienta de diseño de software denominada "paralelismo de niveles múltiples" (multi-level parallelism, en inglés). El software creado, utilizando esta herramienta, puede emplear el depósito común de memoria para dividir el problema por resolver, en segmentos tanto de escaso como de abundante refinamiento granular, según sea necesario, y calcular estas áreas en paralelo. El espacio de memoria única
proporciona más flexibilidad para dividir el problema que otros diseños, en los cuales la memoria está físicamente repartida entre los procesadores. La potencia adicional que estas tecnologías extraen de los procesadores ayudará a la Iniciativa para las Ciencias de la Tierra, de la NASA, a confeccionar mejores modelos del clima de la Tierra. Estos modelos funcionan dividiendo la atmósfera y los océanos en una rejilla tridimensional de cuadros. En estos cuadros se les asignan valores a la temperatura, el contenido de humedad, el contenido químico, etc., y luego se calculan las interacciones entre los cuadros utilizando ecuaciones físicas y químicas. El resultado es una aproximación del sistema real. Al disponer de una mayor velocidad de computación, se pueden incorporar a los modelos más elementos de la física del sistema real del clima, y la atmósfera puede ser dividida en una mayor cantidad de cuadros más pequeños. Esto hace que los modelos estén más cercanos a la realidad, y los pronósticos que produzcan serán de mayor interés a escala regional. Asimismo, la capacidad para hacer funcionar estos modelos más rápidamente, significará que se podrán obtener más simulaciones, las cuales producirán una mayor cantidad de resultados. En términos estadísticos, esta "población" más numerosa, permitirá un mejor análisis de la solidez de las conclusiones.
El grupo de satélites de la NASA que observa la Tierra, junto con la red mundial de estaciones meteorológicas, proporciona la "dosis" de información real que se necesita para continuar investigando los modelos. Y los archivos de esta información ofrecen los campos de prueba ideales para los modelos: ¿podrían las computadoras "pronosticar" con precisión, el clima real observado en el pasado? Asrar dice que los modelos por computadora ya son bastante apropiados para hacerlo, pero todavía se pueden perfeccionar. A medida que las supercomputadoras continúen avanzando -- junto con el software que utiliza esa potencia -- los modelos del clima se tornarán más y más precisos, y ofrecerán mejores respuestas a las inquietantes preguntas sobre el cambio del clima.
Fuente: http://ciencia.nasa.gov/headlines/news_archive.htm, Reportajes de la NASA
Mayo 2, 2002: Para muchas personas, las computadoras más veloces son sinónimo de mejores videojuegos y de navegación más rápida por Internet. Pero para quienes toman las decisiones y abordan el tema del futuro del clima de la Tierra, las computadoras más veloces tienen una ventaja muy práctica: simulaciones del clima más realistas, que brindan pronósticos más confiables. Los científicos de la NASA han logrado aumentar aproximadamente 10 veces más la velocidad de avanzadas supercomputadoras "paralelas", a través de innovaciones en el
software y en el diseño de la memoria. Este salto en la "potencia" efectiva de la computación -- junto con la información que proporcionan los satélites de la NASA que observan la Tierra -- permite lograr mayor realismo y confianza estadística en las simulaciones del clima mundial.
"Esto es algo que queremos lograr, de manera que cuando los funcionarios encargados de políticas ambientales deban tomar decisiones sobre planes de acción que involucran cientos de millones de dólares en la economía, puedan también decir: Tenemos confianza [en estas simulaciones]," afirma el Dr. Ghassem Asrar, Administrador Asociado para la Oficina de las Ciencias de la Tierra, en la sede central de la NASA, en Washington, D.C.
Ya sea que el tema esté relacionado con la trayectoria de un huracán que se aproxima o con el aumento de las temperaturas de la Tierra durante el próximo siglo, las predicciones implican siempre cierto grado de incertidumbre. Los "modelos" por computadora que producen las simulaciones, sin embargo, pueden ser perfeccionados de manera que sea posible reducir esta incertidumbre. Para llevar a cabo estas mejoras, es necesario que los científicos puedan tener acceso a supercomputadoras con la máxima potencia posible. Con el fin de suministrar la inmensa potencia que se necesita para realizar los largos y complejos cálculos de las exigentes aplicaciones científicas -- como la simulación del clima -- algunos fabricantes de computadoras están volcándose a los diseños "paralelos" con cientos o miles de procesadores en una sola supercomputadora.
Las características de estas máquinas hacen que hasta las microcomputadoras más veloces parezcan calculadoras de bolsillo. Por ejemplo, la supercomputadora más reciente disponible en el Centro Goddard de Vuelos Espaciales, en la NASA, cuenta con 512 procesadores, cada uno de los cuales funciona a 400MHz, con 128 GB de memoria de acceso aleatorio (RAM, por sus siglas en inglés), 2.800 GB de espacio en disco, y ¡un rendimiento pico de 409 gigaflops! (Un "gigaflop" significa mil millones de cálculos por segundo.) Una máquina más moderna, en el Centro de Investigación Ames, de la NASA, superará incluso a la mencionada anteriormente, ya que contará con 1.024 procesadores.
