IBM: Blue Gene/Q al servizio della Scienza

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Published on Domenica, 20 Novembre 2011 11:52

Scritto da Andrea Turetta

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Il supercomputer IBM Blue Gene/Q sarà utilizzato come piattaforma per il calcolo tecnico su scala estrema per risolvere i problemi più impegnativi con cui si confrontano ingegneri e scienziati, con una velocità, un’efficienza energetica e un’affidabilità senza precedenti. Secondo le previsioni, Blue Gene/Q sarà in grado di predire il percorso degli uragani, di analizzare il fondo degli oceani per scoprire il petrolio, simulare le prestazioni delle armi nucleari e decodificare le sequenze geniche.

Quando sarà pienamente operativo nel 2012, presso il Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), si prevede che il sistema, denominato “Sequoia”, raggiungerà i 20 petaflops al picco di prestazioni, diventando uno dei supercomputer più veloci al mondo. Le funzionalità rappresentate da questo sistema contribuiranno ad assicurare la leadership degli Stati Uniti nell’High Performance Computing (HPC) e nella Ricerca che lo ha reso possibile. Si prevede, inoltre, che Blue Gene/Q diventerà il computer più efficiente del mondo in termini di alimentazione, “sfornando” 2 gigaflops per watt.

L’LLNL, il famoso laboratorio multidisciplinare di sicurezza nazionale, per la National Nuclear Security Administration (NNSA) del Dipartimento dell’Energia (DOE) statunitense, impiega alcuni dei supercomputer più potenti del mondo per il mantenimento del deterrente nucleare, ormai obsolescente, del Paese senza effettuare test, oltre che per sfide come la gestione di reti elettriche e di comunicazione, la ricerca energetica e il cambiamento climatico. IBM installerà 96 rack, già a partire dal dicembre di quest’anno.

“È stata l’affidabilità, la scalabilità e il basso consumo di energia a suscitare l’interesse della NNSA verso questa macchina e la sua architettura”, spiega Bob Meisner, responsabile del programma Advanced Simulation and Computing della NNSA. “Questa macchina fornirà una piattaforma ideale per la ricerca e lo sviluppo di strategie mirate ad assicurare che i nostri codici più impegnativi girino con efficienza su architetture multi-core. Tali funzionalità forniranno un’enorme mole di informazioni nella formulazione della nostra strategia di sviluppo del codice, nel momento in cui affrontiamo le sfide della simulazione sulla scala di exaflops e promuoviamo lo stato dell’arte nella scienza della simulazione, un progresso necessario per garantire la sicurezza della nazione senza test nucleari”.

Annunciato agli inizi del 2011, anche l’Argonne National Laboratory (ANL) adotterà Blue Gene/Q per progettare batterie per auto elettriche, comprendere il cambiamento climatico ed esplorare l’evoluzione dell’universo. Il sistema da 10 petaflops, denominato “Mira”, fornirà un solido motore per la scienza e la tecnologia, in grado di alimentare l’innovazione nazionale. Argonne è uno dei più antichi e più grandi laboratori del DOE per la ricerca scientifica e ingegneristica, situato fuori Chicago.

“All’Argonne stiamo già sfruttando la potenza di Mira con il nostro programma Early Science, che offre a una vasta gamma di ricercatori l’opportunità di lavorare con il personale tecnico di IBM e di Argonne, per adattare i codici all’architettura esclusiva di Mira”, spiega Mike Papka, Deputy Associate Laboratory Director, ANL. “Ciò assicurerà che Mira sia pronto ad affrontare gli impegnativi problemi di scienza computazionale nel suo primo giorno di attività".

Prestazioni rivoluzionarie

La terza generazione della famiglia di supercomputer Blue Gene, Blue Gene/Q, lavora a una velocità di un ordine di grandezza superiore a quella dei sistemi precedenti, impiegando una tecnologia multicore e con prestazioni di picco scalabili fino a 100 petaflops, traguardo che rappresenta un enorme passo avanti nella potenza di calcolo parallelo. Applicabile a una sempre più ampia serie di carichi di lavoro ad elevata intensità computazionale nella comunità scientifica, Blue Gene/Q è ideale per progetti molto complessi in svariate aree, dall’energia nucleare alla modellazione climatica.

Con un piccolo ingombro e un basso fabbisogno di potenza, Blue Gene/Q è stato considerato il supercomputer più efficiente dal punto di vista energetico al mondo, da Green500 (giugno 2011). Fornisce bassa latenza, cicli ad alte prestazioni che semplificando il tracciamento degli errori e la messa a punto delle performance, il tutto basato su un ambiente operativo open source e standard. Progettato con un minor numero di parti mobili e numerose ridondanze nelle componenti più critiche, Blue Gene/Q si è dimostrato il migliore della sua classe in termini di affidabilità. La combinazione di alta affidabilità ed efficienza energetica di Blue Gene/Q ne fa una soluzione di supercomputing economica, con un minor numero di guasti, il che si traduce in tempi più rapidi per soluzioni più accurate.

La nuova architettura di elaborazione IBM PowerPC® A2 gioca un ruolo chiave nelle prestazioni fornite. Ogni processore comprende 18 core, di cui 16 sono dedicati al calcolo (rispetto ai quattro usati con Blue Gene/P, il sistema precedente), un core è assegnato alle funzioni amministrative del sistema operativo più un core ridondante di riserva, in caso di difetti sul chip.

In Blue Gene/Q sono state introdotte innovazioni tecnologiche nell’architettura che contribuiscono alle straordinarie prestazioni del sistema e aiutano a semplificare la programmazione. Ad esempio, le funzionalità di esecuzione speculativa basate sull’hardware facilitano il multi-threading efficiente per lunghe sezioni di codice, anche quelle con potenziali dipendenze di dati. Se vengono rilevati conflitti, l’hardware può tornare indietro e rifare il lavoro senza intaccare le prestazioni delle applicazioni.

Inoltre, la memoria transazionale basata sull’hardware aiuta i programmatori a evitare l’integrazione potenzialmente complessa di lock e aiuta a eliminare i colli di bottiglia causati dai deadlock, quando i thread si bloccano durante il processo di locking. La memoria transazionale basata sull’hardware aiuta a fornire un multi-threading efficiente ed efficace, riducendo contemporaneamente la necessità di una programmazione complicata.

La strada verso la scala di exaflops

Un impegno all'efficienza energetica è essenziale ora che IBM continua a dirigersi verso il calcolo su scala di exaflops. Un exaflop, equivalente a un milione di trilioni di calcoli al secondo, è 1000 volte, ovvero tre ordini di grandezza, più veloce dei sistemi di classe petaflop di oggi. Il calcolo su exascala può affrontare una classe di carichi di lavoro altamente complessi, al di fuori della portata tradizionale, non solo per le dimensioni ma per le incertezze e l'imprevedibilità intrinseche, come nel caso di aree di ricerca come la previsione degli uragani e la modellazione climatica. Blue Gene/Q rappresenta il passo successivo in questa evoluzione dell'HPC.

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