¿Cómo se calcula la velocidad de los superordenadores?

Los superordenadores son máquinas extraordinariamente poderosas que se utilizan en áreas como la ciencia, la ingeniería y la inteligencia artificial para realizar cálculos a velocidades inimaginables. Pero ¿cómo se mide exactamente su velocidad? Para comprender mejor el poder de estos gigantes tecnológicos, veamos las métricas y métodos utilizados para calcular la velocidad de los superordenadores, y por qué es importante.

¿Qué es un superordenador?

Antes de profundizar en cómo se mide su velocidad, es útil entender qué es un superordenador. Un superordenador es una máquina que supera ampliamente la capacidad de cálculo de los ordenadores convencionales. Se utiliza para resolver problemas complejos que requieren grandes cantidades de procesamiento de datos, como simulaciones climáticas, investigaciones en física cuántica o análisis de grandes bases de datos para la medicina y la biotecnología.

Estos sistemas están compuestos por miles o incluso millones de procesadores interconectados que trabajan en paralelo, lo que les permite realizar tareas extremadamente rápidas y eficientes. El rendimiento de los superordenadores se mide utilizando diferentes métricas, siendo la principal el número de cálculos que pueden realizar por segundo.

La unidad de medida: FLOPS

La velocidad de los superordenadores se mide en FLOPS (Floating Point Operations Per Second), que se traduce como "operaciones de punto flotante por segundo". El punto flotante es un formato numérico que permite representar números con decimales, algo crucial para cálculos científicos y matemáticos complejos.

A diferencia de las operaciones por segundo que pueden realizar los ordenadores de uso cotidiano, los superordenadores realizan miles de millones, billones o incluso más de estas operaciones. Por eso, la velocidad de los superordenadores se mide en escalas más grandes como:

• GigaFLOPS (GFLOPS): Mil millones de operaciones por segundo.
• TeraFLOPS (TFLOPS): Un billón de operaciones por segundo.
• PetaFLOPS (PFLOPS): Mil billones de operaciones por segundo.
• ExaFLOPS (EFLOPS): Un trillón de operaciones por segundo.

Por ejemplo, uno de los superordenadores más rápidos del mundo, Frontier, que está operando en Estados Unidos, ha superado la barrera del exaflop, es decir, puede realizar más de un trillón de operaciones por segundo, una hazaña increíble en la computación moderna.

¿Qué son las operaciones de punto flotante?

Las operaciones de punto flotante son cálculos que incluyen números muy grandes o muy pequeños que requieren una representación precisa. Este tipo de operaciones es fundamental para campos científicos y de ingeniería que dependen de cálculos numéricos muy detallados, como la simulación de fluidos, la predicción meteorológica y el modelado molecular.

(Foto: Argonne National Laboratory)

¿Cómo se mide la velocidad de un superordenador?

La medición de la velocidad de los superordenadores no se basa solo en cuántos procesadores tiene, sino en qué tan rápido y eficientemente pueden resolver problemas complejos. Para medir la velocidad de un superordenador se utilizan pruebas estandarizadas que ejecutan una serie de cálculos muy específicos y difíciles.

1. Benchmarking con LINPACK

El método más común para medir el rendimiento de un superordenador es el benchmark LINPACK, un conjunto de pruebas que mide cuántos FLOPS puede realizar el sistema al resolver ecuaciones lineales. LINPACK es el estándar de facto utilizado para clasificar los superordenadores más potentes del mundo, y se utiliza en la lista TOP500, que se publica dos veces al año.

En este benchmark, el superordenador ejecuta un algoritmo que realiza cálculos matemáticos repetitivos. La prueba determina cuántas de estas operaciones de punto flotante puede realizar por segundo, y se registra el número máximo de FLOPS alcanzado.

