Informática. Supercomputadores
Computación científica de alto rendimiento en Alemania

Se evalúa la situación de la computación de alto rendimiento en Alemania, con una mirada a los centros de HPC (computación cde alto rendimiento) y sus proyectos científicos.

Alemania es actualmente el tercer país (6.2 por ciento) del mundo en la clasificación de superordenadores TOP500, sólo es superada por los EE.UU. con un 56.6 por ciento y el Reino Unido con 9.6 por ciento. Esta cifra ha aumentado de manera constante durante los últimos dos años, con un entorno de apoyo a los científicos para utilizar recursos HPC.

Muchos de los centros HPC de Alemania se están utilizando para la investigación científica, por ejemplo una supercomputadora conocida como Jugene, que es un IBM Blue Gene / P Solución alojado en el Forschungszentrum Jülich (FZJ) en el estado Nordrhein-Westfalen de Alemania, se clasificó como el segundo mayor superordenador del mundo con un pico de rendimiento de 167.3 TFlop/s, según la lista TOP500 publicada en noviembre de 2007.

El FZJ es también la ubicación de otro de los mejoes clasificados en la supercomputación alemana, el JUBL o Jülicher Blue Gene / L, que se clasifica en la posición 28 en la lista de TOP500 y que ofrece un rendimiento máximo de 45.8 Tflop/s, lo que equivale a 45.8 mil millones de operaciones por segundo.

Hay muchos otros lugares en Alemania con potencia HPC para la investigación científica. El Centro de Computación de Leibniz (Leibniz-Rechenzentrum, LRZ) presta servicios a las comunidades científica y académica en Munich, incluido un ordenador de alto rendimiento para el Centro de Supercomputación de todas las universidades alemanas.

El HLRB-II, clasificado 15 en el mundo, empezó a funcionar en el cuarto trimestre de 2006 en el nuevo edificio LRZ en Garching, en sustitución del antiguo superordenador Hitachi SR8000-F1 por un sistema SGI Altix 4700.

El LRZ ofrece HPC en diferentes niveles, incluida la HLRB-II con un pico de rendimiento de más de 62 Tflop/s, y también el funcionamiento de otros dos superordenadores (un 128 CPU-SGI Altix 3700 Bx2, y una CPU 256 SGI Altix 4700), además de un Itanium2 basado en cluster Linux, que puede ser usado por investigadores de todas las universidades de Baviera, y un Intel IA32 Linux basado en cluster, que puede ser accedido por investigadores de las universidades de Munich.

Y, tal vez muy acertadamente llamado, el genio de las supercomputadoras se encuentra en Garching Rechenzentrum (RZG) de la Max Planck Society, el IPP es de la familia IBM BlueGene y ocupa el lugar 40 en la lista TOP500. El RZG comenzó su vida en el centro de computación para el Max Planck Institute de Plasmaphysics (PPI), que fue fundado en 1960. Desde 1980 RZG actuó como un centro de computación de la IPP y otros Institutos Max Planck en el campus Garching, cerca de Munich.

Desde 1992 RZG ha operado como un centro de PPI y la Max Planck Society, ofreciendo servicios para los Institutos Max Planck en toda Alemania. La potencia HPC sirve de apoyo a los Institutos Max Planck en la gama de altas necesidades informáticas en áreas tales como la investigación de la fusión, las ciencias de los materiales, química teórica, investigación de polímeros, astrofísica, ciencias de la tierra y otros campos.

Gran parte de la potencia HPC de Alemania se dedica a la investigación científica

Simulaciones científicas

A lo largo de FZJ, el hogar del segundo sitio más poderoso de supercomputación en el mundo, las máquinas BlueGene están siendo usadas hasta por científicos externos. Dr Robert Jones, un científico que trabaja en el Centro Jülich, está utilizando los recursos de la instalación de HPC para investigar dos fenómenos. El primer trabajo se encuentra dentro de la ciencia de los materiales, del que Jones es el investigador principal y donde un gran número de simulaciones sobre una amplia gama de materiales se llevan a cabo, Jones se concentra principalmente en aleaciones de germanio (Ge), antimonio (Sb) y Telurio (Te).

Estas aleaciones son materiales aptos para cambios de fase, que son ampliamente utilizados para la grabación óptica (incluidos los discos Blu Ray) y la memoria externa de ordenadores (con DVD-RAM ya convertido en un éxito comercial).

