Un nuevo prototipo para una supercomputación más potente y eficiente

Modelo de procesador ARM Nvidia Tegra 3 de cuatro núcleos, uno de los componentes que incorpora el prototipo que está desarrollando el Centro de Supercomputación de Barcelona (BSC). 
Fuente: Nvidia

Un proyecto europeo busca crear un superordenador basado en una tecnología híbrida que alcance una potencia de exaescala ahorrando energía y costes.

Por C. Pierce / E. Zafra

En la lista de los 500 ordenadores más potentes de mundo clasificados a partir de la referencia Linpack (TOP 500), Japón, China y Estados Unidos mantienen una dura pugna por los primeros puestos. Ahora, Europa da un paso adelante en la competición a nivel de computación de altas prestaciones con un nuevo superordenador que podría ofrecer un gran ahorro energético sin renunciar a colocarse entre los líderes en potencia y rendimiento.

El Centro de Supercomputación de Barcelona (BSC), en España, es el responsable del desarrollo de este superordenador, dentro del proyecto europeo Mont-Blanc. Alejandro Ramírez, investigador del grupo de Arquitecturas Heterogéneas del BSC, es el líder de este proyecto, que busca construir el primer superordenador híbrido basado en unidades centrales de procesamiento (CPU) ARM y unidades de procesamiento gráficas (GPU) aceleradoras.

El primer prototipo se presentó el pasado mes de noviembre en la meca de la computación de altas prestaciones, el Congreso Internacional SC11 celebrado en Seattle (Estados Unidos). Como primer objetivo, el BSC aspira a alcanzar rangos de procesamiento de varios petaflops utilizando sólo una pequeña fracción de la energía que emplean actualmente otros superordenadores. A largo plazo, la meta de la iniciativa Mont-Blanc es llevar la computación en Europa al siguiente nivel de escala, de petaescala a exaescala (lo que le otorgaría una rapidez mil veces por encima de la que ofrecen las mayores máquinas de cálculo), evitando multiplicar su consumo energético y sus costes de fabricación.

La competencia será dura, a la vista del panorama actual. En la última edición del TOP 500 (que se actualiza cada seis meses) el superordenador japonés ‘K’, fabricado por Fujitsu con procesadores SPARC64, se convirtió en el primero de la historia en alcanzar la cota de los 10 petaflops por segundo. Además, ha demostrado ser también uno de las más eficientes energéticamente. Sin embargo, a diferencia del prototipo del BSC, esta máquina no utiliza procesadores gráficos u otros aceleradores.

La principal diferencia del superordenador construido por el equipo de Ramírez respecto al ‘K’ japonés, el ‘Tianhe-1A’ chino o el ‘Jaguar’ americano es que aprovechará, por primera vez, la eficiencia energética de los chips de ARM en combinación con la alta capacidad de cálculo proporcionada por las GPU de Nvidia. Concretamente, el prototipo utilizará CPU ARM Nvidia Tegra 3 de cuatro núcleos, aceleradas por GPU Nvidia Tesla externas. “El objetivo es realizar la misma cantidad de cálculos utilizando entre cuatro y seis veces menos energía”, afirma Ramírez.

Una de las ventajas de los procesadores de ARM es que han sido de los primeros en incorporar coma flotante de doble precisión (aritmética de 64 bits) y además son conocidos por su buen ratio entre capacidad de procesamiento y consumo energético (un chip ARM tipo consume menos de un vatio de potencia, mientras el Intel Core i7 necesita alrededor de 100 vatios), lo que les ha permitido hacerse un hueco en el mercado de los dispositivos de bajo consumo energético como teléfonos inteligentes y tabletas.

El sistema que están diseñando en el BSC, en su tamaño máximo, debería llegar a los 50 petaflops de capacidad de cálculo utilizando sólo siete megavatios de potencia eléctrica (sirva como comparativa que el ‘K’ japonés utiliza 12 megavatios para llegar a sus 10 petaflops), aunque el prototipo inicial es una versión mucho más pequeña.