2. Mediciones en condiciones reales

Aunque el LINPACK es el estándar, hay otros benchmarks que evalúan el rendimiento de los superordenadores en situaciones más específicas o en aplicaciones del mundo real. Algunos ejemplos incluyen:

• HPCG (High-Performance Conjugate Gradient): Diseñado para reflejar aplicaciones científicas reales, mide cómo maneja el sistema problemas de simulación física o ingeniería.
• Graph500: Evalúa la capacidad del sistema para manejar grandes bases de datos y resolver problemas complejos relacionados con grafos, lo cual es importante en la inteligencia artificial y análisis de datos masivos.

3. Eficiencia energética

Otra métrica importante a la hora de medir la velocidad de un superordenador es su eficiencia energética, es decir, cuántos cálculos puede realizar por vatio de energía. Los superordenadores requieren enormes cantidades de energía para funcionar, y la eficiencia energética se ha convertido en una prioridad para hacerlos más sostenibles. La lista Green500 clasifica a los superordenadores según su rendimiento por unidad de energía consumida, lo que destaca la importancia de la eficiencia en las tecnologías de alto rendimiento.

Factores que afectan la velocidad de los superordenadores

Aunque la velocidad teórica en FLOPS es una métrica clave, el rendimiento real de un superordenador puede verse afectado por varios factores:

1. Arquitectura del procesador

La arquitectura del procesador es fundamental para el rendimiento. Los superordenadores modernos utilizan procesadores diseñados específicamente para la computación en paralelo, lo que significa que pueden ejecutar múltiples tareas al mismo tiempo. Algunos de los procesadores más utilizados en supercomputación incluyen los de la serie Xeon de Intel, EPYC de AMD y procesadores especializados como las GPU de Nvidia.

2. Memoria y almacenamiento

La velocidad del acceso a la memoria es crucial para los superordenadores. Un sistema de supercomputación necesita manejar grandes cantidades de datos rápidamente, por lo que la memoria RAM y el tipo de almacenamiento juegan un papel clave. Además, el uso de tecnologías como la memoria de alto ancho de banda (HBM) ayuda a mejorar la velocidad de procesamiento al reducir los cuellos de botella.

3. Interconexiones y comunicación entre nodos

Los superordenadores están formados por cientos o miles de nodos, cada uno de los cuales contiene varios procesadores. La velocidad con la que estos nodos pueden comunicarse entre sí, conocida como latencia de red, es un factor determinante en la velocidad general de la máquina. Las interconexiones rápidas y eficientes, como InfiniBand, aseguran que los datos se transmitan rápidamente entre los diferentes nodos del sistema.

4. Optimización del software

El software que se ejecuta en un superordenador también debe estar optimizado para aprovechar al máximo el hardware. Los programas mal diseñados o ineficientes pueden limitar severamente el rendimiento, independientemente de lo potente que sea el hardware. Los ingenieros de software optimizan los algoritmos y el código para maximizar la eficiencia de los recursos del superordenador.

Superordenadores más rápidos del mundo

La lista TOP500 clasifica regularmente a los superordenadores más rápidos del planeta. Algunos de los líderes actuales son:

• Frontier (Estados Unidos): El primer superordenador en alcanzar el hito del exaFLOP, capaz de realizar más de un trillón de operaciones por segundo.
• Fugaku (Japón): Considerado uno de los superordenadores más potentes, utilizado para la investigación científica y simulaciones avanzadas.
• Summit (Estados Unidos): Un superordenador de IBM que se usa para la investigación en áreas como la inteligencia artificial y el modelado del clima.

Importancia de la velocidad en los superordenadores

La velocidad de los superordenadores es esencial para una amplia gama de aplicaciones críticas. Desde predecir el clima con mayor precisión hasta desarrollar nuevos medicamentos y materiales, estos sistemas permiten realizar simulaciones complejas que de otro modo llevarían años con equipos convencionales. Además, la supercomputación juega un papel clave en la inteligencia artificial, procesando grandes cantidades de datos en tiempo real para mejorar los sistemas de aprendizaje automático.