Petaflops, la unidad de medida de los superordenadores | Tecnología

Los superordenadores llevan funcionando varias décadas, pero en los últimos meses estamos comprobando cómo se multiplican las noticias relacionadas con ellos. No es casualidad. Casi cada mes, aparece uno nuevo más rápido que el anterior. Y van a influir de forma importante de nuestras vidas. Es el momento de conocerlos mejor, por eso vamos a explicar qué es el petaflops, la unidad de medida de los superordenadores.

En el mundo existen más de 1.000 superordenadores, que poseen más de 60 países. En España tenemos uno de los más rápidos de Europa, el Marenostrum.

La mayoría se usan en labores científicas, desde luchar contra el cambio climático o la polución a buscar curas paras las enfermedades o acelerar la implantación de la inteligencia artificial. Pero por desgracia algunos han sido creados para desarrollar armas nucleares o acelerar el espionaje a ciudadanos, o a otros países.

Por simple definición, sabemos que un superordenador es un ordenador muy potente. Pero eso no basta para entender lo que representa, y lo que puede conseguir.

En el primer día de clase de informática básica, casi todos los profesores enseñan lo que es el bit, la únidad básica de los ordenadores. Es el momento de entender qué es el petaflops, la unidad que mide la potencia de los superordenadores.

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¿Qué es un superordenador?

Puesto que es una tecnología relativamente desconocida para la mayoría de las personas, es interesante comenzar con una descripción rápida de un superordenador, y lo que lo diferencia de un ordenador convencional.

Además esto nos va a servir para entender mejor cómo se pueden alcanzar potencias de cálculo de más de 400 petaflops.

En palabras sencillas, un superordenador es un ordenador del tamaño de una pista de tenis, formado por miles de nodos. Un nodo es como un ordenador semiindependiente que cuenta con varios procesadores, varias GPUs o chips gráficos, memoria RAM y memoria de almacenamiento.

Aquí podemos ver un nodo del Marenostrum:

Si echamos un vistazo a un nodo de uno de los superordenadores más potentes del mundo, el IBM Summit, está compuesto por  2 procesadores IBM Power9 con 22 núcleos, seis chips gráficos NVIDIA Volta GV100, 600 GB de memoria RAM, y 800 GB de almacenamiento.

Estos nodos se agrupan de 20 o 20 (o un número parecido) en una especie de armarios o racks llamados switches, que se pueden mover de un sitio a otro:

Finalmente, todos estos switches se unen entre sí mediante cables de fibra óptica y de alimentación para trabajar en paralelo (todos al mismo tiempo), y así obtenemos el superordenador:

Los modelos más potentes tienen miles de nodos, así que suman docenas de miles de procesadores y chip gráficos. Por ejemplo, el IBM Summit tiene 4.356 nodos que suman más de 9.000 procesadores, más de 27.000 chips gráficos, y 2,8 millones de gigabytes de memoria RAM. Ocupa 500 metros cuadrados y pesa 340.000 Kilos.

Y como habrás adivinado, también consume y se calienta lo suyo. En concreto tiene un consumo de casi 13.000 kW, y el sistema de refrigeración líquida bombea 15.000 litros de agua por minuto, para enfriar los chips.

Si quieres saber más sobre los superordenadores más potentes, echa un vistazo a esta tarjeta:

Pese a que el anterior artículo se redactó hace poco más de un mes, ya se han batido dos nuevos récords. El nuevo ordenador más rápido del mundo es japonés. Se llama Fugaku y alcanza la increíble capacidad de proceso de 415,5 petaflops, más del doble que su predecedor, el IBM Summit, que llega a los 200 petaflops:

También hace unas semanas se presentó el nuevo superordenador más potente de Europa, el alemán JUWELS, que alcanza los 70 petaflops.

El Marenostrum español se queda en los 13,7 petaflops. Está entre los 10 más rápidos de Europa.

En la web Top500 encontrarás la lista actualizada con los 500 superordenadores más rápidos del mundo.

El flops

Ahora ya entendemos por qué un supercomputador es tan rápido: en realidad se trata de docenas de miles de ordenadores funcionando en paralelo. Cada nodo aporta su potencia de proceso, y pueden trabajar todos al mismo tiempo en una tarea, o en varias tareas diferentes.

Esto nos lleva a la pregunta: ¿cómo se mide la potencia de proceso de un superordenador? Pues de la misma forma que en un ordenador doméstico, pero a una escala mucho mayor.

Aquí no hablamos de velocidades de los chips, en donde se usa el Mhz, sino de potencia de proceso, es decir, la velocidad a la que es capaz de realizar cálculos.

Para hallar esta medida se usa el flops (floating point operations per second), operaciones en punto flotante por segundo. Fíjate que la s de flops hace referencia al segundo, y siempre está presente. Es decir, no existe la medida un flop, sino un flops: una operación en punto flotante por segundo.

La pregunta es inmediata: ¿y qué es una operación en punto o coma flotante?

La coma flotante

En la aritmética anglosajona se usa el punto para los decimales, pero en España y otros países se utiliza la coma, por eso lo llamaremos operaciones en coma flotante.

