Supercomputadora para niños
Una supercomputadora es un tipo de computadora muy potente, mucho más que las que usamos en casa o en la escuela. Estas máquinas se usan para resolver problemas y realizar cálculos tan grandes y complejos que las computadoras normales no podrían hacer. A veces, también se les llama computadoras de alto rendimiento porque están diseñadas para trabajar a una velocidad increíble.
Las supercomputadoras no son solo una máquina, sino que a menudo son un conjunto de muchas computadoras potentes conectadas entre sí. Juntas, trabajan como un equipo para lograr una capacidad de cálculo enorme. Para que te hagas una idea de su velocidad, en 2019, las supercomputadoras más rápidas podían realizar más de 148 petaflops. Un petaflop significa que la computadora puede hacer más de mil billones de operaciones por segundo. ¡Es una cantidad gigantesca! Puedes encontrar una lista de las supercomputadoras más rápidas en el ranking TOP500.
Contenido
Historia de las Supercomputadoras
Las primeras supercomputadoras aparecieron en la década de 1970. Un ingeniero muy importante llamado Seymour Cray fue clave en su desarrollo, trabajando primero en la empresa Control Data Corporation (CDC). Esta compañía fue líder en el campo de las supercomputadoras por un tiempo.
Más tarde, Seymour Cray fundó su propia empresa, Cray Research, y siguió siendo el principal creador de estas máquinas tan avanzadas. Sus diseños fueron tan buenos que su empresa se mantuvo en la cima del rendimiento de supercomputadoras durante varios años, desde 1985 hasta 1990.
En los años 80, muchas otras empresas intentaron competir en este mercado. Sin embargo, la mayoría de ellas no lograron mantenerse y desaparecieron a mediados de los años 90. Es importante saber que lo que hoy consideramos una supercomputadora, con el tiempo, se convierte en una computadora más común, a medida que la tecnología avanza muy rápido.
Al principio, las supercomputadoras usaban procesadores muy rápidos. Luego, a mediados de los 80, comenzaron a usar varios procesadores trabajando juntos, lo que se conoce como procesamiento en paralelo. Esto se volvió algo normal. En los años 90, la idea cambió a usar miles de procesadores "normales" trabajando al mismo tiempo. Hoy en día, las supercomputadoras modernas suelen ser grupos de computadoras conectadas, usando procesadores comunes de servidores y conexiones especiales para que trabajen muy rápido juntas.
Hasta ahora, las supercomputadoras han sido usadas principalmente por organizaciones militares, gobiernos, universidades y grandes empresas.
¿Para qué se usan las supercomputadoras?
Las supercomputadoras se utilizan para tareas que requieren muchísimos cálculos. Aquí te damos algunos ejemplos:
- Estudio del clima: Ayudan a los científicos a entender el clima del pasado, el actual y a predecir cómo será en el futuro.
- Exploración espacial: Se usan para simular cómo funcionan las estrellas por dentro, cómo evolucionan (como las explosiones de supernovas) y para estudiar el clima espacial.
- Simulación de desastres: Permiten simular cómo un tsunami podría afectar una costa o una ciudad, lo que ayuda a prepararse mejor.
- Diseño de vehículos: Se utilizan para probar la aerodinámica de aviones o automóviles, es decir, cómo se mueven en el aire.
- Investigación médica: Ayudan a entender cómo se pliegan las proteínas en el cuerpo, lo cual es clave para investigar enfermedades como la fibrosis quística o algunos tipos de cáncer.
- Investigación de energía: Se usan para simular procesos complejos como la fusión nuclear.
Un ejemplo famoso de supercomputadora es la IBM Roadrunner. Científicos de IBM y del Laboratorio Nacional de Los Álamos trabajaron seis años en su tecnología. Curiosamente, algunos de sus componentes tienen un origen similar a los de las consolas de videojuegos populares, como la PlayStation 3. Sin embargo, la Roadrunner era enorme: ocupaba un espacio de 557 metros cuadrados, tenía 91,7 kilómetros de fibra óptica y pesaba 226,8 toneladas. Fue trasladada al laboratorio de Los Álamos en julio de 2008.
Japón creó la primera supercomputadora que alcanzó un petaflop, la MDGrape-3, aunque era para usos muy específicos. Luego, la IBM Roadrunner de Estados Unidos también llegó a 1 petaflop. China creó la Milky Way One (1,2 petaflops), y Cray de Estados Unidos, la Jaguar (1,7 o 1,8 petaflops), que fue la más rápida a finales de 2009. A finales de 2010, la supercomputadora más rápida era la china Tianhe 1A, con una velocidad máxima de 2,5 petaflops.