La arquitectura ARM es ampliamente utilizada en pequeños dispositivos pero quedan aún muchos retos que superar, sobre todo a nivel de software, para que esta tecnología pueda emplearse en instalaciones científicas de altas prestaciones. Mientras el sistema operativo Linux está preparado para incorporarse a esta nueva plataforma, algunas de las aplicaciones necesarias todavía no existen. “El hecho de que ARM soporte Linux es una de nuestras grandes ventajas, ya que necesitamos un sistema operativo y un entorno de programación que sea conocido por los desarrolladores –explica Ramírez- pero no dispone del resto del entorno de software habitual en programación de altas prestaciones”. Es decir, toda una serie de librerías con implementaciones optimizadas de funciones matemáticas incorporadas a las máquinas que proporcionan normalmente vendedores como Intel o IBM, no existen en ARM.

Otro de los desafíos a nivel de software consiste en articular la capacidad de aceleración de sus GPU. La relación de Nvidia con el proyecto Mont-Blanc se centra en proveer a los programadores de las herramientas de desarrollo CUDA (del inglés Compute Unified Device Architecture o Arquitectura de Dispositivos de Cómputo Unificado) para codificar algoritmos en sus GPU y poder descargar en estos procesadores gráficos muchas de las tareas de computación.

También en este ámbito el BSC está abriendo nuevos caminos ya que todavía no hay controladores o drivers para CUDA en tecnología ARM. Ramírez afirma que Nvidia está trabajando estrechamente con el equipo para desarrollar este software, del que se espera una versión inicial para el primer trimestre de 2012. Este es un punto esencial que determinará la capacidad de adaptación de la máquina a tareas concretas y su rendimiento en aplicaciones futuras.

“La principal dificultad de cara a conseguir rendimientos tan elevados en aplicaciones reales con arquitecturas híbridas de tantos elementos radica en la complejidad de su programación”, indica Javier García Tobío, director del Centro de Supercomputación de Galicia (Cesga). Desde el Instituto de Física de Cantabria (IFCA),  Luis Cabellos, administrador de sistemas del superordenador “Altamira”, incide en la misma idea. “El principal inconveniente será lo diferente que resulta la arquitectura ARM en supercomputación, sumado al problema de desarrollar programas para GPU. Hay que modificarlos a medida para hacer uso de este hardware específico y aprovechar su potencia”, comenta.

Ramírez reconoce que están adentrándose en un campo inexplorado y que la falta de experiencia es una de las barreras que van a encontrar en el desarrollo de este prototipo, ya que “ni los fabricantes de chips tienen experiencia fabricando procesadores de ARM para computación de altas prestaciones, ni los fabricantes de ordenadores HPC tienen experiencia utilizando chips de ARM”.

No obstante, el investigador predice que ambos bandos se pondrán rápido al día, alentados por la posibilidad de conseguir una supercomputación energéticamente eficiente con grandes aplicaciones en varios campos. Entre ellos, destacan la geología (que podría estar muy interesada en incorporar esta tecnología para incrementar su capacidad de exploración del terreno in situ), la medicina y la investigación farmacológica.

“Podría servir para instalar dentro de un quirófano un sistema capaz de analizar una resonancia magnética en tiempo real”, apunta Ramírez. “Las máquinas capaces de hacer eso hoy no caben en la sala”, añade. La imagen médica es una de las áreas para las que esta arquitectura resulta más prometedora, ya que trabaja con estructuras muy regulares donde, en teoría, cada píxel podría ser procesado por cada uno de los núcleos de las GPU de Nvidia. “Como en este tipo de proceso se requiere poca comunicación entre las unidades de proceso, utilizan todas prácticamente el mismo código y pueden ejecutarse simultáneamente el resultado final puede ser muy bueno”, explica Vicente Martín, director del Centro de Supercomputación y Visualización de Madrid de la Universidad Politécnica de Madrid (CeSViMa).

Esto se debe en gran parte a que el diseño de estas tarjetas aceleradoras está optimizado para gráficos. “Una GPU es una pequeña unidad de proceso replicada unas 500 veces. Todo lo que puedas dividir en trocitos más pequeños y ejecutar simultáneamente en esas 500 pequeñas CPU va ir muy bien, pero lo que no pueda hacerse así, irá mucho peor“, explica Martín.  De hecho, reconoce que un proceso más irregular en el que unas decisiones dependen de los datos obtenidos en los pasos anteriores, la secuencia “no se puede paralelizar y no funciona bien en esta arquitectura ni en prácticamente ninguna otra”.

