Top 12 Supercomputadores de 2021: Rankings e Insights de Desempenho

Top 12 Supercomputadores de 2021: Rankings e Insights de Desempenho

Para a maioria de nós, um computador provavelmente parece rápido o suficiente se conseguir rodar vídeos 8K ou a versão mais recente de Far Cry a 60 fps sem desacelerar. No entanto, existem muitas tarefas complicadas que requerem bilhões de cálculos por segundo — algo que um desktop com processador i9 não consegue fazer.

É aí que supercomputadores entram. Eles oferecem alto nível de desempenho que permite a governos e organizações resolver problemas que não seriam possíveis com computadores convencionais.

Supercomputadores atuais são construídos com cargas de trabalho de IA (inteligência artificial) em mente. Além de previsão do tempo, pesquisa climática, simulações físicas e exploração de petróleo e gás, supercomputadores ajudam cientistas a descobrir materiais de construção mais resistentes e estudar proteínas e sistemas celulares humanos em nível extremo de detalhe.

Geralmente, o desempenho do supercomputador é medido em operações de ponto flutuante por segundo (FLOPS). No campo de computação científica, FLOPS é uma figura mais precisa que medir instruções por segundo.

Você sabia que o primeiro supercomputador — Livermore Atomic Research Computer — foi construído para o Centro de Pesquisa e Desenvolvimento da Marinha dos EUA em 1960.

Para mostrar o quão longe chegamos desde então, selecionamos uma lista detalhada dos supercomputadores mais rápidos do mundo. Todos são sistemas de computador não distribuídos rodando Linux.

12. Sequoia

Velocidade: 17,1 petaFLOPS
Núcleos: 1.572.864

Fornecedor: IBM
Local: Lawrence Livermore National Laboratory, Estados Unidos

Sequoia usa servidores BlueGene/Q da IBM para entregar desempenho teórico de pico de 20 petaFLOPS. Tem 123% mais núcleos e é 37% mais eficiente energeticamente que seu predecessor, o computador K.

Embora a máquina seja usada principalmente para simulação de armas nucleares, também está disponível para muitos propósitos científicos, como mudança climática e análise de genoma humano. Também demonstrou sua grande escalabilidade com simulação 3D da eletrofisiologia do coração humano.

11. PANGEA III

Crédito: Total S.A.

Velocidade: 17,8 petaFLOPS
Núcleos: 291.024

Fornecedor: IBM
Local: Centro de pesquisa técnico e científico CSTJF em Pau, França

Pangea III baseia-se na arquitetura de alto desempenho otimizada para IA da IBM. IBM e NVIDIA trabalharam juntas para construir a única conexão CPU-para-GPU NVLink da indústria, que permite largura de banda de memória mais de 5 vezes mais rápida entre o CPU IBM POWER9 e GPUs NVIDIA Tesla V100 Tensor Core que sistemas convencionais baseados em x86.

A arquitetura não apenas melhora o desempenho computacional, mas também aumenta a eficiência energética. O novo sistema usa menos de 10% do consumo de energia por petaFLOP que seu predecessor, Pangea I e II.

Pangea III tem várias aplicações, especialmente em três campos diferentes — imagem sísmica de exploração e desenvolvimento, modelos de desenvolvimento e produção, e avaliação e seletividade de ativos.

10. Lassen

Velocidade: 18,2 petaFLOPS
Núcleos: 288.288

Fornecedor: IBM
Local: Lawrence Livermore National Laboratory, Estados Unidos

Lassen é designado para simulação e análise não classificadas. Está instalado no mesmo laboratório e usando os mesmos componentes de construção que Sierra (#2 supercomputador mais rápido).

Embora Sierra seja um sistema grande, Lassen tem tamanho decente por direito próprio: é exatamente 1/6 do tamanho de seu irmão maior. O sistema Lassen está contido em 40 racks, enquanto Sierra ocupa 240 racks.

Processadores IBM Power9 e 253 terabytes de memória principal ajudam Lassen a atingir desempenho de pico de 23 petaFLOPS.

9. SuperMUC-NG

Velocidade: 19,4 petaFLOPS
Núcleos: 305.856

Fornecedor: Lenovo
Local: Leibniz Supercomputing Centre, Alemanha

SuperMUC-NG possui 6.400 nós de computação Lenovo ThinkSystem SD650 com resfriamento direto a água, com mais de 700 terabytes de memória principal e 70 petabytes de armazenamento em disco.

Está conectado a poderosos sistemas de visualização que contêm uma grande powerwall estereoscópica 4K e um ambiente de realidade virtual artificial CAVE de 5 lados.

O supercomputador atende cientistas europeus de muitos campos, incluindo análise de genoma, dinâmica de fluidos, cromodinâmica quântica, ciências da vida, medicina e astrofísica.