Sistemas de Enfriamiento en Supercomputadoras
Las unidades centrales de procesamiento (CPU) de las supercomputadoras generan mucho calor, ¡a veces diez veces más que una estufa de cocina! Algunos diseños necesitan enfriar las CPU a temperaturas muy bajas, como -85 °C.
Enfriar tantas CPU a estas temperaturas requiere mucha energía. Por ejemplo, una supercomputadora llamada Aquasar puede alcanzar una velocidad de 10 teraflops, pero un solo estante de esta máquina consume unos 10 kilovatios de energía. Para comparar, un estante de la supercomputadora Blue Gene L/P consume alrededor de 40 kilovatios.
En promedio, una supercomputadora de la lista de las 500 más rápidas del mundo consume unos 257 kilovatios.
Para la supercomputadora Aquasar, que se instaló en el Instituto Tecnológico Federal Suizo (ETH), se usó un sistema de enfriamiento líquido innovador. Se necesitan 10 litros de agua que fluyen a 29,5 litros por minuto. La novedad es que el agua llega directamente a la CPU a través de tubos muy finos, lo que hace que la transferencia de calor sea mucho más eficiente.
En el caso del ETH en Suiza, el calor que se extrae de la supercomputadora se reutiliza para calentar las habitaciones de la universidad. Esto es una forma inteligente de aprovechar la energía.
En 2019, la supercomputadora Sierra, que estaba en el segundo lugar de la lista TOP500, consumía la mitad de energía que la tercera, la Sunway TaihuLight.
Características Clave de las Supercomputadoras
Las supercomputadoras tienen algunas características muy especiales:
- Velocidad de procesamiento: Pueden realizar miles de millones de operaciones de coma flotante por segundo.
- Usuarios: Pueden ser usadas por miles de personas al mismo tiempo a través de redes.
- Tamaño: Son muy grandes y necesitan lugares especiales con sistemas de aire acondicionado potentes.
- Dificultad de uso: Solo especialistas pueden manejarlas.
- Clientes: Generalmente son grandes centros de investigación.
- Impacto social: Son muy importantes para la investigación, ya que permiten hacer cálculos muy rápidos y precisos. Por ejemplo, ayudan a descifrar el genoma humano o a resolver problemas complejos de física con muy poco margen de error.
- Cantidad: Hay menos de mil supercomputadoras instaladas en todo el mundo.
- Hardware: Su funcionamiento principal depende de componentes físicos muy avanzados.
Principales Usos de las Supercomputadoras
Las supercomputadoras se usan para resolver problemas muy difíciles o para simular cosas que no se pueden hacer en el mundo real, ya sea porque son peligrosas, involucran cosas muy pequeñas o muy grandes. Aquí tienes más ejemplos:
- Modelado del clima: Los investigadores las usan para crear modelos del clima pasado, presente y futuro.
- Estudio del espacio: Los científicos las utilizan para simular el interior de las estrellas, cómo evolucionan (como las supernovas), y para entender el clima espacial.
- Simulaciones de desastres: Permiten simular cómo un tsunami podría afectar una costa o ciudad.
- Diseño de aviones: Se usan para probar la aerodinámica de los aviones militares más nuevos.
- Investigación de enfermedades: Ayudan a modelar cómo se pliegan las proteínas, lo que es importante para entender enfermedades como el Alzheimer, la fibrosis quística y muchos tipos de cáncer.
- Simulaciones de energía: Se utilizan para modelar explosiones, lo que reduce la necesidad de hacer pruebas reales.
Países Líderes en Supercomputación
En junio de 2022, 32 países tenían supercomputadoras funcionando, sumando un total de 500:
Sistemas Operativos en Supercomputadoras
Los Primeros Sistemas Operativos
Al principio, las supercomputadoras no venían con un sistema operativo (SO) ya instalado. Cada lugar que usaba una de estas máquinas tenía que crear su propio SO a medida. Por ejemplo, el CDC 6600, considerado la primera supercomputadora, usaba un sistema operativo llamado Chippewa (COS). Este SO era sencillo y ayudaba a controlar las diferentes tareas de la computadora para que todo funcionara bien. De este sistema surgieron otros como Kronos, Scope y Nos.
El sistema operativo Kronos, de los años 70, permitía que varias tareas accedieran a la misma información al mismo tiempo. El CDC SCOPE (Supervisory Control Of Program Execution), de los años 60, se encargaba de controlar todas las tareas del sistema.
