La Terra in 35 teraflop
Come il Giappone ha vinto la corsa al computer più potente, lasciando gli Stati uniti con un palmo di naso
25 marzo 2004
Luca Tancredi Barone
Non sono in molti a essersene accorti, ma negli ultimi cinque anni c'è stata una vera e propria guerra scientifica - in tutto e per tutto analoga a quella che negli anni sessanta ha visto le due superpotenze scontrarsi fino all'ultimo rublo per la conquista dello spazio.
A duellare stavolta sono stati ancora gli Stati uniti, ma il nuovo nemico era il Giappone. E la posta in gioco era poter piantare la propria bandiera non sulla rocciosa superficie lunare, ma sulla vetta della una classifica che indica i 500 computer più potenti e più veloci del mondo. Questa volta - per ora - a vincere alla grande è stato il Giappone, con il suo Earth Simulator.
La storia inizia nei primi anni novanta quando, grazie al boom dell'industria informatica, i microprocessori erano diventati a basso costo e facilmente disponibili sul mercato. A quel tempo negli Stati uniti gli scienziati avevano da qualche anno iniziato a sviluppare supercomputer ad architettura vettoriale, il cui prototipo erano le macchine sviluppate dalla Cray. Un'architettura vettoriale fa sì che i computer effettuino operazioni con stringhe di numeri e non con singoli dati. Non solo: per il modo in cui sono costruiti, i processori dei computer vettoriali sono fisicamente collegati alla memoria e riescono ad accedere più efficientemente ai dati da utilizzare, riducendo di molto i tempi di calcolo. Poiché però macchine della potenza di un Cray erano destinate a un mercato molto ridotto - in sostanza quello della ricerca scientifica e militare - avevano bisogno di investimenti pubblici ingenti e molto mirati.
Con l'arrivo dei microprocessori commodity, cioè disponibili facilmente come una materia prima, si fece così strada una nuova filosofia: l'architettura parallela, che mettendo a lavorare assieme moltissimi processori poco potenti ma a basso costo mirava a raggiungere gli stessi risultati delle macchine più grandi e più costose. "L'idea era quella di ottenere gli stessi risultati di una Ferrari mettendo insieme 40 Toyota", spiega Antonio Navarra, fisico dell'Istituto nazionale di geofisica e vulcanologia, nonché uno dei massimi esperti di clima. "Magari ce ne vogliono 40 o 50, ma certamente costa meno comprare macchine commerciali già sul mercato che costruire un unico esemplare di Ferrari".
Solo che scrivere un programma per le macchine vettoriali è più semplice che scriverlo per le macchine parallele: nel primo caso infatti non si devono gestire tutte le comunicazioni fra i microprocessori sparsi su tante macchine diverse. Per i computer di tipo Cray, gran parte delle istruzioni - scritte in un linguaggio che deve essere tradotto in linguaggio macchina - sono più automatizzabili.
"C'erano però altri fattori, oltre al costo dei microprocessori, che hanno facilitato l'avvento del nuovo approccio parallelo", dice ancora Navarra. Fra questi, "lo sviluppo delle tecnologie della comunicazione, necessarie per mettere in collegamento fra loro tutti i processori, nonché l'enorme crescita delle compagnie di PC, che hanno finito per assorbire le aziende che producevano i supercomputer".
L'architettura parallela ha goduto di un grande sostegno nella comunità scientifica - ma anche nelle istituzioni degli Stati uniti. Alcuni tipi di problemi si potevano infatti affrontare molto bene: in fisica delle alte energie, per esempio, i dati sono numerosissimi, ma molto "semplici", perché indipendenti fra loro. Avere una batteria di computer che li affronta è il modo ideale per risolvere numerosissimi calcoli in poco tempo. Una seconda caratteristica che devono avere i problemi per essere facilmente affrontabili dai computer basati sul modello parallelo, spiega Navarra, "è quella di essere ben bilanciati: in sostanza tutti i processi del sistema devono far lavorare in maniera più o meno distribuita tutti i computer".
