Emil Slușanschi este un tânăr profesor la Departamentul de Calculatoare al Universității Politehnica din București. Pe lângă o activitate didactică remarcabilă, Emil este cercetător științific de prestigiu în domeniul sistemelor de calcul de înaltă performanță. Ne-am întâlnit cu el pentru a discuta despre felul în care Supercalculatoarele continuă să ne schimbe viața, care este rolul lor într-o lume din ce în ce mai însetată de tehnologie și, nu în ultimul rând, despre locul pe care îl ocupă România pe harta supercomputing-ului mondial.

Dacă vom inventa la un moment dat călătoria în timp și vom vizita anii ’50, vom descoperi o lume în pragul unei revoluții ce avea să schimbe pentru totdeauna felul în care trăim: revoluţia calculatoarelor. Cu toate acestea, calculatoarele acelor timpuri ar putea arăta ciudat pentru noi – nişte maşini de calcul imense și greoaie, ce puteau ocupa sute de metri pătrați, aveau nevoie de echipe întregi de ingineri și tehnicieni pentru a funcţiona, dar ale căror performanţe nu ar putea rivaliza nici măcar cu acelea ale unui simplu telefon mobil din zilele noastre.

Totuși, ce am obține dacă am construi un calculator de asemenea dimensiuni cu tehnologia pe care o avem azi la dispoziție? Răspunsul la această întrebare este un Supercalculator, o mașină de calcul de milioane de ori mai rapidă și mai performantă decât un PC obișnuit, capabilă să rezolve probleme incredibil de complexe, de la simularea producerii tsunami-urilor și modelarea încălzirii globale până la descoperirea bosonului Higgs sau a noi tratamente împotriva cancerului.

 

Ce este Calculul Științific de Înaltă Performanță, sau High Performance Computing, așa cum este el denumit tradițional în cercetare și industrie?

High Performance Computing, pe scurt HPC, se referă la realizarea unor sisteme de calcul de dimensiuni considerabil mai mari decât sunt disponibile în sistemele de calcul personale (laptopuri și desktopuri), sau chiar la nivelul unor sisteme de calcul profesionale (servere), pentru a rezolva probleme de dimensiuni mari și foarte mari în domenii științifice, inginerești sau industriale.

Aceste sisteme de calcul sunt numite Supercalculatoare. Ele sunt constituite din mii sau chiar zeci de mii de servere, cu sute de mii de procesoare și milioane de unități de procesare. Puterea lor de calcul începe de la ordinul zecilor de Teraflopi (1012 operații în virgulă mobilă pe secundă) și ajunge în ziua de astăzi până la ordinul sutelor de Petaflopi (1015 operații în virgulă mobilă pe secundă).

Software-ul necesar pentru a putea utiliza în mod eficient aceste sisteme folosește tehnici de programare paralelă, adică metode de design și implementare a software-ului ce pot face să lucreze împreună un număr extrem de mare de unități de procesare, în același timp.

 

Care este, în ziua de astăzi, ordinul de mărime al puterii de calcul a Supercalculatoarelor?

Așa cum puterea de calcul a calculatoarelor personale și a serverelor obișnuite continuă să crească constant, tot așa sporește constant și puterea de calcul a Supercalculatoarelor. Se poate astfel observa că puterea unui Supercalculator din momentul X de timp este atinsă de către un sistem de calcul personal la momentul de timp X+15 ani. Adică laptopul meu de astăzi are puterea unui Supercalculator de acum 15 ani.

Extrapolând, urmărind ce pot face astăzi Supercalculatoarele, putem estima precis ce vom putea face peste 15 ani cu sistemele noastre personale. Astfel putem vedea ce fel de putere de procesare vom avea la dispoziție și putem fi pregătiți să o utilizăm cât mai eficient. În acest moment, sistemul cel mai puternic din lume, instalat în China, ajunge la 93 de Petaflopi.

Cum însă tehnologia continuă să evolueze, aceasta este o țintă mereu in mișcare. Industria de HPC are o țintă mare, și anume atingerea unui Exaflop (1018 operații în virgulă mobilă pe secundă), adică a unui sistem de o mie de ori mai puternic decât cel de 1 Petaflop, sau de mai bine de 10 ori mai puternic decât cel mai puternic sistem disponibil acum.

Trebuie spus însă că, pentru a ajunge acolo, trebuiesc rezolvate niște probleme tehnologice semnificative, cum ar fi consumul de energie, răcirea sau modelele de programare a acestor sisteme. Din aceste motive, termenul estimat pentru atingerea unui Exaflop a tot fost devansat din 2018 către 2020 și mai nou chiar către 2023.

 

Care sunt domeniile de interes principale ce pot beneficia din utilizarea Supercalculatoarelor?

