O que vem por aí para os supercomputadores mais rápidos do mundo, a resposta é que os cientistas começaram a realizar experimentos na Frontier, a primeira máquina exaescala oficial do mundo, enquanto instalações em todo o mundo constroem outras máquinas para se juntarem às fileiras.
A série What’s Next do MIT Technology Review analisa setores, tendências e tecnologias para oferecer uma primeira visão do futuro. Você pode ler o resto da nossa série aqui .
Pode ser difícil compreender a capacidade de processamento de números do supercomputador mais rápido do mundo. Mas o cientista da computação Jack Dongarra, da Universidade do Tennessee, coloca a questão da seguinte forma: “Se todos na Terra fizessem um cálculo por segundo, seriam necessários quatro anos para igualar o que aquele computador pode fazer num segundo.”
O supercomputador em questão chama-se Frontier. Ele ocupa o espaço de duas quadras de tênis no Laboratório Nacional de Oak Ridge, nas colinas do leste do Tennessee, onde foi inaugurado em maio de 2022.
Aqui estão mais algumas especificações: Frontier usa aproximadamente 50.000 processadores, em comparação com os 16 ou 24 do laptop mais poderoso. Ele consome 20 milhões de watts, em comparação com os 65 ou mais de um laptop. Custou US$ 600 milhões para ser construído.
Quando a Frontier entrou online, marcou o início da chamada computação exascale, com máquinas que podem executar um exaflop – ou um quintilhão (10 18 ) de operações de ponto flutuante por segundo. Desde então, os cientistas têm-se preparado para fabricar mais computadores incrivelmente rápidos: várias máquinas à exaescala deverão entrar em funcionamento nos EUA e na Europa em 2024.
Mas a velocidade em si não é o fim do jogo. Os pesquisadores estão construindo computadores em exaescala para explorar questões científicas e de engenharia anteriormente inacessíveis em biologia, clima, astronomia e outros campos. Nos próximos anos, os cientistas usarão o Frontier para executar as simulações computacionais mais complicadas que os humanos já inventaram. Eles esperam investigar questões ainda não respondidas sobre a natureza e projetar novas tecnologias em áreas que vão dos transportes à medicina.
Evan Schneider, da Universidade de Pittsburgh, por exemplo, está usando o Frontier para fazer simulações de como a nossa galáxia evoluiu ao longo do tempo. Em particular, ela está interessada no fluxo de gás que entra e sai da Via Láctea. De certa forma, uma galáxia respira: o gás flui para ela, unindo-se através da gravidade em estrelas, mas o gás também flui para fora – por exemplo, quando as estrelas explodem e libertam matéria. Schneider estuda os mecanismos pelos quais as galáxias expiram. “Podemos comparar as simulações com o universo real observado, e isso nos dá uma ideia se estamos acertando a física”, diz Schneider.
Schneider está usando o Frontier para construir um modelo computacional da Via Láctea com resolução alta o suficiente para ampliar estrelas individuais em explosão. Isso significa que o modelo deve capturar propriedades em grande escala da nossa galáxia a 100.000 anos-luz, bem como propriedades das supernovas a cerca de 10 anos-luz de diâmetro. “Isso realmente não foi feito”, diz ela. Para ter uma ideia do que essa resolução significa, seria análogo à criação de um modelo fisicamente preciso de uma lata de cerveja juntamente com as células de levedura individuais dentro dela e as interações em cada escala intermediária.
Stephan Priebe, engenheiro sênior da GE, está usando o Frontier para simular a aerodinâmica da próxima geração de projetos de aviões. Para aumentar a eficiência de combustível, a GE está investigando um projeto de motor conhecido como “arquitetura de ventilador aberto”. Os motores a jato usam ventiladores para gerar impulso, e ventiladores maiores significam maior eficiência. Para tornar os ventiladores ainda maiores, os engenheiros propuseram a remoção da estrutura estrutural externa, conhecida como nacela, para que as pás fiquem expostas como em um cata-vento. “As simulações nos permitem obter uma visão detalhada do desempenho aerodinâmico logo na fase de projeto”, diz Priebe. Eles fornecem aos engenheiros informações sobre como moldar as pás do ventilador para melhorar a aerodinâmica, por exemplo, ou para torná-las mais silenciosas.
Frontier beneficiará particularmente os estudos de turbulência de Priebe, o movimento caótico de um fluido perturbado – neste caso, o ar – ao redor do ventilador. A turbulência é um fenômeno comum. Vemos isso no bater das ondas do mar e na espiral de fumaça que sobe de uma vela apagada. Mas os cientistas ainda lutam para prever como exatamente um fluido turbulento fluirá. Isso ocorre porque ele se move em resposta a influências macroscópicas, como mudanças de pressão e temperatura, e a influências microscópicas, como a fricção de moléculas individuais de nitrogênio no ar umas contra as outras. A interação de forças em múltiplas escalas complica o movimento.