8. Infraestrutura de Nuvem para Ponte de IA (AI Bridging Cloud Infrastructure)

Crédito: ABCI

Velocidade: 19,8 petaFLOPS
Núcleos: 391.680

Fornecedor: Fujitsu
Local: Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada, Japão

Esta é a primeira infraestrutura de computação de IA aberta em grande escala do mundo que entrega 32.577 petaFLOPS de desempenho de pico. Tem um total de 1.088 nós, cada um contendo 2 processadores Intel Xenon Gold Scalable, 4 GPUs NVIDIA Tesla V100, 2 HCAs InfiniBand EDR e 1 SSD NVMe.

A Fujitsu Limited afirma que o supercomputador pode alcançar 20 vezes a densidade térmica de data centers convencionais, e capacidade de resfriamento de 70 kW Rack usando água quente e resfriamento a ar.

7. Trinity

Velocidade: 21,2 petaFLOPS
Núcleos: 979.072

Fornecedor: Cray
Local: Los Alamos National Laboratory, Estados Unidos

Trinity foi construído para fornecer capacidade computacional extraordinária para a Empresa de Segurança Nuclear da NNSA. Visa melhorar fidelidades geométricas e de física em código de simulação de armas nucleares, enquanto garante que o estoque nuclear seja seguro, protegido e eficaz.

O supercomputador foi desenvolvido em duas etapas: a primeira incorporou o processador Intel Xeon Haswell, e a segunda incluiu aumento substancial de desempenho usando o processador Intel Xeon Phi Knights Landing. Pode entregar desempenho total de pico superior a 41 petaFLOPS.

6. Piz Daint

Velocidade: 21,2 petaFLOPS
Núcleos: 387.872

Fornecedor: Cray
Local: Swiss National Supercomputing Centre, Suíça

Este supercomputador, nomeado após a montanha Piz Daint nos Alpes Suíços, roda em microprocessador Intel Xeon E5-26xx e NVIDIA Tesla P100.

Piz Daint utiliza o "modo burst buffer" do DataWarp para aumentar largura de banda efetiva para e de dispositivos de armazenamento. Isso acelera taxas de entrada/saída de dados, facilitando análise de milhões de arquivos pequenos e não estruturados.

Além de suas tarefas diárias, pode lidar com análise de dados de alguns dos projetos mais intensivos em dados do mundo, como dados coletados de experimentos no Large Hadron Collider.

Leia: O Que É Um Acelerador de Partículas?

5. Frontera

Visão entre duas fileiras de servidores Frontera | Crédito: TACC

Velocidade: 23,5 petaFLOPS
Núcleos: 448.448

Fornecedor: Dell EMC
Local: Texas Advanced Computing Center, Estados Unidos

Frontera abre novas possibilidades em engenharia e pesquisa fornecendo recursos computacionais extensivos que tornam mais fácil para cientistas enfrentar muitos desafios complexos em uma ampla gama de domínios.

Frontera possui dois subsistemas de computação: o primeiro foca em desempenho de precisão dupla, enquanto o segundo foca em computação de memória de fluxo de precisão única. Também tem interfaces de nuvem e múltiplos nós de aplicação para hospedagem de servidores virtuais.

4. Tianhe-2A

Tianhe-2 no Centro Nacional de Supercomputação em Guangzhou

Velocidade: 61,4 petaFLOPS
Núcleos: 4.981.760

Fornecedor: NUDT
Local: Centro Nacional de Supercomputação em Guangzhou, China

Com mais de 16.000 nós de computador, Tianhe-2A representa a maior instalação mundial de processadores Intel Ivy Bridge e Xeon Phi. Embora cada nó tenha 88 gigabytes de memória, a memória total (CPU+coprocessador) é 1.375 tebibyte.

A China gastou 2,4 bilhões de yuans (US$390 milhões) na construção deste supercomputador. Agora é usado principalmente em simulações, análises e aplicações de segurança governamental.

3. Sunway TaihuLight

Velocidade: 93 petaFLOPS
Núcleos: 10.649.600

Fornecedor: NRCPC
Local: Centro Nacional de Supercomputação em Wuxi, China

O poder computacional do TaihuLight vem de uma CPU caseira de vários núcleos SW26010 que inclui elementos de processamento computacional e de gerenciamento.

Um único SW26010 fornece desempenho de pico de mais de 3 teraFLOPS, graças aos seus 260 elementos de processamento (integrados em uma CPU). Cada elemento de processamento computacional tem memória scratchpad que serve como cache controlado pelo usuário, reduzindo significativamente o gargalo de memória na maioria das aplicações.

Além de ciências da vida e pesquisa farmacêutica, TaihuLight foi usado para simular o universo com 10 trilhões de partículas digitais. No entanto, a China está tentando alcançar muito mais: o país já declarou sua meta de ser líder em IA até 2030.

2. Sierra

Crédito da imagem: Wikimedia

Velocidade: 94,6 petaFLOPS
Núcleos: 1.572.480

Fornecedor: IBM
Local: Lawrence Livermore National Laboratory, Estados Unidos

Sierra oferece até 6 vezes o desempenho sustentado e 7 vezes o desempenho de carga de trabalho de seu predecessor Sequoia. Combina dois tipos de chips de processador: processadores Power 9 da IBM e GPUs Volta da NVIDIA.