La tecnología basada en ARM y GPU no es perfecta para cualquier aplicación. Por ejemplo, no ofrecería buenos resultados en el tratamiento de bases de datos, o en determinados procesos de secuenciación genómica, como los que realizan en el Centro de Supercomputación y Bioinformática  (SCBI) de la Universidad de Málaga. Gonzalo Claros, biólogo molecular, trabaja en el desarrollo de herramientas bioinformáticas para estudios genómicos en este centro, donde disponen de sus propios superordenadores.

El biólogo reconoce que la implantación de la tecnología del nuevo prototipo del BSC no será posible allí, al menos a corto plazo. “La arquitectura ARM es muy útil cuando se pueden paralelizar mucho los procesos, de manera que sobre cada procesador recaiga muy poco trabajo, pero no es el caso en nuestras aproximaciones genómicas donde es difícil paralelizar y lo que hacemos es realizar muchas ejecuciones simultáneas”, explica Claros. Según el investigador, este diseño no aportaría para cada tarea individual la capacidad que permiten los procesadores potentes y de alta exigencia energética de sus superordenadores, lo que ralentizaría la obtención de resultados.

En el sector de la aeronáutica, sin embargo, hay toda una gama de cálculos intensivos que requieren de la supercomputación y que sí podrían beneficiarse de esta propuesta. “Los procesos relacionados con dinámicas de fluidos por computadora (CFD), cálculos aerodinámicos y aerotérmicos en vehículos lanzadores de satélites, y cálculos dinámicos estructurales, como respuestas ante cargas de choque y cálculos vibroacústicos, pueden sacar provecho de una arquitectura así”, explica Vicente Gómez, director de tecnología deEADS-Casa Espacio.

Gómez se muestra optimista respecto al potencial del proyecto del BSC aunque afirma que es pronto para emitir un veredicto. “Sobre el papel parece que puede suponer un salto, pero hay que ver el funcionamiento de este prototipo en la práctica y poder compararlo con una arquitectura más clásica”, puntualiza.

La diferencia principal radica en que en EADS-Casa los modelos de cálculo de CFD y estructurales si son procesos “bastante paralelizables”. Aún así, este punto de partida es necesario pero no suficiente, e igual que sus colegas, Gómez destaca el gran reto que existe a nivel de software en la adaptación del programa a la arquitectura. “Un programa que se escribiera de nuevo, específico para ese ordenador, aportaría grandes ventajas, pero es una tarea ímproba”, reconoce. Si son capaces de hacerlo, pronostica que se podrá aprovechar esta tecnología en un plazo relativamente corto.

El tiempo dirá si el BSC ha colocado un hito más en el camino hacia la computación a exaescala energéticamente eficiente en Europa.

Copyright Technology Review 2011.

Un mundo distraído. Entrevista con Nicholas Carr

Entrevista por Bárbara Celis / El País

La tercera parte de la población mundial ya es 'internauta'. La revolución digital crece veloz. Uno de sus grandes pensadores, Nicholas Carr, da claves de su existencia en el libro Superficiales. ¿Qué está haciendo Internet con nuestras mentes? El experto advierte de que se "está erosionando la capacidad de controlar nuestros pensamientos y de pensar de forma autónoma".

El correo electrónico parpadea con un mensaje inquietante: "Twitter te echa de menos. ¿No tienes curiosidad por saber las muchas cosas que te estás perdiendo? ¡Vuelve!". Ocurre cuando uno deja de entrar asiduamente en la red social: es una anomalía, no cumplir con la norma no escrita de ser un voraz consumidor de twitters hace saltar las alarmas de la empresa, que en su intento por parecer más y más humana, como la mayoría de las herramientas que pueblan nuestra vida digital, nos habla con una cercanía y una calidez que solo puede o enamorarte o indignarte. Nicholas Carr se ríe al escuchar la preocupación de la periodista ante la llegada de este mensaje a su buzón de correo. "Yo no he parado de recibirlos desde el día que suspendí mis cuentas en Facebook y Twitter. No me salí de estas redes sociales porque no me interesen. Al contrario, creo que son muy prácticas, incluso fascinantes, pero precisamente porque su esencia son los micromensajes lanzados sin pausa, su capacidad de distracción es enorme". Y esa distracción constante a la que nos somete nuestra existencia digital, y que según Carr es inherente a las nuevas tecnologías, es sobre la que este autor que fue director del Harvard Business Review y que escribe sobre tecnología desde hace casi dos décadas nos alerta en su tercer libro, Superficiales. ¿Qué está haciendo Internet con nuestras mentes? (Taurus).

