Ο αγώνας για υψηλότερες υπολογιστικές αποδόσεις μπορεί να παρομοιαστεί με την παγκόσμια κούρσα των εξοπλισμών. Πάντα υπάρχει η πίεση να αναπτυχθεί ένα πιο γρήγορο και πιο δυνατό μηχάνημα, που θα επισκιάσει την αίγλη του προκατόχου του στην πρώτη θέση της κατάταξης.

Στην περίπτωση των υπερυπολογιστών, «οδηγοί» του αγώνα είναι οι εφαρμογές, οι οποίες απαιτούν ολοένα και πιο ισχυρό hardware προκειμένου να τρέχουν σωστά και να ανταποκρίνονται στους δύσκολους και σύνθετους στόχους τους.

Κι οι στόχοι αυτοί, συνδέονται με κάποιες από τις πιο εντυπωσιακές χρήσεις της τεχνολογίας της Πληροφορικής: από την προσομοίωση συγκρούσεων οχημάτων κατά το στάδιο του σχεδιασμού τους, τις μοριακές αλληλεπιδράσεις για το σχεδιασμό φαρμάκων και τον καθορισμό της ροής του αέρα στα αεροσκάφη, έως την προσομοίωση των συνθηκών δημιουργίας του γαλαξία και τις δοκιμές ασφαλείας πυρηνικών όπλων.

Οι ταχύτητες της απόδοσης ανεβαίνουν, πρώτα στους υπερυπολογιστές και στα συστήματα υψηλής απόδοσης, και μετά και στα «κοινά θνητά» προσωπικά PC. Στην παγκόσμια αναμέτρηση των ταχυτήτων, οι ΗΠΑ έχουν θέσει το exascale (1018 flops) ως τον επόμενο στόχο και εκτιμούν ότι θα τον έχουν πετύχει μέχρι το 2020.

Αν και η συγκέντρωση των υπολογιστών που χρειάζονται για να φτάσουμε σε ένα τέτοιο επίπεδο υπολογιστικής ισχύος είναι ήδη υπαρκτή, οι προκλήσεις που πρέπει να ξεπεραστούν είναι εκείνες του περιορισμού της κατανάλωσης ισχύος και της εξασφάλισης αξιοπιστίας. Ο γρηγορότερος υπολογιστής σήμερα, φτάνει τα 8,8 Pflops, καταναλώνοντας σχεδόν 10 μεγκαβάτ ισχύος. Με τα δεδομένα αυτά, η μετάβαση σε exascale θα απαιτούσε την κατασπατάληση ενός γιγαβάτ. Οι στόχοι που τίθενται ως προς την κατανάλωση ρεύματος όμως κυμαίνονται στα επίπεδα των 20 μεγαβάτ.

Το φετινό Top500
Σύμφωνα με τη φετινή λίστα των 500 γρηγορότερων υπερυπολογιστών στον κόσμο, η οποία και ανακοινώθηκε το καλοκαίρι στη Γερμανία, «νούμερο ένα» είναι πλέον ένας γιαπωνέζικος υπερυπολογιστής, ικανός να εκτελεί περισσότερους από 8 τετράκις εκατομμύρια υπολογισμούς ανά δευτερόλεπτο (petaflop/s). Πρόκειται για το K Computer, του Ινστιτούτου Υπολογιστικών Επιστημών της πόλης Kobe. Η Ιαπωνία βρέθηκε στην πρώτη θέση της σχετικής κατάταξης μετά από αρκετά μακρά απουσία. Η αξιολόγηση των συστημάτων βασίζεται στο πόσο γρήγορα τρέχουν το Linpack, μια εφαρμογή επίλυσης ενός σύνθετου συστήματος γραμμικών εξισώσεων.

Για πρώτη φορά φέτος, και οι 10 πρώτοι υπερυπολογιστές της κατάταξης σημείωσαν απόδοση της τάξης των petaflop/s. Και, επειδή η κατάταξη αυτή έχει και τον χαρακτήρα της επίδειξης δύναμης σε εθνικό επίπεδο, ας σημειώσουμε ότι οι ΗΠΑ έχουν πέντε συστήματα που λειτουργούν σε αυτό το επίπεδο, ενώ ακολουθούν οι Κίνα και Ιαπωνία, με δύο συστήματα η κάθε μία, και η Γαλλία με ένα σύστημα. Το K Computer, το οποίο φιγουράρει στην πρώτη θέση, φτιάχτηκε από την Fujitsu και αριθμεί συνολικά 548.352 πυρήνες -σχεδόν τους διπλάσιους από οποιοδήποτε άλλο σύστημα στη λίστα των TOP500.

