Titan, nuovo re dei super computer grazie a un cuore tutto "grafico"

E’ americano il nuovo super computer più potente del mondo, con una velocità di calcolo doppia rispetto al computer giapponese “K”. Il suo segreto è il calcolo parallelo su schede grafiche, come ci spiegano i responsabili di Nvidia, azienda che ha realizzato le unità di calcolo nel cuore del potentissimo elaboratore
di MASSIMILIANO RAZZANO,da Repubblica

Titan, il supercomputer

TITAN, 20 petaflop. E’ questo l’impressionante biglietto da visita del nuovo super computer presentato oggi all’Oak Ridge National Laboratory 1 in Tennessee. Con una simile potenza di calcolo, Titan supera il computer giapponese “K” 2, balzando in testa alla classifica dei super computer più potenti del mondo. Ma a differenza di molti suoi “cugini” elettronici, Titan sfrutta in maniera massiccia la potenza di calcolo offerta dalle schede grafiche, particolarmente adatte per il calcolo parallelo. Il cuore di Titan è infatti costituito da oltre 18 mila schede Tesla K20 prodotte da NVIDIA 3, l’azienda californiana leader nel settore delle schede grafiche e della grafica computerizzata. L’enorme potenza offerta da questo nuovo super computer aiuterà gli scienziati a studiare molti complessi problemi in vari campi della ricerca moderna, dalla medicina allo studio dei cambiamenti climatici.

Dai videogiochi alla scienza - Per avere computer sempre più veloci, una strategia molto sfruttata è quella del calcolo parallelo. Invece di far svolgere un compito ad una singola unità processore (CPU), si suddivide il lavoro fra molti processori, che lavorano in maniera coordinata, ciascuno svolgendo una piccola parte del calcolo iniziale. E’ questa la tecnologia usata in molti super computer e persino nei nostri personal computer, che possono essere dual-core o simili, ed avere cioè due, quattro o persino otto unità di calcolo.

Ma secondo gli esperti, la rivoluzione nel calcolo parallelo non arriverà da sofisticati progetti scientifici, bensì da un campo completamente diverso: quello dei videogiochi. La grafica tridimensionale dei videogiochi moderni richiede infatti una grande quantità di operazioni, ad esempio per calcolare gli effetti di ombre e di luci sugli oggetti. Per questo motivo sono state sviluppate delle schede grafiche dotate di moltissimi processori capaci di svolgere singoli calcoli in parallelo. Queste unità di accelerazione grafica, dette Graphics Processing Unit (GPU) contengono centinaia di processori paralleli capaci di svolgere semplici operazioni in modo molto rapido. Le potenzialità delle schede GPU non sono di certo sfuggite agli scienziati, che hanno imparato a programmarle per eseguire simulazioni e calcoli scientifici.

Tra le molte soluzioni presenti sul mercato, le schede NVIDIA sono estremamente utilizzate per il calcolo scientifico, grazie anche allo sviluppo di CUDA, un apposito linguaggio di programmazione che permette di programmare in maniera relativamente semplice queste schede. Siccome poi queste schede sono inoltre prodotte su grande scala per il mercato dei videogiochi, la tecnologia GPU è risultata relativamente a basso costo, altro punto di forza.

L’azienda di Santa Clara ha quindi iniziato un percorso di grande successo, che dalle schede grafiche per videogiochi ha portato allo sviluppo di schede apposite per il calcolo scientifico, come le schede Tesla K20 che costituiscono il cuore di Titan. Titan è un punto significativo nella corsa verso il calcolo all’esascala, ovvero la realizzazione di computer da 1000 petaflop.

Ma quali sono i segreti e le potenzialità del nuovo super computer Titan? Lo abbiamo chiesto a Sumit Gupta, General Manager della Tesla Accelerated Computing Unit di NVIDIA.