Cuando Carr (1959) se percató, hace unos años, de que su capacidad de concentración había disminuido, de que leer artículos largos y libros se había convertido en una ardua tarea precisamente para alguien licenciado en Literatura que se había dejado mecer toda su vida por ella, comenzó a preguntarse si la causa no sería precisamente su entrega diaria a las multitareas digitales: pasar muchas horas frente a la computadora, saltando sin cesar de uno a otro programa, de una página de Internet a otra, mientras hablamos por Skype, contestamos a un correo electrónico y ponemos un link en Facebook. Su búsqueda de respuestas le llevó a escribir Superficiales... (antes publicó los polémicos El gran interruptor. El mundo en red, de Edison a Google y Las tecnologías de la información. ¿Son realmente una ventaja competitiva?), "una oda al tipo de pensamiento que encarna el libro y una llamada de atención respecto a lo que está en juego: el pensamiento lineal, profundo, que incita al pensamiento creativo y que no necesariamente tiene un fin utilitario. La multitarea, instigada por el uso de Internet, nos aleja de formas de pensamiento que requieren reflexión y contemplación, nos convierte en seres más eficientes procesando información pero menos capaces para profundizar en esa información y al hacerlo no solo nos deshumanizan un poco sino que nos uniformizan". Apoyándose en múltiples estudios científicos que avalan su teoría y remontándose a la célebre frase de Marshall McLuhan "el medio es el mensaje", Carr ahonda en cómo las tecnologías han ido transformando las formas de pensamiento de la sociedad: la creación de la cartografía, del reloj y la más definitiva, la imprenta. Ahora, más de quinientos años después, le ha llegado el turno al efecto Internet.

Pero no hay que equivocarse: Carr no defiende el conservadurismo cultural. Él mismo es un usuario compulsivo de la web y prueba de ello es que no puede evitar despertar a su ordenador durante una breve pausa en la entrevista. Descubierto in fraganti por la periodista, esboza una tímida sonrisa, "¡lo confieso, me has cazado!". Su oficina está en su residencia, una casa sobre las Montañas Rocosas, en las afueras de Boulder (Colorado), rodeada de pinares y silencio, con ciervos que atraviesan las sinuosas carreteras y la portentosa naturaleza estadounidense como principal acompañante.

PREGUNTA. Su libro ha levantado críticas entre periodistas como Nick Bilton, responsable del blog de tecnología Bits de The New York Times, quien defiende que es mucho más natural para el ser humano diversificar la atención que concentrarla en una sola cosa.

RESPUESTA. Más primitivo o más natural no significa mejor. Leer libros probablemente sea menos natural, pero ¿por qué va a ser peor? Hemos tenido que entrenarnos para conseguirlo, pero a cambio alcanzamos una valiosa capacidad de utilización de nuestra mente que no existía cuando teníamos que estar constantemente alerta ante el exterior muchos siglos atrás. Quizás no debamos volver a ese estado primitivo si eso nos hace perder formas de pensamiento más profundo.

P. Internet invita a moverse constantemente entre contenidos, pero precisamente por eso ofrece una cantidad de información inmensa. Hace apenas dos décadas hubiera sido impensable.

R. Es cierto y eso es muy valioso, pero Internet nos incita a buscar lo breve y lo rápido y nos aleja de la posibilidad de concentrarnos en una sola cosa. Lo que yo defiendo en mi libro es que las diferentes formas de tecnología incentivan diferentes formas de pensamiento y por diferentes razones Internet alienta la multitarea y fomenta muy poco la concentración. Cuando abres un libro te aíslas de todo porque no hay nada más que sus páginas. Cuando enciendes el ordenador te llegan mensajes por todas partes, es una máquina de interrupciones constantes.

