Supercomputador: conheça a historia dessas supermáquinas.

Supercomputador é um computador com altíssima velocidade de processamento e grande capacidade de memória. Tem aplicação em áreas de pesquisa que grande quantidade de processamento se faz necessária, como pesquisas militares, científica, química e medicina. Supercomputadores são usados para cálculos muito complexos e tarefas intensivas, como problemas envolvendo física quântica, mecânica,meteorologia, pesquisas de clima, modelagem molecular (computação nas estruturas e propriedades de compostos químicos, macromoléculas biológicas, polímeos e cristais) e simulações físicas, como simulação de aviões em túneis de vento, simulação da detonação de armas nuclearese investigação sobre a fusão nuclear.

Os primeiros supercomputadores foram criados na década de 1960 por Seymour Cray. Seymour Cray fundou sua própria empresa, a Cray Research, em 1970 e dominou o mercado da supercomputação durante 25 anos (1965-1990).

Na década de 70 a Universidade de Illinois montou em conjunto com a Burroughs Corporation o ILLIAC IV, um supercomputador que ficou famoso pelas dimensões.

No início da década de 80, surgiu o Cray-XMP que chegava a 1 gigaflop um avanço e tanto para época.

Atualmente todos os supercomputadores são produzidos com componentes dos microcomputadores que usamos em casa com a diferença de terem milhares dessem componentes trabalhando como um só. Em vez de usar apenas um HD IDE ou SATA eles usam centenas de HDs trabalhando juntos como um enorme HD possibilitando a leitura/gravação simultânea de informações chegando a altíssimas taxas de transferência de dados, um sistema muito semelhante com a tecnologia RAID.

Esses computadores são divididos e organizados em vários módulos que se chamam nós, cada nó é composto de um a quatro processadores, uma certa quantidade de memória RAM e cache. Todos os nós são interligados por uma interface de rede fazendo com que trabalhem juntos como um único sistema, com um processamento milhares de vezes maior que os nossos microcomputadores.

A ficção científica abordou o tema num romance chamado "Colossus".

Hoje os supercomputadores são fabricados por empresas como SUPERMICRO, NEC, SUN (esta foi comprada pela Oracleem 2010), IBM, HP, Apple Inc., e etc. A lista atualizada dos 500 sistemas computacionais mais poder


Características:

As principais características dos supercomputadores são:

• Velocidade de processamento: trilhões de operações de ponto flutuante por segundo (TFlops). Conforme a lista Top500 de nov/2011, percebe-se que as empresas fabricantes de (super)computadores tendem a chamar seus próprios produtos de supercomputador (supercomputer) aqueles com processamento superior a 80 TFlops (68º posição até a 1º), e de servidor (server) aqueles com processamento entre 25 e 80 TFlops (500º posição até a 67º);

• Tamanho: requerem instalações e sistemas de refrigeração especiais;

• Dificuldade de uso: escolhido por especialistas;

• Clientes usuais: grandes centros de pesquisa;

• Penetração social: praticamente zero;

• Impacto social: muito importante no espaço da investigação, a partir do momento em que fornece cálculos em alta velocidade, permitindo, por exemplo, analisar a ordem do genoma, o número pi, números complexos, o desenvolvimento de cálculos para problemas físicos que requerem uma baixíssima margem de erro, etc.

• Parques instalados: menos de mil em qualquer lugar no mundo;

• Custo: atualmente (2010) até centenas de milhões de dólares cada (~ US$ 225MM o Cray XT5);

• Processadores vetoriais paralelos (PVP)Redes de estações de trabalho (NOW)

                            Titan: o supercomputador mais rapido do mundo


Tipos de Processadores:

Sistemas compostos de poucos processadores poderosos. A interconexão é feita, em geral, por uma matriz de chaveamento (crossbar) de alta vazão. A memória é compartilhada, e os sistemas podem ser classificados como multiprocessadores UMA. Normalmente não utilizam memória cache, usando para essa função um grande número de registradores vetoriais e um buffer de instrução. Exemplos: Cray C-90 (máximo de 16 processadores), Cray T-90 (máximo de 32 processadores), Fujitsu VPi 700 (máximo de 256 processadores). O NEC SX-6 também é um PVP, e o Earth Simulator, que é um NEC SX-6, já foi o número 1 na lista das 500 máquinas mais poderosas do mundo, possuindo 5120 processadores. Atualmente o supercomputador mais poderoso do mundo chama-se "K Computer", instalado no Japão e possui 548352 núcleos de processamento.