Come possiamo confrontare Titan con gli altri super computer nel mondo?
“Essendo il super computer più veloce per la ricerca scientifica, Titan sta aprendo la via ad una nuova era di super-calcolo accessibile ed efficiente, l’”Era del calcolo accelerato”. In questa era, i super computer aggiungono acceleratori grafici, come le GPU, alle CPU x86 per aumentare in modo significativo la velocità delle applicazioni scientifiche e commerciali. Titan risalta fra i molti super computer tradizionali perché una porzione significativa delle sue capacità di calcolo sono fornire dalle GPU. La maggior parte degli esperti in questo campo crede che i cluster tradizionali, basati solamente sulle CPU x86, non siano abbastanza efficienti da portarci nel futuro del super-calcolo. Questa nuova era è appena iniziata. Secondo la classifica Top500  pubblicata a giugno 2012, il numero di super computer che sfruttano gli acceleratori GPU è cresciuto del 400% nel giro di un anno. Una delle caratteristiche chiave di Titan è l’uso di processori e acceleratori GPU standard e “preconfezionato”. Il computer K in Giappone o il super computer Sequoia negli Stati Uniti, basato sul sistema IBM Blue Gene/Q System, sono basati su tecnologie proprietarie realizzate appositamente per l’industria del calcolo ad alte prestazioni. A causa dei grandi costi e del basso volume di produzione, i sistemi proprietari stanno lasciando il passo a sistemi GPU più efficienti ed accessibili“.

Quali sono i vantaggi principali dell’uso delle GPU in Titan?
“Le prestazioni di picco di Titan sono di più di 20 petaflop, ovvero 20 milioni di miliardi di operazioni in virgola mobile al secondo (la potenza di K è circa 10.5 petaflop, ndA). Circa il 90% di questa potenza viene dalle 18688 schede GPU Tesla K20 della NVIDIA. Titan è circa dieci volte più veloce e cinque volte più efficiente del suo predecessore, il sistema Jaguar da 2,3 petaflop. Soprattutto, le GPU hanno trasformato Jaguar nel più potente strumento per gli scienziati per accelerare il passo di scoperta ed innovazione in un intervallo di campi scientifici, dalla predizione degli impatti degli uragani ad una migliore precisione nel trovare cure per il cancro. Gli scienziati nel settore di ricerca sulla combustione stanno già iniziando ad usare Titan per accelerare la scoperta di idrocarburi più efficienti, riducendo i tempi di simulazione dai mesi alle settimane”.

Quanto tempo ha richiesto la progettazione costruzione e test di Titan?
“Titan  era un progetto a più fasi iniziato un anno fa quando 56 dei 200 cabinet del sistema Jaguar sono stati aggiornati alla più recente architettura Cray XK6. OAk Ridde ha installato le 18,688 schede Tesla in meno di un mese”.

Quali sono alcuni esempi di applicazioni scientifiche?
“In aggiunta alle ricerche sulla combustione, due altri esempi di applicazioni scientifiche sono lo studio nel settore nucleare e dei cambiamenti climatici. L’energia nucleare fornisce circa il 20% del consumo di elettricità degli Stati Uniti.  Gli scienziati di Oak Ridge usano le simulazioni per migliorare la sicurezza e le prestazioni delle centrali nucleari. Con Titan, le simulazioni 3D di un reattore nucleare sono completate nel giro di ore anziché settimane. Gli scienziati del Centro Nazionale per la Ricerca Atmosferica 5 stanno tracciando l’impatto del cambiamento climatico simulando il sistema Terra con l’atmosfera, gli oceani, le terre emerse ed i ghiacciai. In un singolo giorno di simulazione, Titan permette agli scienziati di simulare 1-5 anni di dati confrontati con i soli 3 mesi di dati su Jaguar”.

Titan sarà accessibile a tutti gli scienziati?
“Come parte del programma INCITE del Dipartimento dell’Energia, Oak Ridge ha accettato proposte dagli scienziati di tutto il mondo ed ha assegnato tempo di calcolo su Titan a 32 progetti. Questi sono altri ricercatori che avranno ampio accesso a Titan nel 2013.”
(29 ottobre 2012)