Las aleaciones de Ge-Sb-Te se someten a un cambio de fase desde un estado amorfo (que es donde no hay orden de largo alcance en el posicionamiento de los átomos en la aleación) a un estado cristalino ordenado. Los materiales cambian de fase entre los estados amorfos y ordenados cuando una corriente eléctrica o un pulso láser se aplica, y el estado puede determinarse mediante el control de las propiedades eléctricas u ópticas de la aleación. A pesar de que el cambio de fase de los materiales se utiliza ampliamente en la industria, sólo se dispone de información superficial sobre las estructuras de las fases de [1].

Jones ha utilizado el IBM BlueGene / L y BlueGene / P en Jülich para llevar a cabo extensas simulaciones de los estados amorfo y ordenado de aleaciones de Ge-Sb-Te, algunas de los cuales ya se utilizan en DVD-RAM. Las simulaciones se aplican a los cálculos de densidad funcional, que utilizan una teoría de la mecánica cuántica empleada en física y en química para investigar la estructura electrónica de sistemas de muchas partículas, en particular, átomos, moléculas y las fases condensadas. Pero esto no es una cosa fácil de hacer, como dice Jones: "Los cálculos de densidad funcional pueden requerir mucho consumo de tiempo y sólo puede hacerse con los superordenadores".

Los cálculos de densidad funcional no utilizan parámetros ajustables, pero su demanda de recursos computacionales han restringido anteriores simulaciones en sistemas Ge-Sb-Te a unidades relativamente pequeña de celdas (del orden de 100 a 200 átomos) y las escalas de tiempo utilizadas son a menudo mucho más cortas que las que se refieren experimentalmente [2,3]. Jones está trabajando actualmente hacia la utilización de Jülich HPC para poder simular 1000 átomos en marcos de tiempo de un nanosegundo, lo que sería una primicia dentro de la rama de la ciencia de los materiales.

La segunda área en la que Jones está investigando es la simulación de moléculas biológicas, con su investigación centrada en una bacteria conocida como Staphylococcus aureus, cerca de la capa exterior de una célula. Campos de fuerza clásicos se utilizan para simular cómo esta bacteria reacciona con ATP (adenosina-5'-trifosfato), que es la principal fuente de energía en los mamíferos.

Jones ha estado en Jülich durante 35 años, tras completar un doctorado en Cambridge e investigar en otros lugares, entre ellos EE.UU.. Aunque tenía la intención de regresar a los EE.UU., Jones ha descubierto que la escena alemana de supercomputación es un buen lugar para llevar a cabo su investigación, como él dice: «Me quedé aquí porque las instalaciones de investigación, la investigación que se está llevando a cabo y el apoyo que he recibido de mi jefe y otros miembros del personal aquí ha sido única."

No es sólo la investigación y el personal lo que hacen de Jülich un lugar excepcional para los científicos para trabajar bien, Jones añade: "Tenemos acceso a una máquina que hace posible que los cálculos de la mayoría de las demás personas encuentran imposible de hacer. Yo sabía que mis competidores no podían seguir el ritmo, y es un buen sentimiento."

Jones es uno de los alrededor de 4400 empleados en el centro de Jülich, con los recursos del Centro divididos entre los científicos internos trabajando en ese lugar (los cuales son alrededor de 1500, incluyendo estudiantes de doctorado y becarios) y los usuarios externos de otros centros europeos de investigación y universidades. Jones dice: "El centro Jülich es una instalación nacional con alrededor del 35 por ciento de la potencia de cálculo utilizada por los científicos del centro."

"Tenemos menos tiempo que los usuarios procedentes de fuera del centro, pero también somos menos. Sin embargo, puede ser una lucha en curso para asegurarse de que no se pase por alto conseguir tiempo suficiente de las máquinas, pero creo que te darás cuenta de que la situación es distinta a la de otros centros de HPC", añade Jones.

El Dr Erik Koch también está utilizando las instalaciones de Jülich para tratar de comprender las propiedades de un conjunto diferente de materiales de los de Jone's, aleaciones de Ge-Sb-Te. Estos incluyen superconductores de alta temperatura, materiales magnetorresistivos y cristales orgánicos que pueden conducir la electricidad.