Multiprocessadores simétricos (SMP)


Os Symmetric Multiprocessors são sistemas constituídos de processadores comerciais conectados a uma memória compartilhada, podendo também ser classificados como multiprocessadores UMA. Utilizam-se amplamente de memória cache e todos os processadores têm igual acesso ao barramento e à memória compartilhada. São mais fáceis de programar que máquinas que se comunicam por troca de mensagens, já que a forma de programação se aproxima daquela feita em sistemas convencionais, mas tem como desvantagem o uso de um barramento de interconexão (permitindo apenas uma transação por vez). Esta limitação pode reduzir a escalabilidade desta classe de sistemas, fazendo com que sistemas comerciais estejam, geralmente, limitados a 64 processadores. Exemplos: IBM R50 (máximo de 8 processadores), SGI Power Challenge (máximo de 36 processadores), SUN Ultra Enterprise 10000 (máximo de 64 processadores) e HP/Convex Exemplar X-Class (máximo de 32 nós de 16 processadores cada).


Máquinas maciçamente paralelas (MPP)


Os MPPs (Massively Parallel Processors) são multicomputadores NORMA construídos com milhares de processadores comerciais conectados por uma rede de alta velocidade. O alto desempenho é obtido com o grande número de processadores. O fato de haver troca de mensagens torna a programação mais difícil que nos casos em que a memória é compartilhada. Exemplos: Intel Paragon (máximo de 4000 processadores), Connection Machine CM-5 (máximo de 2048 processadores), IBM SP2 (máximo de 512 processadores) e Cray T3D (máximo de 2048 processadores).


Máquinas com memória compartilhada distribuída (DSM)


Nos sistemas DSM (Distributed Shared Memory), mesmo com a memória sendo distribuída entre os nós, todos os processadores podem acessar todas as memórias. O espaço de endereçamento único, o compartilhamento de dados e o controle de coerência de cache são conseguidos com software. Podem ser sistemas NUMA com memória entrelaçada distribuída, ou sistemas NORMA (com memórias locais), onde as memórias podem ser ligadas através de adaptadores de rede (AR) a uma rede de interconexão específica, que permite o acesso a memórias remotas. A máquina, nos dois casos, é considerada CC-NUMA ou SC-NUMA dependendo da implementação da coerência de cache. Exemplo: SGI Origin (máximo de 512 processadores).[7]
Redes de estações de trabalho (NOW)


Redes de Estações de Trabalho (NOW)


As redes de estações de trabalho (NOW – Network of Workstations) são constituídas de várias estações de trabalho interligadas por alguma tecnologia tradicional de rede, como Ethernet e ATM. Na prática são redes locais utilizadas na execução de aplicações paralelas. Podem ser vistas como máquinas NORMA de baixo custo, ou sem custo algum caso a rede já exista, ou seja, esta é uma solução significativamente mais barata em relação aos MPPs. A desvantagem clara que se vê em uma rede de estações de trabalho é o fato de que as redes tradicionais costumam ser usadas apenas em tarefas menores (para compartilhar arquivos e acessar impressoras remotas, por exemplo), e geralmente não são otimizadas para operações de comunicação de uma aplicação paralela. O resultado é uma alta latência nessas operações, o que compromete o desempenho da máquina como um todo. São usadas principalmente em instituições de ensino para o estudo de processamento paralelo e distribuído. Exemplo: Estações de trabalho interligadas por tecnologia Ethernet.

ENIAC: Conheça o primeiro computador construído no mundo

Electronic Numerical Integrator and Computer (ENIAC - em português: computador integrador numérico eletrônico) foi o primeiro computador digital eletrônico de grande escala. Muitos falam que o primeiro foi o Mark I, mas este era apenas eletromecânico. Foi criado em fevereiro de 1946 pelos cientistas norte-americanos John Eckert e John Mauchly, da Electronic Control Company

O ENIAC começou a ser desenvolvido em 1943 durante a II Guerra Mundial para computar trajetórias táticas que exigissem conhecimento substancial em matemática, mas só se tornou operacional após o final da guerra.

• Sua capacidade de processamento era de 5.000 operações por segundo;
• Criado na segunda guerra, tinha como principal finalidade cálculos balísticos;
• Possuía 17.468 válvulas termiônicas, de 160 kW de potência;

O "sistema operacional" da maquina era através de cartões perfurados.