Queste limitazioni fanno sì che l'architettura parallela non sia la soluzione ottimale per altri rami della scienza. Per esempio, per la climatologia: i modelli climatici infatti dividono il mondo in celle rettangolari distinte, e spesso accade che in alcune celle non succede "nulla" (per esempio, "non piove") - e quindi i computer corrispondenti stanno quasi fermi - mentre su un'altra cella c'è da simulare un tornado. Il risultato è che, per la climatologia, l'efficienza dei sistemi paralleli è molto ridotta.
Burton Smith, della Cray, lo ha spiegato molte volte: "Ogni sistema si adatta alla sua nicchia ecologica: quelli paralleli danno il meglio di sé dove il carico di lavoro è ben bilanciato. I sistemi vettoriali invece funzionano meglio con carichi di lavoro poco bilanciati, algebra lineare diffusa, metodi impliciti e maglie irregolari".
Molti scienziati erano consapevoli di questi limiti. E infatti hanno tentato negli anni novanta di utilizzare le macchine della giapponese Nec, basate sull'approccio vettoriale, per ottenere simulazioni di volo, prevedere terremoti o per i modelli della struttura delle proteine. Ma fra le intenzioni dei ricercatori e i computer giapponesi si è messo di mezzo il protezionismo informatico abbracciato dal governo statunitense in favore delle sue macchine. E così mentre gli Stati uniti rimanevano al palo, nel 1997 il Giappone lanciava il suo progetto di simulatore terrestre - Earth Simulator (ES) - con l'obiettivo di "realizzare previsioni per il cambiamento climatico globale". Un traguardo che, con i sistemi di calcolo paralleli, sarebbe stato irraggiungibile in tempi ragionevoli.
L'idea era costruire una macchina parallela, ma i cui nodi fossero vettoriali. E fu proprio la Nec ad aggiudicarsi l'appalto nel 1998. La costruzione della macchina è iniziata nel 2000 ed è stata portata a termine, al costo di circa 350 milioni di euro, nel 2002: l'ES è operativo dal marzo di quell'anno. Appena schiacciato il tasto enter, l'ES si è aggiudicato la prima posizione nella classifica dei 500 computer più potenti, lasciando gli statunitensi con un palmo di naso.
La cifra della sconfitta si chiama teraflop: il flop è un'unità di misura che indica il numero di operazioni effettuabili in un secondo con numeri non interi. Tera è il prefisso che indica mille miliardi. Ebbene, con i suoi 5.120 processori, il mostro giapponese ha una potenza effettiva di 35,86 teraflop (quella teorica, ottenuta moltiplicando la velocità di ogni processore per il loro numero, sarebbe di 40,96). Il secondo classificato, l'Asci White del Lawrence Livermore Laboratory dell'IBM, utilizzato per simulare le esplosioni di armi nucleari, arriva a 13,88 (teorica: 20,48), ma con 8.192 processori. Ci vuole la potenza sommata dei successivi quattro classificati (tutti statunitensi) per superare quella dell'ES, per un totale di più di 15.000 processori.
In altre parole, dice Navarra, i giapponesi avevano dimostrato che "la strada precedente non era più quella del futuro, come si pensava prima dell'avvento dell'ES. La lezione che abbiamo imparato è che ci vuole sempre un mix di tecnologie per fare passi in avanti".
Tetsuya Sato, direttore del progetto ES, si spinge persino più in là e parla di queste macchine gigantesche come di "strumenti magici", che "probabilmente ci spingeranno modificare il modo di pensare: dal riduzionismo a un nuovo paradigma, dall'ideale al reale, dal semplice al complesso".
Gli statunitensi, comunque, hanno imparato la lezione alla svelta: entro il 2005 contano di costruire tre nuove macchine ancora più potenti dell'ES. La guerra continua.
