Il "Piz Daint" calcola con i processori grafici
Con "Piz Daint", il CSCS decide di dotarsi di un nuovo supercomputer progettato per fornire maggiore potenza di calcolo con un consumo energetico ridotto. Utilizza i vantaggi dei processori grafici dell'industria dei videogiochi.
Il supercomputer installato presso il Centro nazionale svizzero di supercalcolo (CSCS) in aprile pagina esterna"Piz Daint è attualmente in fase di aggiornamento con processori grafici. In questo aggiornamento, uno dei due processori convenzionali (CPU) su ciascuno dei nodi di calcolo viene sostituito da un processore grafico (GPU) di NVIDIA. Rispetto al processore della CPU, il processore grafico ha funzionalità ridotte, ma ottimizzate per i calcoli numerici. In parole povere, il processore grafico è in grado di eseguire calcoli in modo molto più rapido ed efficiente dal punto di vista energetico. Il nuovo supercomputer è efficiente e potente anche grazie a un nuovo tipo di rete di comunicazione del produttore di computer Cray, che collega i nodi di calcolo tra loro. Il nuovo sistema ibrido è il primo nel suo genere ed è stato progettato per supportare i ricercatori nel calcolo di modelli più dettagliati e ad alta risoluzione, consumando allo stesso tempo meno energia.
"Alla luce delle crescenti esigenze dei modelli, possiamo tenere sotto controllo il consumo energetico dei supercalcolatori solo con un cambiamento radicale dell'architettura dei computer", è convinto Thomas Schulthess, direttore del CSCS. I principali beneficiari del nuovo sistema saranno gli scienziati del clima e della terra, i ricercatori di chimica, scienze dei materiali e nanoscienze con i loro calcoli complessi, ma anche i fisici e i biologi che stanno eseguendo applicazioni sempre più intensive dal punto di vista computazionale sul CSCS.
Fino a sette volte meno energia
Secondo Schulthess, i primi test mostrano che una simulazione climatica su "Piz Daint" viene eseguita più di tre volte più velocemente. Il consumo energetico di questa simulazione è sette volte inferiore a quello del computer CSCS "Monte Rosa". "Monte Rosa" funziona con CPU convenzionali che sono state sostituite quasi due anni fa. Ma anche rispetto ai processori CPU precedentemente utilizzati esclusivamente in "Piz Daint", il sistema ibrido con i processori GPU è quasi tre volte più efficiente dal punto di vista energetico rispetto a quello senza GPU.
I ricercatori del CSCS hanno messo a confronto un totale di quattro sistemi di supercomputer, sui quali sono stati effettuati calcoli con codici informatici specifici della chimica, dei materiali e delle nanoscienze, nonché simulazioni climatiche regionali su Chi siamo. I test sono stati eseguiti prima su tutte e quattro le macchine con i codici originali e poi con nuovi codici appositamente personalizzati per l'efficienza ed eseguiti sia su CPU che su processori grafici. Le analisi dimostrano che non solo i processori GPU, ma anche gli algoritmi migliorati hanno un impatto positivo sull'efficienza energetica e sulle prestazioni.
Preso in prestito dall'industria dei videogiochi
Thomas Schulthess vede i processori GPU, che provengono dall'industria dei giochi e della grafica, come un'opportunità per costruire supercomputer potenti ed efficienti dal punto di vista energetico. Poiché agiscono come una sorta di acceleratore per i calcoli, in passato sono stati utilizzati soprattutto per rendere i supercomputer ancora più veloci nella corsa globale ai computer più veloci. Tuttavia, i processori acceleratori sono stati raramente utilizzati nelle simulazioni reali. Questo perché i processori grafici non potevano essere utilizzati in modo efficiente con i vecchi codici e algoritmi.
La situazione è cambiata, poiché diversi centri di calcolo stanno utilizzando questo tipo di processore in modo produttivo nei loro supercomputer. Nella strategia nazionale per il calcolo e le reti ad alte prestazioni (pagina esternaStrategia HPCN) lanciata pagina esternaIniziativa HP2C Anche i ricercatori svizzeri hanno sviluppato algoritmi speciali negli ultimi tre anni. Presso Cray, Thomas Schulthess ha contribuito a dare l'impulso per l'utilizzo di schede grafiche nell'ultima generazione di computer. "Piz Daint" è il risultato di questa collaborazione.
Modelli meteorologici ad alta risoluzione
Oliver Fuhrer, scienziato senior di MeteoSvizzera, che ha co-sviluppato i nuovi codici climatici e meteorologici, nutre grandi speranze per la nuova architettura ibrida. Mentre MeteoSvizzera dispone attualmente di un proprio computer basato su CPU presso il CSCS, dalla primavera le stesse previsioni meteorologiche vengono calcolate in parallelo su un prototipo basato su GPU. Sebbene sia molto più piccolo, richiede solo il 50% di tempo in più rispetto al computer ufficiale di MeteoSvizzera. Allo stesso tempo, il consumo energetico è stato ridotto di 8 volte. "Il nostro obiettivo è aumentare la risoluzione delle nostre previsioni meteorologiche e calcolare i nostri modelli più volte, in modo da poter quantificare meglio l'incertezza delle nostre previsioni meteorologiche", afferma Fuhrer.
Secondo lo scienziato, una selezione di simulazioni in cui le condizioni iniziali e al contorno vengono leggermente modificate in ogni caso permetterebbe di riconoscere il pericolo di forti temporali ancora prima e di avvertire di conseguenza. Il calcolo di queste cosiddette previsioni meteorologiche d'insieme ad alta risoluzione spaziale è troppo costoso per le CPU. Lo scienziato di MeteoSvizzera è convinto che un computer GPU, invece, consentirebbe di mantenere i costi entro limiti ragionevoli.