Pero simplemente agregar más procesadores no garantiza un aumento proporcional en la potencia efectiva. En realidad, el máximo potencial de estas supercomputadoras paralelas aún no ha sido aprovechado. "Entonces, ¿cuál es el problema? Cada nodo (o sea, procesador) posee cierto rendimiento," explica Asrar. "Individualmente funcionan bien, pero a medida que se van sumando, al aumentar el número de nodos, el rendimiento total disminuye." Por ejemplo, un sistema con 100 procesadores no sería 100 veces más potente que un simple procesador -- el rendimiento total sería algo menor. Esta pérdida del rendimiento de las computadoras es semejante a lo que sucede cuando las personas tienen que trabajar en forma conjunta para cumplir con una tarea determinada. Se debe dedicar cierto esfuerzo a manejar y a coordinar a la gente involucrada en dicha tarea -- esfuerzo que no se orienta hacia la producción de algo específico -- y hasta los trabajadores productivos deben perder algún tiempo comunicándose entre sí. De manera similar, una supercomputadora con más procesadores debe utilizar mayor potencia para coordinarlos, y el aumento de las comunicaciones entre todos los procesadores hace atascar el sistema.
"En consecuencia, el desafío era: ¿cómo elaborar los programas de la computadora de manera tal que se obtenga el máximo rendimiento de una sola máquina?", dice Asrar. Izquierda: Las simulaciones del clima de la Tierra se encuentran dentro de los problemas más complejos de la ciencia. Haga un clic sobre la imagen para ver una película MPG. Durante los últimos cuatro años, los científicos del Centro de Investigación Ames, de la NASA, han estado trabajando junto con el fabricante de computadoras Silicon Graphics, Inc., para abordar este problema. Los frutos de su labor son dos nuevas tecnologías que aumentan la potencia efectiva de estas máquinas en aproximadamente un orden de magnitud (o sea, un factor de 10). Ambas tecnologías están disponibles libremente para el público de las supercomputadoras, se comercializan en forma independiente de los vendedores de computación, y no son específicas para el diseño de modelos climáticos.
La primera de estas tecnologías es una estructura de memoria llamada "memoria compartida de imagen única" (single-image shared memory, en inglés). En este diseño, toda la memoria de la supercomputadora es utilizada como un espacio de memoria continuo por todos los procesadores . (Otras estructuras distribuyen la memoria entre los procesadores.) Esto permite que los procesadores intercambien los mensajes necesarios para coordinar sus operaciones accediendo a este "terreno común" de memoria. Este esquema es más eficaz que pasar los mensajes directamente entre los procesadores, como lo hace la mayoría de las supercomputadoras paralelas.
Pero una nueva estructura de memoria necesita un software que sepa cómo aprovecharla. La segunda innovación hace exactamente esto. Se trata de una herramienta de diseño de software denominada "paralelismo de niveles múltiples" (multi-level parallelism, en inglés). El software creado, utilizando esta herramienta, puede emplear el depósito común de memoria para dividir el problema por resolver, en segmentos tanto de escaso como de abundante refinamiento granular, según sea necesario, y calcular estas áreas en paralelo. El espacio de memoria única
proporciona más flexibilidad para dividir el problema que otros diseños, en los cuales la memoria está físicamente repartida entre los procesadores. La potencia adicional que estas tecnologías extraen de los procesadores ayudará a la Iniciativa para las Ciencias de la Tierra, de la NASA, a confeccionar mejores modelos del clima de la Tierra. Estos modelos funcionan dividiendo la atmósfera y los océanos en una rejilla tridimensional de cuadros. En estos cuadros se les asignan valores a la temperatura, el contenido de humedad, el contenido químico, etc., y luego se calculan las interacciones entre los cuadros utilizando ecuaciones físicas y químicas. El resultado es una aproximación del sistema real. Al disponer de una mayor velocidad de computación, se pueden incorporar a los modelos más elementos de la física del sistema real del clima, y la atmósfera puede ser dividida en una mayor cantidad de cuadros más pequeños. Esto hace que los modelos estén más cercanos a la realidad, y los pronósticos que produzcan serán de mayor interés a escala regional. Asimismo, la capacidad para hacer funcionar estos modelos más rápidamente, significará que se podrán obtener más simulaciones, las cuales producirán una mayor cantidad de resultados. En términos estadísticos, esta "población" más numerosa, permitirá un mejor análisis de la solidez de las conclusiones.
El grupo de satélites de la NASA que observa la Tierra, junto con la red mundial de estaciones meteorológicas, proporciona la "dosis" de información real que se necesita para continuar investigando los modelos. Y los archivos de esta información ofrecen los campos de prueba ideales para los modelos: ¿podrían las computadoras "pronosticar" con precisión, el clima real observado en el pasado? Asrar dice que los modelos por computadora ya son bastante apropiados para hacerlo, pero todavía se pueden perfeccionar. A medida que las supercomputadoras continúen avanzando -- junto con el software que utiliza esa potencia -- los modelos del clima se tornarán más y más precisos, y ofrecerán mejores respuestas a las inquietantes preguntas sobre el cambio del clima.
Fuente: http://ciencia.nasa.gov/headlines/news_archive.htm, Reportajes de la NASA
No hay comentarios:
Publicar un comentario