Estos materiales tienen que ser simulados de una manera diferente a las aleaciones ya que la teoría de densidad funcional se rompe debido a la complejidad de las estructuras, como Koch explica: «La física de estos sistemas es tal que no podemos usar aproximaciones del campo medio, se ha de confrontar con el problema completo de muchos cuerpos'.

Pero el problema de muchos cuerpos, que es el verdadero y, por tanto, más complejo de estudiar los efectos de las interacciones entre organismos, trae consigo una nueva serie de desafíos. Por ejemplo, si un físico desea describir el estado de muchos cuerpos de un solo átomo de hierro, entonces la friolera de 10⁷⁸ números tienen que ser almacenados en el sistema que simule el átomo. Koch dice: "Para darse cuenta de cómo esa fuerza bruta es, usted tiene que darse cuenta de que este número corresponde al número de átomos en decenas y decenas de galaxias".

Koch agrega: "Aunque, en principio, sabemos qué hacer, en la práctica es imposible hacer frente a esos números por lo que necesitamos simplificar el problema y utilizar un modelo de descripción que es bastante simple de manejar, pero también puede describir el material con precisión, y aquí es donde entra HPC"

Las máquinas Bluegene en Jülich han proporcionado un gran impulso a la investigación de Koch como el aumento de potencia implica lograr simulaciones más exactas, como dice: "La física detrás de estos materiales es tan difícil para simular que sólo se ha alcanzado el umbral para el logro de simulaciones realistas".

Y por último, Koch es capaz de obtener resultados cuantitativos utilizando máquinas de supercomputación, como él explica: "El anterior superordenador simplemente no tenía la potencia de cálculo para tales cálculos. Sólo las máquinas masivamente paralelas como Bluegene nos permiten no sólo hacer un modelo aproximado de lo que está sucediendo cualitativamente, sino finalmente llegar a resultados cuantitativos de estos materiales."

Koch tiene la esperanza de que cada vez se puedan simular estructuras más complejas en el futuro, por ejemplo, de modelado de materiales para simular dispositivos estructurados: "Al igual que los grandes avances dentro de simulaciones utilizando la teoría de densidad funcional de hace 30 años, esperamos ser capaces de aumentar la escala de nuestras simulaciones a ser cada vez más realistas y, tal vez, describir las interfaces más complejas y no sólo los materiales homogéneos."

Y Koch también es optimista en cuanto a que Jülich será capaz de ampliar su HPC poder hacer frente a la simulación de esas interfaces: "En la actualidad, son casi imposible de hacer, sino que debe convertirse en viable en un futuro próximo".

El centro Jülich es parte de la más amplia "Helmholtz Association", que cuenta con 15 centros de investigación y un presupuesto anual de alrededor de 2.35 billones de €, por lo que es una de las mayores organizaciones científicas en Alemania. También hay una importante presencia HPC dentro de la Asociación Helmholtz, que ayuda a la investigación científica en temas desde la astrofísica a la investigación de la célula pasando por la física de partículas.

DESY (Deutsches Elektronen-Sincrotrón), otro centro de investigación de la Helmholtz Association, proporciona acceso a las computadoras para fines especiales, que están optimizadas para aplicaciones de física de partículas elementales. Estos ordenadores han sido desarrollados mediante colaboración italiano-alemana y, posteriormente, italiano-alemana-francesa y los recursos de estas computadoras están disponibles a través de John von Neumann-Institute for Computing.

La investigación realizada en los ordenadores de computación paralela DESY pretenden comprender las propiedades y las interacciones de quarks y gluons, que son los bloques de construcción de partículas como el protón y el neutrón. En simulaciones a gran escala una formulación discretizadas de la teoría, llamada cromodinámica cuántica (QCD), se está investigando y esta versión de la teoría se llama red QCD. El Dr Dirk Pleiter está investigando la teoría QCD utilizando las instalaciones de DESY, y la potencia HPC proporcionada por el centro es crucial en el marco de su investigación, como explica: "Cada vez hay más pruebas de que la cromodinámica cuántica es la teoría de interacciones fuertes, una de las más conocidas fuerzas fundamentales en la naturaleza. Muchos resultados interesantes hasta el momento sólo se obtienen por medio de simulaciones numéricas. Para nuestras aplicaciones la disponibilidad de una arquitecturas de ordenadores con grandes posibilidades de ampliación, es decir, máquinas en las cuales el rendimiento no se deteriore con el aumento del número de procesadores, es una cuestión clave".