A calculadora efetua os cálculos a partir das teclas pressionadas, fazendo interação direta com o hardware, como no ENIAC, no qual era preciso conectar fios, relês e sequências de chaves para que se determinasse a tarefa a ser executada. A cada tarefa diferente o processo deveria ser refeito. A resposta era dada por uma sequência de lâmpadas.

Produção

Era tão grande que tinha de ser disposto em U com três painéis sobre rodas, para que os operadores pudessem se mover em torno dele. Foram gastos cerca de $500.000,00 (quinhentos mil) em sua construção. Quando em operação, outros complexos cálculos de balística passaram a realizar–se em alucinantes 30 segundos, quando com as calculadoras manuais que até aí se usavam levava 12 horas para se obter o mesmo resultado. O centro de processamento tinha uma estrutura muito similar à dos processadores mais básicos que atualmente utilizamos em nossas calculadoras de bolso. Tinha 20 registros de dez dígitos cada, onde se podiam efetuar somas, subtrações, multiplicações, divisões e raízes quadradas.

As programadoras do ENIAC

O ENIAC era programado através de milhares de interruptores, podendo cada um dele assumir o valor 1 ou 0 consoante o interruptor estava ligado ou desligado. Para o programar era necessário uma grande quantidade de pessoas que percorriam as longas filas de interruptores dando ao ENIAC as instruções necessárias para computar, ou seja, calcular. Existia uma equipe de 80 mulheres na Universidade da Pensilvânia cuja função era calcular manualmente as equações diferenciais necessárias para os cálculos de balística. O exército chamava a função destas pessoas: computadores. Quando o ENIAC ficou pronto, seis mulheres foram escolhidas para testarem a nova máquina.

                                Duas mulheres operando o ENIAC (fotografia pertencente ao Exército dos Estados Unidos (U.S. Army))

Versão modernizada do ENIAC:

Curiosamente, o termo deixou de estar associado as pessoas que operavam a máquina para dar nome a máquina propriamente dita, uma vez que de facto a máquina passou a realizar as contas que antes eram realizadas por essas pessoas. O ENIAC torna-se obsoleto e economicamente inviável de manter após 10 anos de operação, tendo sido desmontado. Hoje encontram-se peças do ENIAC por muitos museus do mundo, incluindo o Smithsonian em Washington D.C. e no local preciso onde foi construído, na Moore School for Electrical Engineering da Universidade da Pensilvânia.

Desenvolvimento Posterior:

O ENIAC serviu de inspiração para muitos outros computadores que se seguiram, como o EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer); o ORDVAC (Ordnance Variable Automatic Computer); SEAC (Standards Automatic Computer) e oUNIVAC, este último também construído por Eckert e Mauchly para o processamento dos dados dos censos da população americana. Em 1955, um computador pesava 3 toneladas e consumia 50 kW de potência, tendo um custo de U$200.000. Uma máquina destas podia realizar 50 multiplicações por segundo. Assim, os primeiros computadores eram também eles máquinas que só estavam ao alcance de grandes empresas ou instituições que tinham necessidades de cálculo muito exigentes e que possuíam as condições económicas para tão grande investimento. Com o rápido desenvolvimento dos transístores entre 1952 e 1960, os tubos de vácuo tornaram-se obsoletos e foi este avanço tecnológico que permitiu a criação de máquinas muito mais rápidas, menores e mais baratas. Com o tempo, os transístores passaram a ser a base da electrónica, seguindo-se a VLSI (Very Large Scale Integration), ou seja, a construção de circuitos cada vez menores por forma a que pudessem ser mais leves e despender menos energia, por terem menos superfície para a dissipação de energia por calor. Esta miniaturização permitiu que se tivesse a mesma capacidade de cálculo de um ENIAC na palma de uma mão. A diminuição do tamanho fez também diminuir a quantidade de energia necessária e o custo caiu com a produção em série dos novos processadores.

Em 1977 uma calculadora manual pesava menos de meio quilo, consumia meio watt e podia realizar 250 multiplicações por segundo, custando $300. Hoje uma calculadora pesa poucos gramas podendo ser incorporada em réguas ou agendas, funciona até a energia solar e custa de R$5,00 a R$10,00 (isso calculadoras simples com operações básicas e geralmente raiz quadrada e outras poucas funções).

Referências

1.  A História da informática (Parte 6: Sistemas embarcados e supercomputadores).