Το K είναι επίσης πιο ισχυρό από τα πέντε επόμενα συστήματα στη λίστα μαζί. Ονομάστηκε K, από τη γιαπωνέζικη λέξη «Kei», (δέκα τετράκις εκατομμύρια), και ως υπενθύμιση του στόχου για απόδοση 10 petaflops. Το Κ είναι επίσης ένα από τα πιο αποτελεσματικά συστήματα όσον αφορά την κατανάλωση ενέργειας στη λίστα και ο παράγοντας αυτός αποτελεί, για πολλούς, την ουσία της απόδοσης των μεγάλων συστημάτων.

Σπρίντερ ή δρομέας αποστάσεων;
Ο υπερυπολογιστής Blue Waters, ένα φιλόδοξο σχέδιο που έχει μπει προσωρινά «στον πάγο», αποτελεί ένα παράδειγμα διαφορετικής προσέγγισης του θέματος της υψηλής απόδοσης. Το σύστημα αυτό, το οποίο θα στεγαστεί στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόι των ΗΠΑ, δεν δίνει τόση σημασία στην ταχύτητα. Ο Thom Dunning, ο οποίος ηγείται της ανάπτυξης του συστήματος, φιλοδοξεί να δημιουργήσει έναν «δρομέα αποστάσεων», ικανό να τρέξει αλληλουχίες σύνθετων προσομοιώσεων και να προβλέψει, για παράδειγμα, τα σημεία στα οποία θα χτυπήσει ένας τυφώνας.

Πέρα από τους «εραστές της ταχύτητας», υπάρχει και το ρεύμα που υποστηρίζει ότι θα πρέπει να δίνεται μεγαλύτερη έμφαση στο λογισμικό και τους εναλλακτικούς σχεδιασμούς, παρά στο «ταχύμετρο». Ο Thom Dunning, και άλλοι ερευνητές, υποστηρίζουν ότι το λογισμικό είναι το σημείο στο οποίο προκύπτουν τα «μποτιλιαρίσματα» και οι καθυστερήσεις προσομοιώσεων που θα μπορούσαν, διαφορετικά, να δώσουν μεγάλη ώθηση σε επιστημονικές εξελίξεις.

Παρόλα αυτά βέβαια, η αίγλη του τίτλου «ο γρηγορότερος υπερυπολογιστής» εξακολουθεί να προσελκύει τις χρηματοδοτήσειs και την επιθυμία των ισχυρών και επωνύμων να συνδέουν το όνομά τους με αυτούς. Το λογισμικό παραμένει προς το παρόν στο ρόλο του αφανή ήρωα.

Το Business Case του HPC
Τις τελευταίες δεκαετίες, το HPC είχε έντονο αντίκτυπο στην ανάπτυξη της παγκόσμιας οικονομίας και τις ανταγωνιστικότητας μεγάλων εταιρειών, τις οποίες και βοήθησε να αναπτύξουν νέα προϊόντα και δυνατότητες για τους πελάτες τους.

Ωστόσο, έρευνες υποδεικνύουν ότι, παρά τις ευκαιρίες που δημιουργεί το HPC για αύξηση της παραγωγικότητας και της ανταγωνιστικότητας, πολλές επιχειρήσεις διστάζουν να το τολμήσουν.

Ως ανασταλτικοί παράγοντες λειτουργούν οι τεχνικές δυσκολίες, η έλλειψη εξειδίκευσης και αντιμετώπιση των συστημάτων HPC ως κέντρο κόστους. Ποια είναι, λοιπόν, η συνάρτηση εκείνη που προσδιορίζει το πραγματικό κόστος του HPC, σταθμίζοντάς το ως προς τη συνεισφορά του στην κερδοφορία της επιχείρησης;

Ενας από τους λόγους που τα διοικητικά στελέχη βλέπουν το HPC σαν κέντρο κόστους και όχι σαν επένδυση οφείλεται στη δυσκολία προσδιορισμού του σχετικού ROI. Κατά παράδοση, τα συστήματα HPC αξιολογούνται βάσει του ποσοστού χρήσης τους.

Ωστόσο, η ένδειξη αυτή είναι πολύ απλοϊκή και δεν αγγίζει τα πραγματικά οφέλη που επιφέρει το HPC. Κι αυτά τα οφέλη περιλαμβάνουν τον χρόνο που εξοικονομούν οι χρήστες επειδή χρησιμοποιούν ένα γρηγορότερο σύστημα, τα καινοτόμα προϊόντα που είναι σε θέση να δημιουργήσει χάρη στο υψηλό υπολογιστικό υπόβαθρο και, τέλος, την αύξηση της κερδοφορίας της επιχείρησης που προκαλούν τα νέα προϊόντα.