El sistema operativo Nos (Network Operating System) reemplazó a los anteriores en los años 70. Era similar a Kronos, pero buscaba ser un SO común para todas las creaciones de CDC. En los años 80, Nos fue reemplazado por Nos/Ve, que tenía una memoria virtual. A finales de los 80, las supercomputadoras comenzaron a usar sistemas operativos basados en Unix, como UNICOS, que fueron la base de los sistemas actuales.
Cómo han Cambiado los Sistemas Operativos
Como ya mencionamos, al principio, cada supercomputadora tenía su propio SO. Pero a finales de los 80, hubo un gran cambio: las supercomputadoras empezaron a usar sistemas basados en UNIX, como UNICOS. En 1993, se creó la primera lista de las 500 supercomputadoras más rápidas del mundo, y en ella se indicaba qué sistemas operativos usaban. Esto permitió ver cómo evolucionaban.
- Junio 1993: En el primer año de la lista Top 500, Unix y UNICOS (basado en Unix) eran usados por más del 50% de las supercomputadoras, específicamente el 56,4%. Esto muestra que los sistemas basados en Unix eran los más comunes.
- Junio 2000: En este año, Linux empezó a ganar terreno en el mundo de la supercomputación. Aunque los sistemas basados en Unix seguían dominando (los cinco principales, como AIX y Solaris, sumaban el 80,6%), UNICOS ya no era el líder, y AIX tomó su lugar.
- Junio 2003: Este año fue importante porque Linux se convirtió en el sistema operativo más usado en las supercomputadoras, aunque los sistemas basados en Unix en general seguían siendo la mayoría.
- Junio 2005:
En 2005, Linux ya dominaba por sí solo el sector de la supercomputación con un 62,4%. Esto confirmó que la tendencia había cambiado de Unix a Linux. Hans Werner Meuer, encargado de la lista, mencionó que, aunque estaba seguro del dominio de Linux, los datos eran una estimación, ya que muchos lugares no querían dar información sobre sus sistemas operativos.
- Junio 2012: Linux alcanzó su punto más alto hasta ese momento, con un 83,8% de uso. Además, ya existían otros sistemas también basados en Linux.
- Junio 2015: La lista Top 500 mostró que los sistemas basados en Linux dominaban completamente la supercomputación, con un 97,2%. Solo 486 de las 500 supercomputadoras lo usaban. El 2,7% restante estaba formado por sistemas UNIX. Es interesante notar que Windows o Mac OS casi no se usan en este campo.
- Junio 2022: En este año, la lista Top 500 mostró que el 100% de las supercomputadoras usaban sistemas basados en Linux.
¿Por qué Linux es el Sistema Operativo Principal?
Hubo dos cambios importantes en los sistemas operativos de las supercomputadoras. El primero fue a finales de los años 80, cuando se dejó de crear un SO a medida para cada supercomputadora y se empezaron a usar sistemas basados en UNIX. Esto ocurrió porque el costo de desarrollar software específico se volvió tan alto como el del hardware, lo cual no era sostenible. Además, UNIX ofrecía flexibilidad, algo muy importante por los constantes cambios en las aplicaciones científicas y el hardware.
El segundo gran cambio fue alrededor de 2003, cuando Linux tomó el lugar de UNIX como el sistema operativo dominante. Esto se debe a varias razones:
- Flexibilidad: Linux tiene un núcleo (la parte central del SO) abierto, lo que permite hacer modificaciones y mejoras fácilmente.
- Costo: Las licencias de Linux son mucho más baratas que las de otros sistemas, o incluso gratuitas. Además, cuenta con una comunidad de usuarios que ayuda y aporta de forma gratuita, lo que lo hace más rentable.
- Escalabilidad: Linux puede adaptarse fácilmente a grandes cargas de trabajo.
- Modularidad: Su instalación se basa en pequeños módulos, cada uno con una tarea específica. Si se modifica uno, no afecta a los demás.
- Código abierto: Su código es público, lo que permite modificarlo en cualquier momento para adaptarlo a los cambios en la supercomputadora.
- Comunidad: Tiene una gran comunidad de apoyo.
- Pruebas: Permite hacer pruebas de configuración de red sin tener que reiniciar el sistema.
En junio de 2020, Fujitsu y el instituto de investigación japonés Riken crearon Fugaku, una supercomputadora en Japón que fue reconocida como la más potente del mundo, con 415,53 petaflops.
Véase también
En inglés: Supercomputer Facts for Kids