P. ¿Pero, en última instancia, cómo utilizamos la web no es una elección personal?

R. Lo es y no lo es. Tú puedes elegir tus tiempos y formas de uso, pero la tecnología te incita a comportarte de una determinada manera. Si en tu trabajo tus colegas te envían treinta e-mails al día y tú decides no mirar el correo, tu carrera sufrirá. La tecnología, como ocurrió con el reloj o la cartografía, no es neutral, cambia las normas sociales e influye en nuestras elecciones.

P. En su libro habla de lo que perdemos y aunque mencione lo que ganamos apenas toca el tema de las redes sociales y cómo gracias a ellas tenemos una herramienta valiosísima para compartir información.

R. Es verdad, la capacidad de compartir se ha multiplicado aunque antes también lo hacíamos. Lo que ocurre con Internet es que la escala, a todos los niveles, se dispara. Y sin duda hay cosas muy positivas. La Red nos permite mostrar nuestras creaciones, compartir nuestros pensamientos, estar en contacto con los amigos y hasta nos ofrece oportunidades laborales. No hay que olvidar que la única razón por la que Internet y las nuevas tecnologías están teniendo tanto efecto en nuestra forma de pensar es porque son útiles, entretenidas y divertidas. Si no lo fueran no nos sentiríamos tan atraídos por ellas y no tendrían efecto sobre nuestra forma de pensar. En el fondo, nadie nos obliga a utilizarlas.

P. Sin embargo, a través de su libro usted parece sugerir que las nuevas tecnologías merman nuestra libertad como individuos...

R. La esencia de la libertad es poder escoger a qué quieres dedicarle tu atención. La tecnología está determinando esas elecciones y por lo tanto está erosionando la capacidad de controlar nuestros pensamientos y de pensar de forma autónoma. Google es una base de datos inmensa en la que voluntariamente introducimos información sobre nosotros y a cambio recibimos información cada vez más personalizada y adaptada a nuestros gustos y necesidades. Eso tiene ventajas para el consumidor. Pero todos los pasos que damos online se convierten en información para empresas y Gobiernos. Y la gran pregunta a la que tendremos que contestar en la próxima década es qué valor le damos a la privacidad y cuánta estamos dispuestos a ceder a cambio de comodidad y beneficios comerciales. Mi sensación es que a la gente le importa poco su privacidad, al menos esa parece ser la tendencia, y si continúa siendo así la gente asumirá y aceptará que siempre están siendo observados y dejándose empujar más y más aún hacia la sociedad de consumo en detrimento de beneficios menos mensurables que van unidos a la privacidad.

P. Entonces... ¿nos dirigimos hacia una sociedad tipo Gran Hermano?

R. Creo que nos encaminamos hacia una sociedad más parecida a lo que anticipó Huxley en Un mundo feliz que a lo que describió Orwell en 1984. Renunciaremos a nuestra privacidad y por tanto reduciremos nuestra libertad voluntaria y alegremente, con el fin de disfrutar plenamente de los placeres de la sociedad de consumo. No obstante, creo que la tensión entre la libertad que nos ofrece Internet y su utilización como herramienta de control nunca se va a resolver. Podemos hablar con libertad total, organizarnos, trabajar de forma colectiva, incluso crear grupos como Anonymous pero, al mismo tiempo, Gobiernos y corporaciones ganan más control sobre nosotros al seguir todos nuestros pasos online y al intentar influir en nuestras decisiones.

P. Wikipedia es un buen ejemplo de colaboración a gran escala impensable antes de Internet. Acaba de cumplir diez años...

R. Wikipedia encierra una contradicción muy clara que reproduce esa tensión inherente a Internet. Comenzó siendo una web completamente abierta pero con el tiempo, para ganar calidad, ha tenido que cerrarse un poco, se han creado jerarquías y formas de control. De ahí que una de sus lecciones sea que la libertad total no funciona demasiado bien. Aparte, no hay duda de su utilidad y creo que ha ganado en calidad y fiabilidad en los últimos años.