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Una macchina impressionante
Intervista ad Antonio Navarra dell'Istituto nazionale di geofisica
25 marzo 2004
Luca Tancredi Barone
Come l'imponenza degli edifici di culto, che doveva schiacciare il fedele al cospetto della potenza del divino, talvolta è la stessa dimensione fisica delle grandi macchine scientifiche, i moderni monumenti laici, a dare la misura dell'importanza che rappresentano per la scienza. Antonio Navarra a Yokohama, a un'ora di macchina da Tokyo, sede dell'edificio che ospita l'Earth Simulator, c'è stato. "E' una bruttissima zona industriale", commenta. "Ma il palazzo dove è ospitato l'ES è grandioso: lo hanno costruito apposta".
Un intero palazzo?
Esattamente, ed è grande come quattro campi da tennis: la pianta misura cinquanta metri per sessanta. E' costruito su quattro piani, di cui l'ES occupa l'ultimo. Al terzo piano si trovano circa 83.000 cavi di rame, per un totale di circa 3.000 chilometri, mentre i due piani inferiori sono occupati dalle apparecchiature elettriche e dal sistema di aria condizionata. Un sistema che pompa aria fredda attraverso canali scavati nei muri - che formano una specie di guscio aereo attorno all'ES - fino ai computer dell'ultimo piano. Ciascun nodo infatti consuma ben 20 kVA, e quindi produce calore. I nodi sono 640: in ognuno ci sono otto processori per un totale di 5.120, ciascuno a 500 MHz, e 10 terabyte di memoria. Non basta: la sala macchine è isolata dalle interferenze di tipo elettrico delle vicine linee ferroviarie e persino le luci alogene di illuminazione sono esterne al guscio protettivo. Il palazzo, come è ovvio in quel paese, è antisismico: l'intera struttura è sospesa su molle per proteggerlo dai terremoti.
E come è fatto il computer?
Anche l'impatto visivo è interessante: ci sono 320 cabinet (armadietti) colorati, ciascuno dei quali ospita due nodi. I 65 cabinet verde acqua sono quelli centrali e contengono la rete di interconnessione. Attorno a questi si trova un'area formata da un anello di cabinet blu, a loro volta circondati da cabinet bianchi, che sono quelli all'interno dei quali si trovano i dischi di memoria.
Sono state prese precauzioni particolari?
ES non è collegato a internet, perché un sistema di questo genere sarebbe nel mirino per ogni tipo di attacco. Ma questo vuol dire anche che per lavorare bisogna andare sul posto, proprio come con i telescopi di una volta. L'ES attira talenti da tutto il mondo ed è la dimostrazione che un investimento scientifico può dare valore aggiunto anche alle città meno attraenti.
Le aspettative sull'ES, soprattutto nella climatologia, sono giustificate?
In effetti ci aspettiamo grandi passi in avanti. Le previsioni climatiche per i prossimi 50 anni contengono moltissime incertezze, ed è su queste valutazioni che si basano decisioni importanti per l'umanità, come l'adozione del protocollo di Kyoto. L'ES ci consentirà di migliorare la risoluzione per aumentare l'accuratezza del calcolo. Nei modelli, anziché utilizzare celle di 100 o 200 chilometri di diametro potremo scendere a 10 o 5 chilometri, riuscendo a rappresentare anche fenomeni su scala locale. Non solo: contiamo di poter completare il sistema climatico aggiungendo ai modelli per l'atmosfera quelli per l'oceano e per i ghiacci, oltre che per la biosfera, terrestre e marina. E aggiungendo anche modelli di processi chimici fondamentali, come quelli dell'azoto e del carbonio. Insomma, vorremmo arrivare a un modello per il sistema Terra. Potremo anche tenere conto delle fluttuazioni casuali, una cosa che con gli attuali tempi di calcolo è impensabile.
In un certo senso è l'esistenza stessa di una macchina a spostare il traguardo più avanti.
E' così. E poi non le nascondo che una fonte di entusiasmo è sempre la speranza di poter vedere dei risultati nell'ambito della propria vita professionale.
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