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  2/07/2020

Fujitsu, a la cabeza en supercomputación

Tras un largo duopolio entre Estados Unidos y China, alivia poder informar de una alternancia: un sistema japonés se ha aupado a lo más alto del ranking de superordenadores al cierre del primer semestre del año. No es un avance testimonial ni parece que sea efímero. Fugaku, el superordenador desarrollado por Fujitsu, es 2,8 veces más potente que Summit, de IBM – el anterior líder –  y presumiblemente seguirá puntero en noviembre, cuando toque actualizar la lista TOP500. La alianza entre el instituto de investigación Riken y Fujitsu aporta, entre otras novedades de interés, que se trata de la primera vez que un sistema basado en la arquitectura ARM se coloca primero en el ranking.

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Cuando se anunció que el nombre de este superordenador sería Fugaku, la versión oficial lo atribuyó a uno de los apelativos poéticos del monte Fuji. Lo que puede ser compatible con otra interpretación: el nombre se habría escogido como un guiño a la popularidad de un personaje de anime, Fugaku Uchiha.

Fugaku, cuya puesta en servicio se ha acelerado para contribuir a la batalla contra el coronavirus, es capaz de calcular 415 petaflops, cada uno de ellos equivalente a 1.000 billones (en español) de operaciones de coma flotante por segundo. Su velocidad pico teórica sería de 530 petaflops. La comparación con Summit – que presta servicio en el Oak Ridge National Laboratory, de Tennessee – es inevitable, puesto que alcanza 148 petaflops con un pico teórico de 200. Las diferencias también son económicas: el superordenador japonés ha costado 130.000 millones de yenes (1.220 millones de dólares), seis veces más que el americano.

De no haber sido por la pandemia, tal vez Fugaku no hubiera recibido a tiempo la certificación para ser incluido en el TOP500 de junio. Algunas de sus partes ya ensambladas se pusieron en funcionamiento urgente para activar proyectos de investigación relacionados con la Covid-19. No es el único superordenador que se ha puesto a esa tarea para ayudar en la búsqueda de soluciones a la crisis sanitaria. Tampoco será su cometido exclusivo, pues toda la supercomputación nipona tiene como uno de sus ejes la modelización de los movimientos sísmicos.

De Fugaku se espera un nuevo impulso a las capacidades de I+D del país, así como su competitividad industrial. En todo el mundo parece insinuarse un cambio de prioridades en los usos de la computación de alto rendimiento (HCP, en su sigla inglesa). En sus orígenes, eran del ámbito nuclear, luego pasaron a la investigación energética y climática y en los últimos años han ganado peso la biomedicina y las aplicaciones industriales. Entre las misiones de las que se encargará la nueva generación de HCP se encuentra el desarrollo de medicamentos así como de nuevos materiales, en ambos casos para mejorar procesos existentes o crear otros nuevos.

Fugaku lo hará gracias a sus procesadores A64FX, diseñados y desarrollados por Fujitsu con un concepto novedoso. La placa base no tiene ranuras para memoria, que se integra directamente en la CPU, a diferencia de sus congéneres que van camino de la exascala. Otra diferencia reseñable es que Fujitsu no ha recurrido al uso de GPU, rasgo llamativo porque en los últimos años las unidades de proceso gráfico se habían vuelto indispensables para alcanzar las potencias más altas. En parte por este factor, el nuevo sistema japonés se ha colocado en el noveno puesto del ranking paralelo Green500, que clasifica esta categoría de sistemas en base a su eficiencia energética.

Eficiencia y potencia son los dos rasgos que presiden las innovaciones que la supercomputación aporta en hardware y en software. Un ejemplo es la topología de red [bautizada Tofu] que permite la conexión ultrarrápida de los 48 núcleos de computación más otros 4 de asistencia del A64FX en sustitución de una GPU. Esta tecnología, usada por primera vez en el superordenador K, también en el Riken, con el que Japón detentó brevemente la primacía a comienzos de la década, ha sido diseñada teniendo como objetivos la eficiencia y una muy baja latencia. De tal forma, el A64FX es capaz de un ancho de banda pico de 3 teraflops, al tiempo que consume diez veces menos energía que un clásico procesador x86.

Este es el otro rasgo singular de Fugaku: ha sido diseñado sobre los principios de la arquitectura ARM, diferenciándose de la x86 dominante. Al llevar memoria integrada, el módulo monolítico tiene cuatro chips HBM2 (High Bandwidth Memory 2) conectados a la CPU, en total 32 GB. Esta conexión directa entre memoria y CPU incrementa la velocidad, ya que el ancho de banda de la memoria siempre ha sido un cuello de botella en la supercomputación de alto rendimiento, al ralentizar las cargas de trabajo intensivas en datos, típicamente en simulaciones. Además, una parte importante de la energía se consume en mover datos y no en procesarlos. Simplificando, uno de los logros de Fugaku es que los datos se muevan lo menos posible.

La complejidad de los procesadores ARM se puede ilustrar con una cifra. Fabricados por TSMC con el proceso de 7 nanómetros, contienen 8.790 millones de transistores y, en su sistema lógico se complementan con extensiones escalables propias de su arquitectura.

En este punto se hace notoria la nueva batalla entre familias de procesadores. Puede decirse que Fugaku es un golpe de ARM a Intel (e indirectamente a AMD). Aunque no es menos cierto que el dominio de la arquitectura x86 sigue siendo apabullante: 481 máquinas del TOP500, de las cuales 469  usan chips de Intel. En el conjunto, los de la familia ARM son muy minoritarios, sólo cuatro.

En los últimos años, tanto AMD como Nvidia han ido avanzando sobre las posiciones detentadas por Intel. De hecho, 135 máquinas del último ranking TOP500 llevan GPU de Nvidia como aceleradores. ARM se incorpora tarde a la batalla. El logro de Fujitsu con su A64FX va más allá de su afinidad con ARM: la compañía japonesa tiene planes ambiciosos para este chip, que se ponen de manifiesto en la alianza con Cray, pionera de la supercomputación y ahora propiedad de HPE. Por cierto, Cray ya ha montado cuatro sistemas para una primera evaluación, aunque el lanzamiento formal con el chip de Fujitsu está previsto en los próximos meses.

Tiene mérito que la ciencia japonesa se haya adelantado en la carrera que libran estadounidenses (2º y 3º) y chinos (4º y 5º) por la supremacía en la supercomputación. Pero sería exagerado decir que la carrera ha dejado de ser cosa de dos: Japón no tiene recursos para una rivalidad continuada, pero en cuanto a rendimiento agregado se ha colocado prácticamente a nivel de las dos potencias. Estados Unidos tiene una capacidad total de 644 petaflops, China de 565 y Japón no les va muy a la zaga, con sus 530 petaflops acumulados.

Es seguro que estas cifras quedarán pulverizadas pronto, pues hay varios proyectos en marcha para cruzar la frontera del exaflop. Intel prevé hacerlo en 2021, cuando entregue su superordenador Aurora al  Argonne National Laboratoy, especializado en altas energías. Por su lado, el Instituto Riken ya planifica su próximo sistema, llamado a dejar corto a Fugaku. Está previsto para 2028 y, según las primeras informaciones, sería 20 veces más potente que el actual.

La carrera, como se puede ver, es vertiginosa y por eso mismo adquiere una dimensión mediática. Sin la repercusión que le dan los medios al relatarla como una gesta deportiva, sería difícil convencer a las esferas políticas para que autoricen los presupuestos que exige todo proyecto de supercomputación. En este sentido, la pandemia ha tenido la virtud de poner de relieve su relevancia.

[informe de Pablo G. Bejerano]


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