O que é um supercomputador?

O termo "supercomputador" refere-se a um computador que opera em um nível de desempenho mais alto do que um computador padrão. Muitas vezes, isso significa que a arquitetura, os recursos e os componentes dos supercomputadores os tornam extremamente poderosos, dando a eles a capacidade de executar na taxa operacional mais alta possível para computadores ou próximo a ela. 

Os supercomputadores contêm a maioria dos principais componentes de um computador típico, incluindo pelo menos um processador, dispositivos periféricos, conectores, um sistema operacional e vários aplicativos. A principal diferença entre um supercomputador e um computador padrão é seu poder de processamento.

Tradicionalmente, os supercomputadores eram máquinas únicas e super-rápidas usadas principalmente por empresas e organizações científicas que precisavam de grande capacidade computacional para computações de alta velocidade. Os supercomputadores atuais, no entanto, podem consistir em dezenas de milhares de processadores que podem realizar bilhões, até mesmo trilhões, de cálculos por segundo.

Hoje em dia, os aplicativos comuns para supercomputadores incluem previsão do tempo, controle de operações para reatores nucleares e criptologia. Como o custo da supercomputação diminuiu, os supercomputadores modernos também estão sendo usados para pesquisa de mercado, jogos online e aplicativos de realidade virtual e aumentada.

Uma breve história do supercomputador

Em 1964, Seymour Cray e sua equipe de engenheiros da Control Data Corporation (CDC) criaram o CDC 6600, o primeiro supercomputador. Na época, o CDC 6600 era 10 vezes mais rápido do que os computadores regulares e três vezes mais rápido do que o próximo computador mais rápido, o IBM 7030 Stretch, realizando cálculos em velocidades de até 3 mega operações de ponto flutuante por segundo (FLOPS). Embora isso seja lento de acordo com os padrões atuais, na época, era rápido o suficiente para ser chamado de supercomputador. 

Conhecido como o “pai da supercomputação”, Seymour Cray e sua equipe lideraram o setor de supercomputação, lançando o CDC 7600 em 1969 (160 megaFLOPS), o Cray X-MP em 1982 (800 megaFLOPS) e o Cray 2 em 1985 (1,9 gigaFLOPS).

Posteriormente, outras empresas buscaram tornar os supercomputadores mais acessíveis e desenvolveram processamento paralelo em massa (MPP, massively parallel processing). Em 1992, Don Becker e Thomas Sterling, empreiteiros da NASA, construíram o Beowulf, um supercomputador feito de um cluster de unidades de computador trabalhando juntas. Foi o primeiro supercomputador a usar o modelo de cluster.

Os supercomputadores atuais usam unidades de processamento central (CPUs, Central Processing Units) e unidades de processamento gráfico (GPUs, Graphics Processing Units) que trabalham juntas para realizar cálculos. O TOP500 lista o supercomputador Fugaku, com sede em Kobe, Japão, no RIKEN Center for Computational Science, como o supercomputador mais rápido do mundo, com uma velocidade de processamento de 442 petaFLOPS.

Supercomputadores x PCs regulares

Os supercomputadores de hoje agregam poder de computação para oferecer desempenho significativamente maior do que um único desktop ou servidor para resolver problemas complexos em engenharia, ciência e negócios.

Diferentemente dos computadores pessoais regulares, os supercomputadores modernos são compostos por grandes clusters de servidores, com uma ou mais CPUs agrupadas em calcular nós. Os nós de computação compõem um processador (ou um grupo de processadores) e um bloco de memória e podem conter dezenas de milhares de nós. Esses nós se interconectam para se comunicar e trabalhar juntos para concluir tarefas específicas enquanto os processos são distribuídos entre milhares de processadores ou executados simultaneamente. 

Como o desempenho dos supercomputadores é medido

FLOPS são usados para medir o desempenho de um supercomputador e para cálculos científicos que usam cálculos de pontos flutuantes, ou seja, números tão grandes que precisam ser expressos em expoentes.

FLOPS são uma medida mais precisa do que um milhão de instruções por segundo (MIPS). Conforme observado acima, alguns dos supercomputadores mais rápidos de hoje podem ter desempenho em mais de cem FLOPS de quadrilhões (petaFLOPS).

Como funciona um supercomputador?

Um supercomputador pode conter milhares de nós que usam processamento paralelo para se comunicarem entre si e resolver problemas. Mas, na verdade, há duas abordagens para o processamento paralelo: o multiprocessamento simétrico (SMP, symmetric multiprocessing) e o processamento massivamente paralelo (MPP, massively parallel processing). 

No SMP, os processadores compartilham memória e o barramento /O ou caminho de dados. O SMP também é conhecido como multiprocessamento fortemente acoplado ou chamado de “sistema de tudo compartilhado”.

O MPP coordena o processamento de um programa entre vários processadores que trabalham simultaneamente em diferentes partes do programa. Cada processador usa seu próprio sistema operacional e memória. Os processadores MPP se comunicam usando uma interface de mensagens que permite enviar mensagens entre processadores. O MPP pode ser complexo, exigindo conhecimento de como particionar um banco de dados comum e atribuir trabalho entre os processadores. Um sistema MPP é conhecido como um sistema “soltomente acoplado” ou “sem compartilhar nada”.

