Los mejores superordenadores de la historia, ¿qué componentes tenían?

En la historia de la informática siempre ha habido un superordenador que ha destacado por encima de los demás. Es por ello que hemos decidido hacer un repaso histórico a estas bestias de la computación, las cuales no solo han sido únicas, sino que además han superado récords y han marcado hitos. ¿Cuáles han sido los superordenadores más destacados de la historia?

Los superordenadores son lo que coloquialmente conocemos como “ordenadores de la NASA”, en referencia a una computadora de extrema potencia que es única en el mundo en cada momento. Su enorme capacidad de cálculo se utiliza para resolver problemas técnicos y científicos que no serían posibles de otra manera.

El hecho de que sean construcciones únicas hace que muchas veces no se limiten en ser el cúmulo de hardware para servidor, sino que ha habido casos en la historia en que se han creado componentes de hardware como nuevas arquitecturas de procesador. Es más, buena parte de los avances tecnológicos que hemos visto aparecer para PC han tenido como origen el desarrollo de un superordenador para luego ser implementada a escala.

En resumidas cuentas, cuando nos referimos a los superordenadores nos estamos refiriendo al hardware más potente de cada momento de la historia de la informática.

El CDC 6600, el primero de los superordenadores de la historia

CDC-6600

El concepto de los superordenadores se lo debemos al científico de la computación Seymour Cray quien fue el primero en proponer la arquitectura general de uno. Cray trabajaba en el centro de control de datos del ejército de los Estados Unidos y cuando la CDC no le dejó hacer realidad su invención amenazó con irse, al final cedieron y esto le permitió crear el primer superordenador de la historia, el CDC 6600.

El CDC 6600 fue el superordenador más potente de 1964 a 1969, se trataba de una pieza compleja para la época compuesta por 400.000 transistores en total, una velocidad de reloj de 40 MHz y una unidad de coma flotante a 3 MFLOPS. No olvidemos que los primeros ordenadores domésticos que salieron una década después funcionaron con velocidades entre 1 MHz y 4 MHz, estaban compuestos por unos pocos miles de transistores y carecían de unidad de coma flotante.

El ordenador más potente que había por aquel entonces era el IBM 7030 y el CDC 6600 lo superaba en todos los aspectos, lo que hizo que Seymour Cray y sus diseños se convirtiesen en una referencia en la computación de alto rendimiento, pero el CDC 6600 solo fue el inicio de la historia.

Cray-1, los superordenadores que vieron nacer la unidad SIMD

superordenador Cray-1

A día de hoy las unidades SIMD se encuentran en todas las CPU para dispositivos de todo tipo, pero su existencia se la debemos al segundo superordenador de la historia. El cual también fue diseñado por Seymour Cray, pero esta vez ya bajo la compañía nombrada con su apellido, Cray Research y el primero de sus superordenadores.

El Cray-1 fue puesto marcha en 1975 y utilizaba una CPU a 80 MHz y llevaba integrada una unidad SIMD de 64 bits de precisión en coma flotante, lo cual fue un salto de gigante que permitió un salto de los 3 MFLOPS de potencia del CDC 6600 a los 160 MFLOPS en el Cray-1. Para que os hagáis una idea de lo que esto significó en potencia hemos de decir que no fue hasta mediados de los 90 que no vimos una CPU en PC con la misma potencia que el Cray-1 en coma flotante y no fue hasta la aparición de la tecnología SSE de Intel y 3Dnow de AMD que no vimos una unidad SIMD de coma flotante de 64 bits en una CPU de PC.

En 1982 Cray Research lanzó una versión mejorada de su superordenador en forma de su Cray X-MP, donde las siglas «MP» vienen de multiprocesador y llevaba no uno sino cuatro de ellos, los cuales llegaban a los 105 MHz cada uno y con una potencia de 820 MFLOPS, pero tu canto del cisne vino en forma del Cray 2 lanzado en 1985 que ampliaba la potencia a los 1.9 GFLOPS. Al Cray-2 se le

Cray-2, el superordenador de la NASA

Superordenador Cray-2

El meme de “superordenador de la NASA” se lo debemos a Cray-2, creado para la famosa agencia especial y desplegado en 1985 fue al mismo tiempo el canto del cisne para Cray Research y el último de sus superordenadores. Cray Research aumentó la cantidad de CPU de este primer superordenador con 8 núcleos de CPU. El cual también añadió una serie de procesadores adicionales, los cuales se encargaban de manejar los accesos a la memoria, al almacenamiento y a las interfaces de E/S. ¿Su potencia de cálculo? 1.9 GFLOPS de potencia de cálculo, por lo que no fue un salto tan impresionante, pero su mayor particularidad es el hecho de que estaba refrigerado por líquido.

No obstante el final de la guerra fría se acercaba y para el diseño de sus superordenadores Cray Research dependía del enorme capital en defensa del ejército de los Estados Unidos, además que sus CPU eran de enorme tamaño y eran imposibles de ser trasladadas a otros mercados. Dicho de otra manera, cuando se cayó el telón de acero y el interés por tener un superordenador en defensa se redujo fue cuando Cray perdió a sus mayores clientes que le permitían no solo subsistir, sino desarrollar sus nuevos procesadores.

ASCI Red, los superordenadores llegan al teraFLOP

Superordenador ASCI Red

Pronto quedó claro que era necesario el diseño de procesadores no tan complejos para crear un superordenador, ya que nadie estaba dispuesto a gastar ya las enormes cantidades en capital una vez finalizada la guerra fría. Por lo que era necesario un cambio de paradigma y esto llegó bajo el concepto de utilizar procesadores mucho más sencillos, como los utilizados en PC y servidores para la creación de superordenadores.