În mod tradițional, utilizatorii principali ai sistemelor HPC sunt cercetătorii științifici, inginerii, instituțiile academice de învățămánt superior, alături de o serie de agenții guvernamentale, printre care armata și departamentele de energie. Așa cum în secolul 20 tehnologia a fost limitată de ceea ce puteam măsura, în secolul 21 tehnologia va fi limitată doar de ceea ce putem simula.

Astfel, în ultimii 20-30 de ani s-a dezvoltat paradigma științelor computaționale, care, alături de științele teoretice și cele experimentale, constituie cei trei piloni fundamentali ai cercetării științifice actuale. Științele computaționale, bazate pe puterea de calcul oferită de către Supercalculatoare, sprijină științele teoretice prin realizarea unor calcule precise și rapide pe o scală inaccesibilă pe sistemele de calcul convenționale.

În aceeași măsură, științele computaționale sprijină științele experimentale prin controlul fin al aparaturii experimentale, modelarea proceselor de măsurare și, nu în ultimul rând, prin analiza datelor masive ce sunt generate în cadrul experimentelor realizate. Supercalculatoarele sunt, de fapt, acceleratoare ale științelor teoretice, deoarece utilizând sisteme HPC putem realiza simulări de dimensiuni suficient de mari pentru a valida teoriile propuse.

În același timp putem face mult mai rapid și mai precis experimente ce ar necesita timp și cheltuieli semnificative sau chiar prohibitive și, nu în ultimul rând, putem coordona și comanda dispozitive electronice ce nu ar putea niciodată să fie controlate direct de către oameni, din cauza preciziei de control pe care aceste aparate o necesită.

 

Ce probleme științifice sunt tratate în prezent utilizând tehnologii HPC?

Sistemele HPC cele mai performante, produse de cele mai mari companii din domeniu, cum sunt Cray, IBM sau HP, prezente în lista celor mai puternice 100 de sisteme din lume, ce costă fiecare mai mult de 20 milioane $, atacă probleme științifice semnificative, cum sunt natura particulelor elementare ale materiei, originea și evoluția universului, prognoza meteorologică și analiza climatică, bioinformatica și modelarea creierului uman sau analiza cutremurelor.

 

În ce măsură sunt utilizate tehnologii și sisteme HPC în România

Sunt mulți cercetători în România care utilizează tehnologii HPC, pentru a rezolva o serie de probleme științifice de actualitate, atât în București, cât și în Timișoara, Cluj sau lași.

Astfel, în ultimii ani, doar în cadrul grupului de HPC al Departamentului de Calculatoare din UPB am avut mai multe colaborări de anvergură:

  • cu institutul de Fizică Chimie al Academiei Române în scalarea și optimizarea unor simulări de dinamică moleculară;
  • cu institutul de Cercetari Aerospațiale în simulări de dinamica fluidelor;
  • cu Agenția Națională de Meteorologie în optimizarea rulării modelelor de prognoză meteorologică;
  • cu institutul Astronomic al Academiei Române în paralelizarea unor simulări de detectare a planetelor din afara sistemului nostru solar;
  • cu institutul Național de Cercetare și Dezvoltare pentru Fizica Pamântului pentru simulări seismice din zona Vrancea;
  • nu în ultimul rând, prin colaborarea în cadrul unui program de master și a unei școli doctorale a Universității Politehnica din București împreună cu Institutul Național pentru Fizică și Inginerie Nucleară Horia Hulubei (IFIN-HH) în cadrul proiectului Extreme Light infrastructure Nuclear Physics (ELI-NP).

Coagularea comunității HPC din România se face în acest moment în jurul Asociației Române pentru Promovarea Metodelor Computaționale Avansate în Cercetarea Științifică – ARCAS (www.arcas.org.ro), unde participă cei mai importanți membri ai comunității științifice și academice din țara noastră.

 

Care sunt perspectivele tehnologiilor HPC în România și în întreaga lume?

Eu sunt extrem de optimist legat de acest domeniu, atât în Romania, cât și în lumea întreagă. Pe măsură ce un număr tot mai mare de absolvenți ai universităților sunt expuși la tematicile HPC și pe măsură ce tehnologiile și resursele HPC devin din ce în ce mai accesibile, tot mai multe domenii vor începe să utilizeze aceste sisteme și tehnologii.

Exemple actuale de utilizare includ realizarea de către IBM, Cray sau HP a unor sisteme HPC dedicate pentru Inteligența Artificială, utilizând algoritmi și abordări de Deep Computing, sau a unor sisteme de diagnosticare a pacienților pe baza analizei datelor medicale ale acestora. Probleme posibile ce pot fi abordate în următorii 10-2O de ani de către sisteme HPC includ: maparea completă a creierului uman, realizarea unor simulări climatice pe termen mediu și lung, prognoza meteo pentru săptămâni sau chiar luni, maparea completă a genomului uman, predicția cutremurelor și a altor dezastre naturale, precum și a efectelor acestora atât asupra mediului înconjurător, cât și a așezărilor omenești.

 

Comentați pe Facebook