Alla ricerca del supercomputer più potente del mondo.

Da qualche anno è la Cina ad essere in testa nella produzione dei supercomputer più veloci del mondo e prevede di far funzionare la sua prima macchina a esascala entro il 2020.

La guerra per la produzione di supercomputer ad esascala è in pieno svolgimento. Da qualche anno è la Cina ad essere in testa nella produzione dei supercomputer più veloci del mondo e prevede di far funzionare la sua prima macchina a esascala entro il 2020. Gli Stati Uniti, con l’Exascale Computing Project del DOE, puntano a costruirne almeno una entro il 2021 ed anche l’Unione Europea ed il Giappone sono in corsa per questo primato.
L’attuale primatista mondiale in termini di prestazioni di calcolo è il cinese Sunway TaihuLight.
Ma raggiungere il regime dell’esascala è una sfida tecnologica incredibilmente ardua. Il problema principale da risolvere è il grande consumo di energia necessario per supportare la velocità con la quale elaborare enormi quantitativi di dati. Secondo alcune stime, fino al 90 per cento del consumo di energia di un computer ad alte prestazioni è usato per il trasporto dei dati.
Un computer ad esascala costruito con le attuali tecnologie, secondo alcuni studi, avrebbe bisogno, per funzionare, di un quantitativo di energia stimata tra i 180 e 425 megawatt. Si tratta di un valore molto più elevato di quello richiesto dai migliori supercomputer di oggi: il sistema che attualmente è in cima alla classifica mondiale, il cinese Sunway TaihuLight, consuma circa 15 megawatt.
Per ovviare almeno parzialmente a questo oneroso bisogno di energia si pensa di portare la memoria più vicina ai core di elaborazione per ridurre la distanza che devono percorrere i dati. Per ragioni simili, gli ingegneri hanno anche impilato in senso verticale schiere di memoria ad alte prestazioni anziché distribuirle su due dimensioni.
Inoltre si pensa di integrare sempre di più la memoria flash che non richiede energia per conservare i dati. Altri supercomputer sono stati costruiti con processori “leggeri”, che sacrificano alcune funzioni in favore della velocità e dell’efficienza energetica.
Ma cosa significa esattamente supercomputer ad esascala?
La definizione più semplice è un computer in grado di elaborare un insieme specifico di equazioni di algebra lineare alla velocità di un esaflop, equivalente a 1000 petaflop. Il FLOP misura la capacità computazionale di un computer.
Ma la velocità, fattore importante in un supercomputer, non è tutto. Tra gli informatici ed i ricercatori serpeggia un po’ di preoccupazione che i primi sistemi a esascala in Cina e negli Stati Uniti possano essere macchine dimostrative, che non funzionano perfettamente su applicazioni reali.

Le tendenze generali del settore informatico stanno definendo il cammino dei computer a esascala. Per oltre un decennio, i transistor sono stati impacchettati così densamente che è impossibile far funzionare i microprocessori a ritmi ancora più veloci. Per aggirare il problema, i supercomputer di oggi si affidano pesantemente al calcolo parallelo, usando banchi di chip per creare macchine con milioni di unità di elaborazione chiamate core. Un supercomputer può essere reso più potente mettendo insieme un numero ancora maggiore di queste unità.

Ma via via che queste macchine diventano più grandi, la gestione dei dati diventa più difficile. Spostare dati dentro e fuori la memoria di massa e persino all’interno dei core richiede molta più energia dei calcoli stessi. Secondo alcune stime, fino al 90 per cento del consumo di energia di un computer ad alte prestazioni è usato per il trasporto dei dati.

Ciò ha portato ad alcune previsioni allarmanti. Nel 2008, in un rapporto della Defense Advanced Research Projects Agency degli Stati Uniti, un gruppo guidato dall’informatico Peter Kogge ha concluso che un computer a esascala costruito con le tecnologie attualmente prevedibili avrebbe bisogno di un gigawatt di potenza, forse fornito da una centrale nucleare appositamente dedicata. “L’energia è il problema numero uno, due, tre e quattro del calcolo a esascala”, afferma Kogge, professore all’Università di Notre Dame, nell’Indiana.

L’obiettivo del DOE per l’uso dell’elettricità del suo primo sistema a esascala, chiamato Aurora, è di 40 megawatt, con un margine fino a un massimo assoluto di 60 megawatt. Il gigante informatico Intel è stato incaricato di realizzare i chip per la macchina, mentre all’azienda di supercalcolo Cray è stato subappaltato l’assemblaggio dell’intero sistema.

I dettagli su come l’obiettivo sarà raggiunto non sono ancora pubblici. Ma Al Gara, che dirige l’architettura di calcolo ad alte prestazioni e dell’esascala di Intel, afferma che l’azienda sta lavorando a una nuova piattaforma, che integra una nuova microarchitettura di chip, progettata per ridurre al minimo l’uso di energia.

Altri hanno mire più ambiziose. Qian afferma che la Cina avrà come obiettivo 30 megawatt per il suo primo sistema a esascala. Con una scadenza fissata al 2022 o al 2023, e quindi con più tempo per lavorare sul suo sistema, il progetto europeo potrebbe arrivare a 10 megawatt, dice Jean-Philippe Nominé, specialista di calcolo ad alte prestazioni del CEA, la Commissione francese per le energie alternative e l’energia atomica. Ma l’efficienza energetica è solo uno dei fattori: c’è anche la questione delle prestazioni.

Ma molti ricercatori sono preoccupati soprattutto dall’essere sicuri di poter fornire i sistemi a esascale promessi, e dal fatto che le applicazioni scientifiche sviluppate funzioneranno fin dal momento in cui saranno avviate. “Far funzionare l’esascala è ciò che mi tiene sveglio la notte”, dice Helland.

Ci sono però limiti alla decisione con cui il supercalcolo può essere spinto in avanti con le attuali tecnologie.
Lo step successivo è rappresentato dalla produzione di circuiti neuromorfici, che sono modellati sul funzionamento dei neuroni nel cervello, o del calcolo quantistico.
Le nuove generazione di supercomputer una volta risolti i problemi aperti sarebbero un supporto formidabile e decisivo per la ricerca, essi sarebbero in grado di farci fare prodigiosi balzi in avanti in campi diversi come la climatologia, le energie rinnovabili, la genomica, la geofisica e l’intelligenza artificiale.

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