Um benefício do SMP é que ele permite que as organizações atendam mais usuários com mais rapidez, equilibrando dinamicamente a carga de trabalho entre computadores. Os sistemas SMP são considerados mais adequados do que os sistemas MPP para processamento de transações online (OTP, Online Transaction Processing), onde muitos usuários estão acessando o mesmo banco de dados (por exemplo, processamento de transações simples). O MPP é mais adequado do que o SMP para aplicativos que precisam pesquisar vários bancos de dados em paralelo (por exemplo, sistemas de suporte a decisões e aplicativos de data warehouse).

Tipos de supercomputadores

Os supercomputadores se dividem em duas categorias: uso geral e uso especial. Nessas categorias, os supercomputadores de uso geral podem ser divididos em três subcategorias:

Supercomputadores de uso geral

• Computadores de processamento vetorial: Comum na computação científica, a maioria dos supercomputadores nos anos 80 e 90 eram computadores vetoriais. Hoje em dia, eles não são tão populares, mas os supercomputadores atuais ainda têm CPUs que usam algum processamento vetorial.
• Computadores de cluster fortemente conectados: São grupos de computadores conectados que trabalham juntos como uma unidade e incluem clusters extremamente paralelos, clusters baseados em diretor, clusters de dois nós e clusters de vários nós. Clusters paralelos e baseados em diretor são comumente usados para processamento de alto desempenho, enquanto clusters de dois e vários nós são usados para tolerância a falhas.
• Computadores de commodity: Isso inclui a organização de vários computadores pessoais (PCs, Personal Computers) padrão conectados por redes locais (LANs, Local Area Networks) de alta largura de banda e baixa latência.

Supercomputadores para fins especiais 

Os supercomputadores para fins especiais são supercomputadores desenvolvidos para atingir uma tarefa ou meta específica. Eles normalmente usam circuitos integrados específicos de aplicativos (ASICs, Application-specific Integrated Circuits) para obter melhor desempenho (por exemplo, Deep Blue e Hydra foram desenvolvidos para jogos como xadrez). 

Casos de uso de supercomputador

Devido às vantagens óbvias, os supercomputadores encontraram uma ampla aplicação em áreas como engenharia e pesquisa científica. Os casos de uso incluem:

• Pesquisa climática: Prever o impacto de eventos climáticos extremos e entender os padrões climáticos, como no sistema National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)
• Exploração de petróleo e gás: Coletar grandes quantidades de dados sísmicos geofísicos para ajudar a encontrar e desenvolver reservas de petróleo
• Setor de companhias aéreas e automóveis: Projetar simuladores de voo e ambientes automotivos simulados, bem como aplicar a aerodinâmica para o menor coeficiente de arrasto de ar
• Pesquisa de fusão nuclear: Criar reatores de fusão nuclear e ambientes virtuais para testar explosões nucleares e balística de armas
• Pesquisa médica: Desenvolver novos medicamentos, terapias para câncer e distúrbios genéticos raros e tratamentos para COVID-19, bem como para pesquisa sobre a geração e evolução de epidemias e doenças
• Aplicativos em tempo real: Manter o desempenho do jogo online durante torneios e lançamentos de novos jogos quando há muitos usuários

Supercomputação e HPC

Às vezes, a supercomputação é usada como sinônimo de computação de alto desempenho (HPC, High-Performance Computing). No entanto, é mais preciso dizer que a supercomputação é uma solução de HPC, referindo-se ao processamento de cálculos grandes e complexos usados por supercomputadores.

A HPC permite sincronizar computações com uso intensivo de dados em vários supercomputadores em rede. Como resultado, cálculos complexos usando conjuntos de dados maiores podem ser processados em muito menos tempo do que levaria usando computadores regulares. 

Armazenamento escalável para supercomputação

Os supercomputadores atuais estão sendo aproveitados em vários campos para vários fins. Algumas das principais empresas de tecnologia do mundo estão desenvolvendo supercomputadores de AI em antecipação ao papel que podem desempenhar no metaverso em rápida expansão.

Como resultado, as soluções de armazenamento não só precisam dar suporte à recuperação rápida de dados para velocidades de computação extremamente altas, mas também devem ser escaláveis o suficiente para lidar com as demandas de cargas de trabalho de AI de grande escala com alto desempenho.

As tecnologias de realidade virtual e aumentada exigem muitos dados. Assim como tecnologias de suporte, como 5G , aprendizado de máquina (ML ), Internet das Coisas (IoT ) e redes neurais.

O FlashArray//XL da Pure Storage ® oferece desempenho e eficiência de alto nível para cargas de trabalho corporativas, enquanto o FlashBlade® é a solução de armazenamento totalmente flash mais avançada do setor. Ambos oferecem uma solução de armazenamento escalável e robusta que pode potencializar os supercomputadores mais rápidos de hoje.

Ambos estão disponíveis por meio do Pure as-a-Service, uma solução de armazenamento como serviço gerenciado (STaaS, Managed Storage-as-a-Service) com um modelo de assinatura simples que oferece a flexibilidade para expandir a capacidade de armazenamento conforme necessário. 

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