Στην πλευρά των εξόδων, θα πρέπει να υπολογιστεί το κόστος του λογισμικού, του συστήματος, της συντήρησής του και της εκπαίδευσης των χρηστών. Εάν συνδυάσουμε όλες τις παραπάνω παραμέτρους σε μία εξίσωση, καταλήγουμε στην αποτίμηση της παραγωγικότητας που επιτρέπει ένα σύστημα HPC ως λόγο του κέρδους που επιφέρει το συγκεκριμένο έργο προς τα τέσσερα προαναφερθέντα κόστη:

Η εξίσωση αυτή επιδέχεται τροποποιήσεις ανάλογα με τις ιδιαιτερότητες της κάθε επιχείρησης που εξετάζει το ενδεχόμενο επένδυσης σε HPC. Το κλειδί, σε κάθε περίπτωση, είναι ο εντοπισμός και η αποτίμηση του πραγματικού συνολικού οφέλους και του κόστους που επιφέρει ένα σύστημα HPC.

Η απόδοση πάει… σύννεφο
To cloud computing δημιουργεί ευνοϊκές προϋποθέσεις για την αξιοποίηση του HPC από έναν ευρύτερο κύκλο επιχειρήσεων. Υπάρχουν, βέβαια, σαφείς δυσκολίες που θα πρέπει να υπερπηδηθούν ενδιάμεσα, επισημαίνουν αναλυτές της IDC. Ακόμα και επιχειρήσεις που δεν είναι «μικρές» σε μέγεθος και οι οποίες δραστηριοποιούνται σε τομείς όπως, για παράδειγμα, ο χρηματοοικονομικός κλάδος ή τα λιπαντικά, επιμένουν στο μοντέλο της εργασίας πάνω σε workstations, και δεν τολμούν τη μετάβαση σε server.

Για να κάνουν το «άλμα,» οι εν λόγω εταιρείες θα πρέπει να καλύψουν τα κενά που χαρακτηρίζουν τις γνώσεις τους σχετικά με το HPC και τον τρόπο με τον οποίον μπορούν να το αξιοποιήσουν για να εξυπηρετήσουν τις δικές τους ιδιαίτερες ανάγκες. Τα βασικά οφέλη της μετάβασης σε HPC, στην περίπτωση των μικρότερων επιχειρήσεων, είναι η καλύτερη απόδοση και η δυνατότητα για γρηγορότερες προσομοιώσεις.

Κάτι που θα έπαιρνε μια ολόκληρη εβδομάδα για να γίνει σε ένα workstation, μπορεί να γίνει μέσα σε λίγες ώρες μέσω HPC. Ενδεικτικό του ανοίγματος του HPC σε έναν μεγαλύτερο κύκλο επιχειρήσεων είναι το παράδειγμα της εταιρείας Amazon Web Services, η οποία ανάρτησε σε blog οδηγίες για το πώς οποιαδήποτε εταιρεία μπορεί να φτιάξει τον δικό της «Watson Junior» στο cloud. Για να προσγειωθούμε στην πραγματικότητα, βέβαια, θα πρέπει να αποδεχθούμε ως απαραίτητη προϋπόθεση για την αξιοποίηση του HPC μέσω cloud τη μείωση των σχετικών τιμών.

Διάσημα business-cases που βασίστηκαν σε συστήματα HPC
• Στο μακρινό 1980, η Boeing αναγκάστηκε να δοκιμάσει 77 διαφορετικούς τύπους φτερών για το αεροσκάφος 767. Χάρη στις προσομοιώσεις μέσω HPC, η Boeing χρειάστηκε να δοκιμάσει μόλις 11 φτερά για τη σειρά 7E7 Dreamliner.
• Η DreamWorks Animation SKG, εταιρεία-ηγέτης στον χώρο της, αξιοποίησε τις δυνατότητες των υπερυπολογιστών και κατέληξε να ορίσει νέα πρότυπα για ολόκληρο τον κλάδο του animation.
• Στην Procter & Gamble, οι προσομοιώσεις μέσω HPC χρησιμοποιούνται για τα πάντα -από τις δοκιμές απορροφητικότητας των Pampers, μέχρι το σχεδιασμό της συσκευασίας χλωρίνης για ελαχιστοποίηση του βάρους και μεγιστοποίηση της αντοχής ή το σχεδιασμό του σωστού γεωμετρικού σχήματος ώστε τα πατατάκια Pringles να «προσγειώνονται» ομαλά στη συσκευασία τους, και να μην πέφτουν στον ιμάντα.
• Η Wal-Mart βασίζεται στο HPC για τη διαχείριση της εφοδιαστικής της αλυσίδας, συμπεριλαμβανομένης της καθημερινής ανάλυσης δεδομένων προκειμένου να προσδιορίζει τις ανάγκες για αποθέματα σε κάθε ένα από τα καταστήματά της, αλλά και για εργονομικές λειτουργίες -μέχρι και για να ανάβει τα φώτα των καταστημάτων.
• Κάποιες από τις εξελίξεις που σημειώθηκαν στον χώρο της τεχνολογίας HPC στάθηκαν κρίσιμες για να επιτρέψουν στη Chevron να ανακαλύψει νέα κοιτάσματα στον Κόλπο του Μεξικό και να αυξήσει τα αμερικάνικα αποθέματα πετρελαίου σχεδόν κατά 50%.