Y añade: "Los avances en las simulaciones de QCD está en gran medida limitada por la disponibilidad de capacidad de los ordenadores. Afortunadamente, nuestras aplicaciones están bien preparadas para paralelización en un gran número de procesadores." El acceso a las máquinas donde las aplicaciones pueden ser ejecutados en miles de nodos sólo está disponible en los centros de HPC.

La red QCD también se basa en gran medida en supercomputación, como Pleiter dice: "La investigación en red QCD sólo es posible a causa de que las computadoras de la gama multi-teraflops está disponible·.

El centro DESY es un lugar excepcional dentro de Alemania, según Pleiter, que añade: "Este centro es especial en el sentido de que proporciona acceso a las computadoras con fines especiales y que participa en el desarrollo de esas computadoras."

Colaboración en el futuro

El uso de los centros de HPC es claramente un deber para los tiempos modernos, con la mayoría de los científicos incapaces de completar sus investigaciones sin ellos, como dice Jones: "He estado haciendo cálculos sobre los sólidos, líquidos y moléculas durante la mayor parte de mi carrera y tan pronto como hubieron supercomputadoras disponibles, yo estuve allí. Así que, ¿cómo la computación de alto desempeño ayudó a mi investigación científica? La ha hecho posible".

Las simulaciones en HPC son comparables a otros experimentos científicos masivos debido a su tamaño, costo y que sólo pueden utilizarse para responder a determinadas cuestiones científicas, como Jones añade: "Veo una instalación como Jülich equivalente a un reactor nuclear o acelerador de partículas que producen rayos X. Los reactores son caros de construir y mantener y son utilizados por un número relativamente pequeño de personas, pero los neutrones que producen son necesarios para responder a determinados problemas científicos. Del mismo modo, un centro de HPC es necesaria para otros problemas".

Pero, como el tamaño, y por tanto, los costes de construcción y mantenimiento de tales lugares de HPC para la investigación científica crecen como bolas de nieve, el único camino para la supercomputación alemana, es crecer, según el Dr Pleiter, que dice: "Los científicos en Alemania tienen un montón de oportunidades para llevar a cabo sus investigación. En febrero, el Jülich Supercomputer Centre, dio a conocer que, en el momento de su inauguración, era el superordenador civil más rápido del mundo. Por otra parte prometedores proyectos para la construcción de las nuevas generaciones de ordenadores con fines especiales se encuentran en el camino, lo que se traducirá en rapidez adicional para los recursos informáticos."

Este aire de optimismo se hizo eco de los científicos de Jülich, que también sienten la necesidad de la colaboración europea que será necesaria para construir y gestionar cada vez servicios HPC más grandes, el Dr Jones añade: "La próxima generación de superordenadores será muy cara, y por tanto, requiere la cooperación entre los países europeos para encontrar la financiación para hacerlos posibles. Espero que Jülich mantendrá su lugar cerca de la parte delantera que de la clasificación dentro de la supercomputación alemana, europea y mundial."

Referencias:

1. RO Jones and J. Akola, Nanoscale Phase Transitions in Phase Change Materials IFF Scientific Report 2007 , pp. 1. RO Jones y J. Akola, nanoescala Transiciones de fase de cambio de fase en materiales FIB Memoria Científica 2007, pp. 158-159 (2008). 158-159 (2008).

2. J. 2. J. Akola and RO Jones, Structural Patterns in Ge/Sb/Te Phase-change Materials in 'NIC Symposium 2008, Proceedings' , G. Münster, D. Wolf, and M. Kremer (Editors), John von Neumann Institute for Computing, Jülich, NIC Series Volume 39 ISBN 978-3-9810842-5-1, pp. Akola y RO Jones, patrones estructurales en Ge / Sb / Te cambio de fase en materiales' NIC Simposio de 2008, las deliberaciones ", Münster G., D. Wolf, y Kremer M. (Editors), John von Neumann Instituto de Informática, Jülich , NIC Serie Tomo 39 ISBN 978-3-9810842-5-1, pp. 179-186 (2008). 179-186 (2008).

3. J. 3. J. Akola and RO Jones, Structural phase transitions on the nanoscale , Phys. Akola y RO Jones, transiciones de fase estructurales en la nanoescala, Phys. Rev. B 76, 235201 (2007). Rev B 76, 235201 (2007). Search features Buscar características

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