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Supercomputer per il calcolo scientifico ad alte prestazioni

Nel mondo scientifico esiste una grande quantità di problemi la cui soluzione non è raggiungibile per via analitica. La soluzione a questi problemi può essere ottenuta mediante l'impiego di un supercomputer progettato per eseguire calcoli matematici ad elevate prestazioni.

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Nel mondo scientifico esiste una grande quantità di problemi la cui soluzione non è raggiungibile per via analitica. Rientrano in questo tipo di problemi lo studio dei sistemi caotici, sistemi complessi di equazioni, le simulazioni dei sistemi biologici, ecc. La soluzione a questi problemi può essere ottenuta mediante simulazione numerica utilizzando un supercomputer per il calcolo scientifico. In altre parole, un potente calcolatore progettato per eseguire calcoli matematici ad elevate prestazioni.

I migliori supercomputer: il progetto TOP500

Il progetto TOP500 ha lo scopo di creare una lista aggiornata dei 500 supercomputer più potenti del pianeta. La Cina è il paese che domina per quanto concerne il numero totale dei sistemi con 226 supercomputer. Seguono gli Stati Uniti con 114 sistemi, il Giappone con 30, la Francia con 18 e la Germania con 16.

Il progetto TOP500 nasce nel 1993 e aggiorna l’elenco dei sistemi due volte all’anno. Il primo aggiornamento coincide con l’International Supercomputing Conference di giugno, il secondo si ha a novembre durante la ACM/IEEE Supercomputing Conference. Il progetto mira a fornire una base di riferimento comune per analizzare l’evoluzione dei supercalcolatori. Le prestazioni dei sistemi vengono valutate tramite il benchmark HPL, un’implementazione portabile del benchmark LINPACK scritta in Fortran per sistemi non distribuiti.

TOP5 dei supercomputer per il calcolo scientifico

Dopo l’aggiornamento di novembre 2021 Fugaku continua a mantenere la posizione numero 1, che ha guadagnato per la prima volta a giugno del 2020. Il suo punteggio di benchmark HPL è 442 Pflop/s (peta floating point operations per second), cioè il numero di operazioni in virgola mobile eseguite in un secondo dalla CPU. A fare compagnia a Fugaku nelle prime 5 posizioni ci sono: Summit, Sierra, Sunway TaihuLight e Perlmutter.

  • Fugaku è il primo computer basato su architettura ARM a raggiungere il titolo di supercomputer più veloce del mondo. La sua potenza di calcolo può spingersi più del doppio del supercomputer Summit a cui ha stracciato il primato. Tutta questa potenza di calcolo è erogata dai Soc (System on a chip) a 48 core della ARM
  • Summit è un supercomputer sviluppato da IBM. Grazie ad una prestazione di 148,8 Pflop/s, esso rimane il sistema più veloce negli Stati Uniti e al secondo posto in tutto il mondo. La capacità di elaborazione dei dati è abilitata da 4.356 nodi, ciascuno dotato di due Cpu IBM Power9 e sei Gpu NVIDIA Tensorcore V100.
  • Sierra, un sistema presso il Lawrence Livermore National Laboratory, CA, USA. La sua architettura è molto simile al Summit dei sistemi, costruito con 4.320 nodi con due CPU Power9 e quattro GPU NVIDIA Tesla V100. Sierra raggiunge 94,6 Pflop/s
  • Sunway TaihuLight è un sistema sviluppato dal National Research Center of Parallel Computer Engineering & Technology (NRCPC) cinese e installato presso il National Supercomputing Center di Wuxi, nella provincia cinese di Jiangsu. Raggiunge la posizione numero 4 grazie ai suoi 93 Pflop/s
  • Perlmutter con una prestazione di70,9 Pflop/s, ha raggiunto la quinta posizione lo scorso giugno
Fugaku: il  supercomputer per il calcolo scientificoe
Fugaku supercomputer giapponese. Fonte: Appwikia

Alcuni problemi affrontati con i supercomputer

Secondo gli esperti i supercomputer ci aiuteranno non solo a vincere sfide come pandemie e cambiamento climatico, ma anche a risolvere gli attuali problemi della comunità scientifica. Rientrano in questo tipo di problemi gli studi dei sistemi caotici, sistemi complessi di equazioni, le simulazioni dei sistemi biologici, le simulazioni delle distribuzioni spaziali della densità del plasma di una corona solare. Inoltre, in fluidodinamica il calcolo numerico è usato per lo studio delle turbolenze e nella dinamica molecolare per la risoluzione di problemi a “molti corpi”.

Galileo, il supercomputer italiano dedicato al calcolo scientifico. Fonte: wikipedia.org

Tempi di calcolo dei supercomputer

Gli studi che includono alcuni effetti fisici rilevanti richiedono un codice molto accurato e milioni di ore di calcolo, questo valore potrebbe far pensare che non basterebbe una vita per conoscere la soluzione. In realtà, il tempo totale viene calcolato considerando i tempi di lavoro dei singoli processori impiegati in multitasking.

Inoltre, il tempo di calcolo dipende dalle architetture dei cluster di calcolo impiegate. Ad esempio, il codice NAMD per la simulazione del botulino in acqua (303K atoms) impiega circa 756000 ore. L’architettura utilizzata per questo tipo di simulazione è Galileo; il supercomputer italiano dedicato al calcolo scientifico. Questo è composta da 516 nodi di calcolo, ogni nodo contiene processori Intel Haswell a 2×18 core (2,40 GHz) e una memoria condivisa di 128 GB.