I supercomputer: strumenti indispensabili per la ricerca del futuro

La ricerca del XXI secolo che abbraccia diversi aspetti della matematica applicata, della fisica o di alcuni campi dell’ingegneria non può fare a meno dei supercomputer.

Ma, cosa sono i supercomputer? A cosa servono? Dove si trovano?

Il supercomputer ALMA correlator, uno dei più potenti al mondo, si trova sulle Ande, nella parte settentrionale del Cile.

I supercomputer vennero introdotti negli anni ’60, ma il concetto di “supercomputer” è cambiato nel corso degli anni, di pari passo con l’aumento delle performance tecnologiche. Infatti, un semplice computer portatile del giorno d’oggi sarebbe stato sicuramente considerato un supercomputer 30 anni fa!

Attualmente, i supercomputer si basano su cluster, vale a dire un insieme di computer collegati fra loro, composti da migliaia di unità di calcolo (della potenza di un buon computer ordinario) connesse da reti locali. La velocità di queste potenti macchine si misura in FLOPS (FLoating point Operations Per Second) o, recentemente, addirittura in TeraFLOPS (1000000000000 FLOPS, un bilione per intenderci).

I supercomputer servono per eseguire in tempi ragionevoli calcoli che impiegherebbero anni se utilizzassimo i computer ordinari. Stiamo parlando, ad esempio, di calcoli collegati con simulazioni di problemi fisici complessi (come le previsioni del meteo), che coinvolgono milioni e milioni di numeri ed equazioni. Tra i fenomeni studiati grazie alla potenza di calcolo dei supercomputer vi sono le eruzioni e i terremoti, l’analisi di big data, il risparmio energetico e il sistema cardiovascolare. La chiave è la parallelizzazione: ciò significa, fare molti calcoli simultaneamente (se i risultati di tali operazioni non sono strettamente collegati tra di loro) e non nella classica forma sequenziale.

Un esempio elementare di parallelizzazione è il seguente. Supponiamo di voler eseguire la somma dei numeri interi da 1 a 4. Si può iniziare con il numero 1, eseguire l’operazione 1+2, poi prendere il risultato di questa operazione, ovvero 3, e sommarvi il successivo numero, ancora 3, per ottenere 6, a cui sommiamo un altro numero, il 4, ottenendo 10.  Questo è un modo di procedere chiamato sequenziale, perché le operazioni vengono fatte in sequenza, ovvero una dopo l’altra. La parallelizzazione di questa operazione è: eseguire contemporaneamente le operazioni 1+2 e 3+4; poi, si considerano i due risultati e si sommano, ottenendo 3+7=10. La parallelizzazione è possibile perché le due operazioni considerate sono indipendenti. Risulta evidente che, se pensiamo di dover sommare molti più numeri, la parallelizzazione è un metodo molto più efficiente di quello sequenziale.

I supercomputer funzionano allo stesso modo: sono in grado di eseguire molte operazioni contemporaneamente su una vasta quantità di dati, risolvendo equazioni in parallelo e non sequenzialmente.

Dove si trovano i supercomputer? Consultando la lista dei 500 supercomputer più performanti del mondo, si vede come nella Top 10 solo uno, il terzo, si trovi in Europa (più precisamente in Svizzera); i restanti nove si trovano in Asia (Cina, che possiede i due più potenti, e Giappone) e negli Stati Uniti. Questo dato non sorprende molto, visto che stiamo parlando di macchine dal costo elevatissimo non tanto per l’installazione, quanto per il loro mantenimento e per il loro consumo energetico. I supercomputer, infatti, generano molto calore ed hanno quindi bisogno di un efficace sistema di raffreddamento per poter continuare a funzionare.

Manutenzione di un supercomputer. Creative Commons Idaho National Laboratory

In Italia, il CINECA è il centro di supercalcolo più importante e, a livello europeo, forma parte del progetto PRACE (Partnership for Advanced Computing in Europe), contribuendo a creare una rete europea di supercalcolo a disposizione dei ricercatori.

 

Davide Ghilardi ha studiato matematica presso l’Università degli Studi di Milano-Bicocca. Dopo il conseguimento a pieni voti della laurea magistrale, si è trasferito a Barcellona, dove è dottorando in ingegneria computazionale e acustica. Oltre all’attività di ricerca, considera di fondamentale importanza l’insegnamento e la divulgazione della matematica.

 

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