Si hablamos de CPU para PC, una de las más importantes fue el Pentium Pro de Intel, ya que introdujo conceptos como el uso de una caché de segundo nivel, la capacidad de utilizar más de un procesador y la ejecución fuera de orden. Pues bien, la empresa fundada por Gordon Moore empezó el diseño del ASIC Red, el cual se trataba de una bestia para la época compuesta por ni más ni menos que 76 CPU Intel Pentium Pro acompañado de 1212 GB de RAM y 9298 procesadores para tareas de apoyo.

El primer superordenador con la capacidad de alcanzar 1 TFLOPS de potencia en la historia de la informática, no obstante y al contrario que los diseños de Seymour Cray el Pentium Pro no es una CPU que destacarán por tener una unidad SIMD, es más, carecía de una unidad de este tipo, pero destaca por ser el primer superordenador de la historia en utilizar una CPU de PC para su construcción.

IBM Blue Gene y el NEC Earth Simulator, míticos superordenadores

Superordenador IBM Blue Gene

Una vez alcanzada la potencia del teraflop de potencia el siguiente desafío estaba en conseguir llegar al PetaFLOP con un ordenador, es decir, 1000 veces la potencia de cálculo del ASCI Red diseñado por Intel y margen había para conseguirlo. Siendo una de las empresas que se planteó este desafío fue IBM quien decidió utilizar sus procesadores PowerPC para la creación de su Blue Gene, un proyecto que empezaron en 1999 y no terminaron hasta noviembre de 2004.

El primer BlueGene, conocido como BlueGene/L estaba compuesto por ni más ni menos que 131072 CPU, una cifra astronómica que le permitía llegar a los 70.72 TFLOPS de potencia, algo que a día de no alcanza ni una NVIDIA RTX 3090 por sí misma. Cifra con la que consiguió superar al Earth Simulator de NEC, el cual era el superordenador más potente por aquel entonces.

El Earth Simulator fue un desarrollo conjunto entre NEC y el gobierno de Japón con una capacidad de casi 40 TFLOPS de potencia que se diseñó de cara a la predicción meteorológica., se diferenciaba del Blue Gene por el hecho que se basaba al igual que los Cray en procesadores con anchas unidades SIMD mientras que el diseño de IBM utilizaba como base las CPU PowerPC sin este tipo de unidades en su interior. Por lo que el diseño de IBM era más similar al ASCI Red mientras que el Earth Simulator lo era a los primeros Cray.

El IBM Roadrunner, por fin se alcanza el PetaFLOP de potencia

superordenador IBM Roadrunner

En el 2001 IBM empezó el desarrollo de un procesador conocido como el Cell Broadband Engine, el cual se hizo famoso por ser la CPU principal de la consola PlayStation 3, pero también fue utilizado para la creación del IBM Roadrunner, un superordenador que combinaba una CPU AMD Opteron con una variante del CBEA utilizado en PlayStation 3, el cual hacía uso de procesadores vectoriales o SIMD llamados SPE en su interior.

El Roadrunner de IBM estaba compuesto por 6912 CPU de doble núcleo AMD Opteron y 12960 procesadores Cell Broadband Engine, una cifra mucho más baja que la del Blue Gene, pero que no le impidió superar la barrera de 1 PetaFLOP de potencia. Pese a que el CBEA es una CPU por sí misma, en el Roadrunner se utilizó como procesador de apoyo para acelerar las partes que se podían ejecutar en paralelo del código y fue un precursor al uso de las GPU para estas tareas en un superordenador.

El primer superordenador que hizo uso de GPU

Cray Titan

Hoy en día la mayoría de superordenadores están pensados con una CPU y GPU en su interior, pero como bien sabréis no siempre fue así y no fue hasta 2008 que apareció el primer superordenador que hacía uso de una GPU para realizar sus cálculos, aunque lo hizo en un sistema bastante modesto en comparación con el IBM Roadrunner.

El TSUBAME fue creado por el instituto de tecnología de Tokio e hizo uso de la primera generación de las NVIDIA Tesla para llegar a los 170 TFLOPS, por lo que supera al Blue Gene y al Earth Simulator. Los procesadores gráficos habían empezado a tener la capacidad de ejecutar algoritmos cada vez más complejos desde la implementación de las unidades shader y a partir de la arquitectura G80 de NVIDIA se hizo posible su uso para acelerar algoritmos de computación científica.

No obstante un superordenador basado en una GPU no consiguió el primer puesto hasta 2013, momento en el que una resucita Cray lanzó su Titán, compuesto por la combinación de CPU AMD Opteron y las GPU NVIDIA Tesla que había en la época. ¿La potencia de cálculo obtenida? 10 PetaFLOPS. Por lo que estamos hablando de un salto de más de 50 veces en potencia en solo 5 años, demostrando la enorme eficiencia de las GPU en potencia de cálculo.

La era del ExaFLOP, la nueva barrera a punto de ser superada

Super Ordenador Aurora

En la actualidad nos encontramos en la era del ExaFLOP y el objetivo es alcanzar el millón de TeraFLOPS de potencia con los superordenadores. Algo que ha traído consigo una obsesión que es la reducción del consumo en la comunicación, esto ha hecho que se estén desarrollando sistemas de empaquetado e intercomunicación avanzados para poder llegar a esa cifra sin disparar el consumo energético por las nubes.

Los primeros superordenadores bajo este nuevo paradigma los veremos a partir de 2022, con el superordenador El Capitán construido con tecnología solo de AMD y por otro lado Aurora con la tecnología de CPU y GPU de Intel. Ambos suponen una especie de guerra fría entre ambas compañías y su desarrollo ha influenciado e influenciará futuras arquitecturas y diseños que tendremos en el futuro en nuestros PC.

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