Sierra é especificamente projetado para avaliar o desempenho de sistemas de armas nucleares. É usado para aplicações preditivas em stewardship de estoque, o programa dos EUA de teste de confiabilidade e manutenção de armas nucleares sem testes nucleares.

Leia: O Que É Unidade de Processamento Tensor (TPU)? Como Difere de GPU?

1. Summit

Crédito da imagem: ORNL

Velocidade: 148,6 petaFLOPS
Núcleos: 2.414.592

Fornecedor: IBM
Local: Oak Ridge National Laboratory, Estados Unidos

Summit pode entregar 200 petaFLOPS no pico. Isso equivale a 200 quatrilhões de operações de ponto flutuante por segundo.

Também é o terceiro supercomputador mais eficiente energeticamente do mundo, com eficiência energética registrada de 14,66 gigaFLOPS por watt.

Os 4.600+ servidores do Summit, que ocupam o tamanho de duas quadras de basquete, abrigam mais de 9.200 processadores IBM Power9 e mais de 27.600 GPUs NVIDIA Tesla V100. O sistema é conectado por 185 milhas de cabo de fibra óptica, e consome energia suficiente para alimentar 8.100 casas.

Em 2018, Summit tornou-se o primeiro supercomputador a quebrar a barreira do exascale. Ao analisar dados genômicos, atingiu throughput de pico de 1.88 exaops, que é quase 2 bilhões de bilhões de cálculos por segundo.

Os Estados Unidos visam desenvolver um ecossistema de computação exascale totalmente capaz para estudos científicos no próximo ano, e Summit é um passo nessa direção.

1. Fugaku

Velocidade: 442 petaFLOPS
Núcleos: 7.630.848

Fornecedor: Fujitsu
Local: RIKEN Center for Computational Science, Japão

Com desempenho teórico de pico de 537 petaFLOPs, Fugaku é o supercomputador mais rápido do mundo. Também é o primeiro supercomputador top-ranked a ser alimentado por processadores ARM.

Segundo o benchmark HPCG, o desempenho do Fugaku supera o desempenho combinado dos próximos quatro supercomputadores no mundo.

É uma grande conquista para o governo japonês, mas projetar um sistema tão poderoso não saiu barato. Desde 2014, o governo gastou cerca de $1 bilhão em P&D, aquisições e desenvolvimento de aplicações do projeto.

Fugaku roda em dois sistemas operacionais lado a lado: Linux e um "light-weight multi-kernel OS" chamado IHK/McKernel. Linux lida com serviços compatíveis com Portable Operating System Interface (POSIX), enquanto McKernel roda simulações de alto desempenho.

É projetado para resolver problemas sociais e científicos de alta prioridade, como previsão do tempo, desenvolvimento de energia limpa, descoberta de medicamentos, medicina personalizada e exploração das leis da mecânica quântica.

Leia: 18 Fatos Mais Interessantes Sobre Computadores Quânticos

Perguntas Frequentes

Que software supercomputadores rodam?

Quase todos os supercomputadores modernos usam o sistema operacional Linux. A principal razão é a natureza open-source do Linux.

Como supercomputadores são projetados para propósitos específicos, requerem um SO personalizado otimizado para esses requisitos específicos. Descobriu-se que desenvolver e manter sistemas operacionais proprietários de código fechado é um processo muito mais caro e demorado.

Linux, por outro lado, é gratuito, confiável e fácil de personalizar. Desenvolvedores podem configurar ou fazer versões separadas de Linux para cada um dos supercomputadores.

Leia: Linus Torvalds: O Homem Que Criou o Kernel Linux

Quem usa um supercomputador?

Supercomputadores são usados principalmente por cientistas e pesquisadores para realizar tarefas computacionalmente intensivas em vários campos, incluindo:

• Pesquisa aerodinâmica e previsão do tempo
• Teste da força de criptografia
• Simulação de dinâmica molecular
• Finanças e pesquisa de mercado
• Simulações de testes nucleares 3D
• Descoberta de medicamentos
• Pesquisa espacial

Qual país tem mais supercomputadores?

Em 2021, a China tem 188 dos 500 supercomputadores de melhor desempenho do mundo. Os Estados Unidos têm 122 e o Japão tem 34 supercomputadores. Juntos, os dois principais países respondem por 62% das máquinas de supercomputação mais poderosas do mundo.

Leia: 13 Melhores Livros de Ciência da Computação Para Ler

Qual é o futuro dos supercomputadores?

Segundo relatório da Technavio, o mercado global de supercomputadores crescerá $12,5 bilhões entre 2021 e 2025, progredindo a um CAGR de 20% durante o período de previsão.

O uso crescente de inteligência artificial, machine learning e tecnologia de nuvem é a principal razão por trás deste crescimento. A necessidade de modelos altamente sofisticados para lidar com física, química e questões ambientais complexas pode acelerar ainda mais o crescimento.

Em suma, com aplicações sofisticadas crescentes no futuro próximo, a demanda por supercomputadores consequentemente aumentará. Entidades governamentais devem ser os usuários finais que geram maior receita.