P. ¿Y qué opina de proyectos como Google Books? En su libro no parece muy optimista al respecto...

R. Las ventajas de disponer de todos los libros online son innegables. Pero mi preocupación es cómo la tecnología nos incita a leer esos libros. Es diferente el acceso que la forma de uso. Google piensa en función de snippets, pequeños fragmentos de información. No le interesa que permanezcamos horas en la misma página porque pierde toda esa información que le damos sobre nosotros cuando navegamos. Cuando vas a Google Books aparecen iconos y links sobre los que pinchar, el libro deja de serlo para convertirse en otra web. Creo que es ingenuo pensar que los libros no van a cambiar en sus versiones digitales. Ya lo estamos viendo con la aparición de vídeos y otros tipos de media en las propias páginas de Google Books. Y eso ejercerá presión también sobre los escritores. Ya les ocurre a los periodistas con los titulares de las informaciones, sus noticias tienen que ser buscables, atractivas. Internet ha influido en su forma de titular y también podría cambiar la forma de escribir de los escritores. Yo creo que aún no somos conscientes de todos los cambios que van a ocurrir cuando realmente el libro electrónico sustituya al libro.

P. ¿Cuánto falta para eso?

R. Creo que tardará entre cinco y diez años.

P. Pero aparatos como el Kindle permiten leer muy a gusto y sin distracciones...

R. Es cierto, pero sabemos que en el mundo de las nuevas tecnologías los fabricantes compiten entre ellos y siempre aspiran a ofrecer más que el otro, así que no creo que tarden mucho en hacerlos más y más sofisticados, y por tanto con mayores distracciones.

P. El economista Max Otte afirma que pese a la cantidad de información disponible, estamos más desinformados que nunca y eso está contribuyendo a acercarnos a una forma de neofeudalismo que está destruyendo las clases medias. ¿Está de acuerdo?

R. Hasta cierto punto, sí. Cuando observas cómo el mundo del software ha afectado a la creación de empleo y a la distribución de la riqueza, sin duda las clases medias están sufriendo y la concentración de la riqueza en pocas manos se está acentuando. Es un tema que toqué en mi libro El gran interruptor. El crecimiento que experimentó la clase media tras la II Guerra Mundial se está revirtiendo claramente.

P. Internet también ha creado un nuevo fenómeno, el de las microcelebridades. Todos podemos hacer publicidad de nosotros mismos y hay quien lo persigue con ahínco. ¿Qué le parece esa nueva obsesión por el yo instigado por las nuevas tecnologías?

R. Siempre nos hemos preocupado de la mirada del otro, pero cuando te conviertes en una creación mediática -porque lo que construimos a través de nuestra persona pública es un personaje-, cada vez pensamos más como actores que interpretan un papel frente a una audiencia y encapsulamos emociones en pequeños mensajes. ¿Estamos perdiendo por ello riqueza emocional e intelectual? No lo sé. Me da miedo que poco a poco nos vayamos haciendo más y más uniformes y perdamos rasgos distintivos de nuestras personalidades.

P. ¿Hay alguna receta para salvarnos'?

R. Mi interés como escritor es describir un fenómeno complejo, no hacer libros de autoayuda. En mi opinión, nos estamos dirigiendo hacia un ideal muy utilitario, donde lo importante es lo eficiente que uno es procesando información y donde deja de apreciarse el pensamiento contemplativo, abierto, que no necesariamente tiene un fin práctico y que, sin embargo, estimula la creatividad. La ciencia habla claro en ese sentido: la habilidad de concentrarse en una sola cosa es clave en la memoria a largo plazo, en el pensamiento crítico y conceptual, y en muchas formas de creatividad. Incluso las emociones y la empatía precisan de tiempo para ser procesadas. Si no invertimos ese tiempo, nos deshumanizamos cada vez más. Yo simplemente me limito a alertar sobre la dirección que estamos tomando y sobre lo que estamos sacrificando al sumergirnos en el mundo digital. Un primer paso para escapar es ser conscientes de ello. Como individuos, quizás aún estemos a tiempo, pero como sociedad creo que no hay marcha atrás.

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