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Supercomputer: cos’è il calcolo exascale?

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Exascale computing è la prossima pietra miliare nello sviluppo dei supercomputer in grado di elaborare le informazioni molto più velocemente dei supercomputer più potenti di oggi, i computer exascale forniranno agli scienziati un nuovo strumento per affrontare alcune delle più grandi sfide che il nostro mondo deve affrontare, dal cambiamento climatico alla comprensione del cancro alla progettazione di nuovi tipi di materiali.

I computer Exascale sono computer digitali, più o meno simili ai computer e ai supercomputer odierni ma con hardware molto più potente. Questo li rende diversi dai computer quantistici, che rappresentano un approccio completamente nuovo alla costruzione di un computer adatto a specifici tipi di domande.

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In che modo l’elaborazione exascale si confronta con altri computer? Un modo in cui gli scienziati misurano le prestazioni del computer è nelle operazioni in virgola mobile al secondo (FLOPS). Questi comportano semplici problemi aritmetici come addizioni e moltiplicazioni. In generale, una persona può risolvere problemi di addizione con carta e penna a una velocità di 1 FLOP. Ciò significa che ci vuole un secondo per fare un semplice problema di addizione. I computer sono molto più veloci delle persone. Le loro prestazioni in FLOPS hanno così tanti zeri che i ricercatori usano invece i prefissi.

Ad esempio, il prefisso “giga” indica un numero con nove zeri. Un moderno processore per personal computer può funzionare nella gamma dei gigaflop, a circa 150.000.000.000 FLOPS o 150 gigaFLOPS. “Tera” significa 12 zeri.

I computer hanno raggiunto il traguardo del terascale nel 1996 con il supercomputer Intel ASCI Red del Dipartimento dell’Energia (DOE).

Il supercomputer Frontier dell'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) dovrebbe essere il primo computer a esascala negli Stati Uniti. Credito: Immagine gentilmente concessa dall'Oak Ridge National Laboratory
Il supercomputer Frontier dell’Oak Ridge National Laboratory (ORNL) dovrebbe essere il primo computer a esascala negli Stati Uniti. Credito: Immagine gentilmente concessa dall’Oak Ridge National Laboratory.

L’elaborazione exascale è inimmaginabilmente più veloce di così. “Exa” significa 18 zeri. Ciò significa che un computer exascale può eseguire più di 1.000.000.000.000.000.000 di FLOP o 1 exaFLOP. Questo è più di un milione di volte più veloce del picco di prestazioni di ASCI Red nel 1996.

Costruire un computer così potente non è facile. Quando gli scienziati hanno iniziato a pensare seriamente ai computer exascale, hanno previsto che questi computer avrebbero bisogno di tanta energia quanta ne avrebbero utilizzata fino a 50 case. Questa cifra è stata ridotta, grazie alla ricerca in corso con i fornitori di computer. Gli scienziati hanno anche bisogno di modi per garantire che i computer exascale siano affidabili, nonostante l’enorme numero di componenti che contengono. Inoltre, devono trovare il modo di spostare i dati tra processori e storage in modo sufficientemente veloce da prevenire rallentamenti.

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Perché abbiamo bisogno di computer exascale? Le sfide che il nostro mondo deve affrontare e le più complesse questioni di ricerca scientifica richiedono sempre più potenza di computer per essere risolte. I supercomputer Exascale consentiranno agli scienziati di creare modelli climatici e del sistema terrestre più realistici. Aiuteranno i ricercatori a comprendere la nanoscienza alla base dei nuovi materiali.

I computer Exascale ci aiuteranno a costruire future centrali elettriche a fusione. Daranno impulso a nuovi studi sull’universo, dalla fisica delle particelle alla formazione delle stelle. E questi computer aiuteranno a garantire la sicurezza e la protezione degli Stati Uniti supportando compiti come il mantenimento del nostro deterrente nucleare.

Fatti veloci

  • Guarda un video di una simulazione COVID basata su exascale
    da NVIDIA.
  • Le prestazioni dei computer sono aumentate costantemente dagli anni ’40.
  • Il computer a valvole Colossus è stato il primo computer elettronico al mondo. Costruito in Gran Bretagna durante la seconda guerra mondiale, Colossus ha funzionato a 500.000 FLOP.
  • CDC 6600 nel 1964 è stato il primo supercomputer con 3 megaFLOPS.
  • Cray-2 nel 1985 è stato il primo supercomputer a raggiungere oltre 1 gigaFLOP.
  • ASCI Red nel 1996 è stato il primo computer massicciamente parallelo a superare un teraFLOP.
  • Roadrunner nel 2008 primo supercomputer a raggiungere 1 petaFLOP.

Contributi DOE all’Exascale Computing

Il programma Advanced Scientific Computing Research del Dipartimento dell’Energia (DOE) dell’Office of Science ha collaborato per decenni con aziende tecnologiche statunitensi per costruire supercomputer che rompano le barriere nella scoperta scientifica. Lawrence Berkeley, Oak Ridge e Argonne National Laboratories ospitano strutture per gli utenti del DOE Office of Science per l’elaborazione ad alte prestazioni. Queste strutture offrono agli scienziati l’accesso al computer in base ai potenziali benefici della loro ricerca. L’Exascale Computing Initiative del DOE, co-guidata dall’Office of Science e dalla National Nuclear Security Administration (NNSA) del DOE, è iniziata nel 2016 con l’obiettivo di accelerare lo sviluppo di un ecosistema di calcolo exascale. Uno dei componenti dell’iniziativa è il settennio Exascale Computing Project.

Il progetto mira a preparare scienziati e strutture informatiche per l’exascale. Si concentra su tre grandi aree:

Sviluppo di applicazioni: creazione di applicazioni che sfruttano appieno i computer exascale.
Tecnologia software: sviluppo di nuovi strumenti per la gestione dei sistemi, la gestione di enormi quantità di dati e l’integrazione dei computer futuri con i sistemi informatici esistenti.
Hardware e integrazione: stabilire partnership per creare nuovi componenti, nuova formazione, standard e test continui per far funzionare questi nuovi strumenti presso i laboratori nazionali e altre strutture.
Il DOE sta implementando i primi computer a esascala degli Stati Uniti: Frontier presso ORNL e Aurora presso l’Argonne National Laboratory e El Capitan presso il Lawrence Livermore National Laboratory.

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