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Arriba: Las nuevas supercomputadoras Serie SGI®
Origin® 3000, que aquí se muestran, junto con las herramientas de software desarrolladas
en el Centro de Investigación Ames, de la NASA, están mejorando diez veces más la potencia de la computación.
La computadora de la derecha tiene el tamaño de un alto gabinete de archivo. Imagen cortesía de SGI.
"Esto es algo que queremos lograr, de manera que cuando los funcionarios encargados
de políticas ambientales deban tomar decisiones sobre planes de acción que involucran
cientos de millones de dólares en la economía, puedan también decir: Tenemos
confianza [en estas simulaciones]," afirma el Dr. Ghassem Asrar, Administrador
Asociado para la Oficina de las Ciencias de la Tierra, en la sede central de la NASA,
en Washington, D.C. Ya sea que el tema esté relacionado con la trayectoria de un huracán que se aproxima o con el aumento de las temperaturas de la Tierra durante el próximo siglo, las predicciones implican siempre cierto grado de incertidumbre. Los "modelos" por computadora que producen las simulaciones, sin embargo, pueden ser perfeccionados de manera que sea posible reducir esta incertidumbre. Para llevar a cabo estas mejoras, es necesario que los científicos puedan tener acceso a supercomputadoras con la máxima potencia posible. Con el fin de suministrar la inmensa potencia que se necesita para realizar los
largos y complejos cálculos de las exigentes
aplicaciones científicas -- como la simulación del clima -- algunos fabricantes
de computadoras están volcándose a los diseños "paralelos" con cientos o miles
de procesadores en una sola supercomputadora. Las características de estas máquinas hacen que hasta las microcomputadoras más veloces parezcan calculadoras de bolsillo. Por ejemplo, la supercomputadora más reciente disponible en el Centro Goddard de Vuelos Espaciales, en la NASA, cuenta con 512 procesadores, cada uno de los cuales funciona a 400MHz, con 128 GB de memoria de acceso aleatorio (RAM, por sus siglas en inglés), 2.800 GB de espacio en disco, y ¡un rendimiento pico de 409 gigaflops! (Un "gigaflop" significa mil millones de cálculos por segundo.) Una máquina más moderna, en el Centro de Investigación Ames, de la NASA, superará incluso a la mencionada anteriormente, ya que contará con 1.024 procesadores.  Arriba: La línea inferior
muestra cómo el aumento en la potencia de las computadoras (gigaflops)
normalmente disminuye de manera gradual, a medida que aumenta el número
de procesadores. La línea superior muestra el rendimiento en los mismos
procesadores, utilizando las herramientas de software desarrolladas por la
NASA. Imagen cortesía de la NASA
[más información] Pero simplemente agregar más procesadores no garantiza un aumento
proporcional en la potencia efectiva. En realidad, el máximo potencial de
estas supercomputadoras paralelas aún no ha sido aprovechado.
"Entonces, ¿cuál es el problema? Cada nodo (o sea, procesador) posee cierto rendimiento," explica Asrar. "Individualmente funcionan bien, pero a medida que se van sumando, al aumentar el número de nodos, el rendimiento total disminuye." Por ejemplo, un sistema con 100 procesadores no sería 100 veces más potente que un simple procesador -- el rendimiento total sería algo menor. Esta pérdida del rendimiento de las computadoras es semejante a lo
que sucede cuando las personas tienen que trabajar en forma conjunta para cumplir
con una tarea determinada. Se debe dedicar cierto esfuerzo a manejar y a
coordinar a la gente involucrada en dicha tarea -- esfuerzo que no se orienta
hacia la producción de algo específico -- y hasta los trabajadores productivos deben
perder algún tiempo comunicándose entre sí. De manera similar, una supercomputadora
con más procesadores debe utilizar mayor potencia para coordinarlos,
y el aumento de las comunicaciones entre todos los procesadores hace atascar
el sistema. Izquierda: Las simulaciones del clima de la Tierra se encuentran dentro de los problemas más complejos de la ciencia. Haga un clic sobre la imagen para ver una película MPG. Durante los últimos cuatro años, los científicos del Centro de Investigación Ames, de la NASA, han estado trabajando junto con el fabricante de computadoras Silicon Graphics, Inc., para abordar este problema. Los frutos de su labor son dos nuevas tecnologías que aumentan la potencia efectiva de estas máquinas en aproximadamente un orden de magnitud (o sea, un factor de 10). Ambas tecnologías están disponibles libremente para el público de las supercomputadoras, se comercializan en forma independiente de los vendedores de computación, y no son específicas para el diseño de modelos climáticos. La primera de estas tecnologías es una estructura de memoria llamada
"memoria compartida de imagen única" (single-image shared memory, en inglés). En este diseño, toda
la memoria de la
supercomputadora es utilizada como un espacio de
memoria continuo por todos los procesadores . (Otras estructuras distribuyen la memoria
entre los procesadores.)
Esto permite que los procesadores intercambien los mensajes necesarios para
coordinar sus operaciones accediendo a este "terreno común" de memoria. Este
esquema es más eficaz que pasar los mensajes directamente entre los procesadores,
como lo hace la mayoría de las supercomputadoras paralelas.
Estos modelos funcionan dividiendo la atmósfera y los océanos en una rejilla tridimensional de cuadros. En estos cuadros se les asignan valores a la temperatura, el contenido de humedad, el contenido químico, etc., y luego se calculan las interacciones entre los cuadros utilizando ecuaciones físicas y químicas. El resultado es una aproximación del sistema real. Al disponer de una mayor velocidad de computación, se pueden incorporar a los modelos más elementos de la física del sistema real del clima, y la atmósfera puede ser dividida en una mayor cantidad de cuadros más pequeños. Esto hace que los modelos estén más cercanos a la realidad, y los pronósticos que produzcan serán de mayor interés a escala regional. Asimismo, la capacidad para hacer funcionar estos modelos más rápidamente,
significará que se podrán obtener más simulaciones, las cuales producirán una mayor
cantidad de resultados. En términos estadísticos, esta "población" más numerosa,
permitirá un mejor análisis de la solidez de las conclusiones.  Arriba: Las herramientas desarrolladas por NASA y SGI pueden ser utilizadas también para otras clases de simulaciones. Aquí se muestra el modelo por supercomputadora de una proteína humana. [más información] El grupo de satélites de la NASA que observa la Tierra, junto con la red mundial de estaciones meteorológicas, proporciona la "dosis" de información real que se necesita para continuar investigando los modelos. Y los archivos de esta información ofrecen los campos de prueba ideales para los modelos: ¿podrían las computadoras "pronosticar" con precisión, el clima real observado en el pasado? Asrar dice que los modelos por computadora ya son bastante apropiados para
hacerlo, pero todavía se pueden perfeccionar. A medida que las supercomputadoras
continúen avanzando -- junto con el software que utiliza esa potencia -- los
modelos del clima se tornarán más y más precisos, y ofrecerán mejores respuestas
a las inquietantes preguntas sobre el cambio del clima. |
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