Pleiades: un diverso “cluster”

Qualche giorno fa ho parlato delle Pleiadi, l’ammasso aperto, – si chiama star cluster in inglese -, cioè quel mucchietto di stelle che si vedono anche ad occhio nudo nelle sere tra l’autunno inoltrato e l’inizio della primavera.
Beh, non è l’unico “cluster” che porta quel nome!

Pleiades è anche il nome di un cluster di computer, un supercomputer di proprietà della divisione Advanced Supercomputing Nasa, presso l’Ames Research Center in California.

Il supercomputer Pleiades è gestito dalla Nasa, con la manutenzione dei partner Hewlett Packard Enterprise (ex-Silicon Graphics International) e Intel. Foto: Marco Librero, Nasa Ames Research Center.

Cos’è un supercomputer

Un supercomputer è un computer dalla potenza straordinaria. E straordinaria vuol dire veramente impressionante, ma ci arrivo tra un po’.

Come te lo immagini un supercomputer? Tecnologicamente più avanzato del tuo pc domestico? Beh, forse. O forse no.
Il trucco per ottenere un supercomputer è semplice: una serie di processori (tanti, tantissimi) collegati da una rete ad alta velocità che lavorano insieme in maniera furba. Se volessi essere pignola dovrei dirti che esistono tipi leggermente diversi di supercomputer, e io ti ho definito il cluster, che era quello da cui siamo partiti.

Prendiamo Pleiades, giusto per fare uno delle centinaia di esempi possibili. Come vedi in foto, si tratta di una grande stanza con degli armadi: dentro ogni armadio ci sono tanti processori, cioè tante unità di elaborazione di computer, collegati tra loro da una rete locale ad alta velocità.

Detto così non sembra impressionante. Ok, do un po’ di numeri allora.
Pleiades ha oltre 240mila processori collegati in rete locale.
Faccio dei paragoni col mio pc, per darti un’idea. Il mio fedele laptop ha 2 processori, è infatti di quel tipo che si chiama dual core. Pleiades ha la potenza di fuoco di oltre 120mila volte il mio pc. Impressionante adesso?
Beh, questo sarebbe vero se il mio pc e Pleiades avessero lo stesso tipo di processore, cosa che non è. Lasciami essere più precisa.

La velocità di un supercomputer di solito è misurata con un’unità di misura dal nome a prima vista strano, Flops. Flops è un acronimo, una sigla che sta per FLoating point Operations Per Second: in informatica, indica il numero di operazioni in virgola mobile eseguite in un secondo da un processore. Parlerò impropriamente di operazioni al secondo d’ora in poi.
Il supercomputer del nostro esempio, Pleiades, ha una velocità di quasi 6mila TFlops (tera Flops), cioè quasi 6 milioni di miliardi di Flops, con un picco che supera i 7mila TFlops.
Sento che non hai ben apprezzato il dato: 6000000000000000 operazioni al secondo. Meglio? Peggio? Va be’, comunque è tanto.

Il mio fedele Toshiba freme per dirti quanti Flops ha lui: 10 GigaFlops, cioè 10 miliardi di operazioni al secondo. Seicentomila volte meno veloce di Pleiades. Ok. Il mio Toshiba si è un po’ intristito, ma adesso gli spieghiamo perché non deve.

Intanto, se sei preso da irrefrenabile curiosità e vuoi sapere quanti Flops ha il tuo pc, puoi guardare se c’è il tuo modello in questa lista di prestazioni di processori.

L’astrofisico Rich Purnell (interpretato da Donald Glover) collega il suo pc portatile a Pleiades per controllare la nuova rotta da suggerire agli astronauti, nel film The Martian. Non c’è in realtà bisogno di collegarsi fisicamente ai supercomputer per farli lavorare. Foto: screenshot del film,  ©20th Century Fox

Prima di passare a riflettere sul perché abbiamo bisogno di supercomputer, lasciami soltanto dare due altri numeri.

Ci tenevo a dire che Pleaides, che ho preso come esempio perché mi ci sono imbattuta preparando il precedente articolo sulle Pleiadi, è in realtà attualmente solo il 32esimo miglior supercomputer esistente, stando alla classifica dei 500 supercomputer più potenti al mondo.

Il più potente supercomputer attualmente esistente è Summit, costruito dall’Ibm, presso l’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.
Summit ha ben oltre 2 milioni di processori e una velocità di quasi 150mila TFlops. Un supercomputer del genere ha bisogno di una potenza di oltre 10mila kiloWatt per funzionare.
Questo è uno dei motivi per cui il mio Toshiba non deve preoccuparsi per i suoi pochi ma ragionevoli Flops. A meno che io non voglia installarmi una piccola centrale elettrica nello scantinato di casa. Non so se me lo lasciano fare però…
L’altro motivo è che per tenere al lavoro tanti processori tutti insieme tutto il giorno ogni giorno, occorre un ingente sistema di raffreddamento: sai perfettamente quanto si scalda il tuo pc mentre lavori, immagina un’intera stanza con milioni di processori in funzione! E poi è tutto molto rumoroso, sia per le macchine sia per il sistema di raffreddamento. (Per avere un’idea del rumore puoi sentire Pleiades).