“Na pós-graduação, [um professor] uma vez me disse: ‘Bronson, se alguém lhe disser que entende de turbulência, você deveria colocar uma mão na carteira e sair da sala, porque eles estão tentando lhe vender alguma coisa, ‘”, diz o astrofísico Bronson Messer, diretor de ciência da Oak Ridge Leadership Computing Facility, que abriga a Frontier. “Ninguém entende a turbulência. É realmente o último grande problema da física clássica.”
Esses estudos científicos ilustram o forte distinto dos supercomputadores: simular objetos físicos em múltiplas escalas simultaneamente. Outras aplicações ecoam esse tema. O Frontier permite modelos climáticos mais precisos, que devem simular o clima em diferentes escalas espaciais em todo o planeta e também em escalas de tempo longas e curtas. Os físicos também podem simular a fusão nuclear, o processo turbulento no qual o Sol gera energia ao unir átomos para formar diferentes elementos. Eles querem compreender melhor o processo para desenvolver a fusão como uma tecnologia de energia limpa. Embora esses tipos de simulações em várias escalas tenham sido um elemento básico da supercomputação por muitos anos, o Frontier pode incorporar uma gama mais ampla de escalas diferentes do que nunca.
Para usar o Frontier, cientistas aprovados fazem login remotamente no supercomputador, enviando seus trabalhos pela internet. Para aproveitar ao máximo a máquina, Oak Ridge pretende ter cerca de 90% dos processadores do supercomputador executando cálculos 24 horas por dia, sete dias por semana. “Entramos neste tipo de estado estacionário em que fazemos constantemente simulações científicas durante alguns anos”, diz Messer. Os usuários mantêm seus dados em Oak Ridge, em uma instalação de armazenamento de dados que pode armazenar até 700 petabytes, o equivalente a cerca de 700 mil discos rígidos portáteis.
Embora o Frontier seja o primeiro supercomputador em exaescala, mais estão surgindo. Nos EUA, os pesquisadores estão instalando atualmente duas máquinas que serão capazes de mais de dois exaflops: Aurora, no Laboratório Nacional Argonne, em Illinois, e El Capitan, no Laboratório Nacional Lawrence Livermore, na Califórnia. A partir do início de 2024, os cientistas planeiam usar o Aurora para criar mapas de neurónios no cérebro e procurar catalisadores que possam tornar mais eficientes processos industriais, como a produção de fertilizantes. El Capitan, também previsto para entrar em operação em 2024, simulará armas nucleares para ajudar o governo a manter o seu arsenal sem testes de armas. Entretanto, a Europa planeia implantar o seu primeiro supercomputador em exaescala, Júpiter, no final de 2024.
A China supostamente também possui supercomputadores em exaescala, mas não divulgou resultados de testes de benchmark padrão de seu desempenho, portanto os computadores não aparecem no TOP500, uma lista semestral dos supercomputadores mais rápidos. “Os chineses estão preocupados com o facto de os EUA imporem limites adicionais em termos de tecnologia que vai para a China e estão relutantes em revelar quantas destas máquinas de alto desempenho estão disponíveis”, diz Dongarra, que concebeu o padrão de referência que os supercomputadores devem atingir. TOP500.
A fome por mais poder computacional não termina com a exascale. Oak Ridge já está considerando a próxima geração de computadores, diz Messer. Estes teriam três a cinco vezes o poder computacional do Frontier. Mas surge um grande desafio: a enorme pegada energética. A energia que a Frontier consome, mesmo quando está ociosa, é suficiente para abastecer milhares de casas. “Provavelmente não é sustentável para nós apenas aumentarmos as máquinas cada vez mais”, diz Messer.
À medida que Oak Ridge construiu supercomputadores cada vez maiores, os engenheiros trabalharam para melhorar a eficiência das máquinas com inovações, incluindo um novo método de resfriamento. O Summit, o antecessor do Frontier que ainda funciona em Oak Ridge, gasta cerca de 10% do seu uso total de energia para se resfriar. Em comparação, 3% a 4% do consumo de energia da Frontier é para refrigeração. Essa melhoria veio do uso de água em temperatura ambiente para resfriar o supercomputador, em vez de água gelada.
Os supercomputadores da próxima geração seriam capazes de simular ainda mais escalas simultaneamente. Por exemplo, com Frontier, a simulação de galáxias de Schneider tem resolução de até dezenas de anos-luz. Isso ainda não é suficiente para chegar à escala de supernovas individuais, por isso os investigadores devem simular as explosões individuais separadamente. Um futuro supercomputador poderá unir todas essas escalas.
Ao simular a complexidade da natureza e da tecnologia de forma mais realista, estes supercomputadores ultrapassam os limites da ciência. Uma simulação de galáxia mais realista traz a vastidão do universo ao alcance dos cientistas. Um modelo preciso de turbulência do ar em torno de um ventilador de avião evita a necessidade de construir um túnel de vento proibitivamente caro. Melhores modelos climáticos permitem aos cientistas prever o destino do nosso planeta. Por outras palavras, dão-nos uma nova ferramenta para nos prepararmos para um futuro incerto.
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por Sophia Chen
fonte: technologyreview.com