Se trata de un tipo de nomenclatura matemática muy utilizada en informática. Es complicado y largo de explicar, así que lo vamos a describir a grandes rasgos.

Manejar números muy pequeños o muy grandes, como por ejemplo 1.222.353.633.745.242.429.383.286  es pesado y complicado. Así que los científicos inventaron una nomenclatura para acortar el número, llamada coma flotante.

Si tenemos el número 123.000.000.000.000.000.000, podemos representarlo por 1,23 x 10²⁰ (10 elevado a 20). Es decir, al número 1,23 le añadimos 20 ceros a la derecha. Si usamos 10^-20 son ceros a la izquierda, un número muy pequeño.

Se llama coma flotante porque cambiando este número elevado (10 elevado a 19, 10 elevado a 21, etc.), lo que hacemos es añadir o quitar ceros, es decir, movemos la coma a izquierda o derecha.

Aguanta, que ya terminamos…

En informática los cálculos se llevan a cabo usado el sistema binario, los bits, que solo tienen dos valores: 0 o 1. Así que la coma flotante se usa con ceros y unos:

1,11110101 x 2⁵ = 111110,101.

Para procesarlos aún más cómodamente los números en binario se convierten a otro sistema, el hexadecimal, pero eso ya se sale del tema del artículo.

Lo que nos interesa aquí es que los ordenadores procesan números muy grandes, o muy pequeños, en el formato coma flotante. Y son operaciones muy básicas y muy comunes que usan todas las aplicaciones, principalmente las científicas. Por esa razón, para medir la potencia de proceso de un PC, se usa el flops: una operación en punto flotante cada segundo.

El Petaflops

Cualquier ordenador, incluso de hace unas cuantas décadas, puede llevar a cabo muchas operaciones en coma flotante por segundo. Así que es necesario introducir otras unidades. Igual que en peso tenemos los gramos, kilogramos y toneladas, en informática tenemos los Kilos, Megas, Gigas, Teras… y Petas. ¡Ya nos acercamos!

Estos valores son los mismos que llevamos décadas usando con los bits.

Si un Kilobit son 1.000 bits, un Kiloflops son 1.000 flops, es decir, 1.000 operaciones en coma flotante por segundo. El resto de medidas son también múltiplos de 1.000.

Así, 1 Megaflops son 1.000 Kiloflops, 1 Teraflops son 1.000 Megaflops, y 1 Petaflops son 1.000 Teraflops. En esta tabla tienes la conversión a flops:

Como vemos en la tabla, 1 petaflops es un 1 seguido de 15 ceros, es decir 1.000.000.000.000.000 flops. O lo que es lo mismo, 1.000 billones de operaciones por segundo (en el cálculo español, ya que los ingleses llaman billón a otra cosa).

El primer superordenador que alcanzó la potencia de los petaflops fue el japonés K computer, que en 2011 llegó a los 10,5 Petaflops.

Hasta hace unas semanas el IBM Summit era la computadora más potente de la historia, con 200 Petaflops. Si cada habitante de la Tierra pudiese llevar a cabo un cálculo cada segundo, tardarían 305 días en completar todos los cálculos que este superordenador hace en un segundo.

Pero ha sido superado hace unos días por el Fugaku japonés, que llega a unos increíbles 415,5 Petaflops, es decir, 415.000 billones de operaciones en coma flotante por segundo.

Ya hemos terminado con las matemáticas, y hemos visto la inmensa cantidad de ceros que tiene un petaflops. Ahora hay que trasladar estos números al mundo real.

Y esto, ¿cómo se come?

Para poder comparar, podemos utilizar dispositivos que usamos en nuestra vida cotidiana. 

La consola PlayStation 4, por ejemplo, tiene una potencia de cálculo de 1,8 Teraflops. El superordenador Fugaku tiene 415,5 Petaflops = 415.500 Teraflops. En otras palabras, tiene una potencia equivalente a 230.833 consolas PS4. Tendrías que poner esos cientos de miles de consolas trabajando a la vez, para alcanzar la capacidad de cálculo del Fugaku.

Un tarjeta gaming de PC de gama alta, como la RTX 2080, que vale cerca de 800 euros, tiene una potencia de unos 10 Teraflops. Así que necesitaríamos 41.550 tarjetas RTX2080 funcionando en paralelo para igualar al Fugaku.

Con estas comparaciones ya podemos hacernos una idea de la increíble potencia de cálculo de un superordenador. Cálculos que tardarían años, incluso décadas, con un PC estándar, se pueden completar en segundos con uno de estos gigantes.

Esa es, precisamente, su función: completar tareas que exigen miles de millones de cálculos por segundo. Desde analizar el ADN del covid-19 para encontrar una vacuna efectiva, a predecir el tiempo, o calcular como evolucionará la polución, o el cambio climático, con una precisión impensable hace unos años.

Otro área en donde los superordenadores van a ser vitales, es en la inteligencia artificial. Aceleran su entrenamiento y permiten desarrollar modelos más reales y avanzados.

Y como vemos, mejoran día a día. ¿Quién será el primero en alcanzar la potencia de un exaflops?