Perché abbiamo bisogno di supercomputer

Ci sono campi di ricerca in cui vengono prodotti e analizzati una serie enorme di dati. In altri campi invece è necessario fare delle simulazioni, che sono tanto più accurate quante più particelle si aggiungono. O quante più prove si fanno, variando di poco un parametro. Lavorare in questi campi con un computer, per quanto potente, non porterebbe da nessuna parte. Ci si impiegherebbe secoli, talvolta millenni, per portare a termine un’analisi dati o una simulazione.

È a questo che servono i supercomputer: perché Pleiades potrebbe fare in un giorno le operazioni che il tuo pc farebbe in un migliaio di anni. Secolo più, secolo meno.

Un paio di ambiti di applicazione?

In astronomia i supercomputer sono indispensabili. Ad esempio, quando si tratta di elaborare i dati che derivano da campagne osservative, che sono sempre di più perché sappiamo costruire telescopi potenti e sensibili che ci danno più informazioni per studiare al meglio l’universo.
Oppure quando invece si vuole realizzare una simulazione che sia il modello con cui confrontare i dati osservativi, per dedurre la fisica che governa un fenomeno. In entrambi i casi lo sforzo computazionale è enorme.

Le simulazioni con miliardi di particelle non si fanno solo in astronomia: anche in fluidodinamica occorre usare dei supercomputer. Ad esempio, per modellare il movimento dell’aria attorno ai rotori di un drone o sotto il carrello di un aereo, in modo da poter migliorare l’aerodinamica del velivolo correggendone dettagli nel design.

Uno studio Nasa sullo sviluppo di taxi del cielo, simulato con i supercomputer dell’Ames Research Center. Video: NASA/Ames Research Center/T. Sandstrom

Ma c’è un ambito specifico che, da un mesetto a questa parte, sta focalizzando le risorse dei supercomputer in varie parti del mondo: la dinamica molecolare delle proteine. Significa studiare come si piegano le proteine, macromolecole che riescono a compiere oppure non compiere determinate funzioni a seconda della forma che assumono.
L’obiettivo di massima priorità, al momento, è capire come si comportano le proteine che permettono al coronavirus SARS-CoV2 di replicarsi nelle cellule ospiti, in modo da studiare quali composti farmaceutici siano più efficaci nell’inibire questa funzione e fermare la proliferazione del virus negli organismi.
Usare i supercomputer per studiare le dinamica di una proteina riduce a giorni di elaborazione quello che con computer tradizionali si potrebbe fare solo in diversi mesi.

Illustrazione di un coronavirus. Foto: Fusion Medical Animation on Unsplash

Abbiamo supercomputer in Italia?

Sì, abbiamo dei supercomputer molto validi in Italia. E in questo momento stanno collaborando allo studio sul coronavirus nel consorzio pubblico-privato Exscalate4CoV che aggrega 18 istituzioni e centri di ricerca in 7 Paesi europei.

Nella classifica che ho citato prima, dei 500 più potenti supercomputer al mondo, spicca al 16esimo posto HPC4 (High Performance Computing – layer 4) dell’Eni, con oltre 253mila processori e oltre 12mila TFlops.
Eni solitamente impiega i suoi supercomputer per condurre studi geologici e cercare nuovi giacimenti di petrolio e gas nel sottosuolo.
Per approfondire puoi leggere cos’è HPC4.

Subito dopo, al 19esimo posto in classifica, si trova il supercomputer Marconi della Cineca, con 348mila processori e oltre 10mila TFlops.
Cineca, un consorzio interuniversitario a cui partecipa anche il Ministero dell’istruzione, dell’università e della ricerca, con sede principale a Casalecchio di Reno (BO), mette a disposizione le sue risorse di calcolo per enti di ricerca, istituzioni e aziende che ne facciano richiesta. Sta anche lavorando alla costruzione di un nuovo supercomputer, Leonardo, che punta ad essere tra i 5 supercomputer più potenti al mondo con oltre 200mila TFlops, quindi superando l’attuale supercomputer più potente, Summit.

Allora, cosa ne pensi dei supercomputer? C’è qualcosa che ti ha incuriosito e vorresti approfondire? Io, che mi sono già dilungata troppo, non ti ho parlato dell’esistenza delle reti di calcolo distribuito (come Seti@home o Folding@home)… sarà per un’altra volta! 😉


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