A computação Exaflop oferece a grandes projetos de pesquisa resolução ultra-alta, limites espaciais e temporais mais amplos (foto: CC0 Public Domain) Para entender como um novo material se comporta, os pesquisadores devem simular a rotação de seus elétrons, dos quais depende a maioria das propriedades químicas e eletrônicas. Mas esta é uma tarefa difícil, exigindo

A computação Exaflop oferece a grandes projetos de pesquisa resolução ultra-alta, limites espaciais e temporais mais amplos (foto: CC0 Public Domain)

Para entender como um novo material se comporta, os pesquisadores devem simular a rotação de seus elétrons, dos quais depende a maioria das propriedades químicas e eletrônicas. Mas esta é uma tarefa difícil, exigindo enorme poder computacional. Os supercomputadores mais poderosos do mundo, funcionando a velocidades exaflop, já tornam isso possível dentro de um período de tempo razoável.

Na SC23 – uma conferência de supercomputação em Denver – pesquisadores relataram simular o comportamento de até 600.000 elétrons em um pedaço microscópico de liga de magnésio com uma precisão descrita como “simulação quântica de Monte Carlo”. “Quebramos a barreira em termos de precisão e comprimento de escala”, disse Sambit Das, engenheiro mecânico da Universidade de Michigan e membro da equipe que apresentou o desenvolvimento.

As simulações mostram como os defeitos se formam nas ligas. Isto permite o projeto de novas ligas leves para carros e aeronaves mais eficientes. A aplicação das técnicas a materiais chamados quasicristais também revela por que eles assumem as formas incomuns que assumem – um passo em frente que pode levar ao design de novos materiais magnéticos e supercondutores.

Em outros projetos de computação exaflop, os pesquisadores do SC23 relatam a previsão do fluxo de ar e do ruído de um projeto de motor a jato com baixo consumo de combustível e como o calor pulsará através do núcleo de um pequeno reator nuclear modular. A conquista poderá vir a ser a base para projetos mais seguros deste tipo.

Todas essas são horas de resultados iniciais do trabalho em um dos primeiros supercomputadores em exaescala do mundo, o Frontier, no Laboratório Nacional de Oak Ridge, do Departamento de Energia dos EUA. Capaz de 1,1 exaflops, ou 1,1 bilhão de bilhões de operações por segundo, o Frontier é duas vezes mais rápido que a máquina mais rápida de apenas 2 anos atrás.

Estes resultados, e outros semelhantes à escala, que se espera que se tornem realidade nos próximos anos, prometem abrir um novo caminho para a ciência dos materiais, a ciência do clima, a biologia e a medicina. “Está surgindo uma nova era científica que agora está se desenrolando”, disse Seren Susut, diretor associado do Programa de Computação Científica Avançada do ministério.

Acredita-se que dois supercomputadores chineses sejam os primeiros a cruzar o limiar da exaescala em 2022. Os resultados da investigação com estas máquinas – como o primeiro modelo climático global a incluir os efeitos de arrefecimento de erupções vulcânicas específicas – foram apresentados na conferência.

Balanças

O Frontier foi concluído em maio de 2022 e está aberto para uso científico público desde abril de 2023. Pesando quase 270 toneladas, o Frontier contém mais de 40.000 processadores, o que o torna cerca de 1 milhão de vezes mais poderoso do que um computador desktop comum. Consome 21 megawatts de energia. Ele é resfriado por quatro bombas de 350 cavalos – potentes o suficiente para encher uma piscina olímpica em 30 minutos. As bombas circulam continuamente a água pelo sistema.

Espera-se que a Frontier seja eclipsada dentro de semanas pela Aurora, uma segunda sonda de grande escala que agora completa a sua fase final de depuração no Laboratório Nacional de Argonne, nos EUA. Embora instalado apenas parcialmente, o Aurora já é considerado o segundo computador mais potente do mundo. Deve atingir mais de 2 exaflops em breve.

Quando aberto para pesquisa, o Aurora provavelmente ajudará os engenheiros a projetar aviões mais eficientes, a procurar catalisadores para energia verde e a aumentar os esforços para prever as respostas dos pacientes aos tratamentos contra o câncer, simulando a propagação de metástases pela corrente sanguínea.

El Capitan – a terceira máquina exaescala da América – estará localizada no Laboratório Nacional Lawrence Livermore e deverá entrar em operação em meados de 2024. Está planejado para ajudar os cientistas de armas nucleares a simular explosões de estoques de guerra antigos.

Júpiter, um supercomputador exaflop na Alemanha, deverá entrar em operação no final de 2024. A expansão do Fugaku para o Japão está planejada para 2029. A França também planeja construir um supercomputador exaflop. Será chamado Júlio Vernes, embora a data de lançamento ainda não tenha sido anunciada.

Uma nova era na ciência

As novas máquinas são o culminar de saltos aparentemente implacáveis ​​de mil vezes na velocidade e na potência dos supercomputadores, que se acredita terem ocorrido a cada década desde o início da década de 1990. Mas este último salto de máquinas petaflop (1015 flops) para máquinas exaflop requer algumas mudanças de design.

Na Frontier, os pesquisadores decidiram incluir um grande número de unidades de processamento gráfico (GPUs) – chips de alta velocidade como os que estão no coração dos consoles de jogos, mineradores de Bitcoin e máquinas de inteligência artificial (IA). 128 gigabytes de memória estão conectados a cada chip GPU para reduzir o tempo e a energia necessários para cálculos.

O resultado é a capacidade de rastrear eventos não apenas em resolução ultra-alta, mas também em escalas espaciais ou temporais mais amplas. “O que a computação em exaescala nos dá é a capacidade de obter maior resolução durante longos períodos de tempo”, disse Laurie Diachin, vice-presidente sênior de computação da Lawrence Livermore.

Quais são os efeitos? Luca Bertagna, matemático aplicado do Laboratório Nacional Sandia, diz que Frontier permitiu que a sua equipa melhorasse a resolução do modelo climático global do DOE de 100 quilómetros para apenas 3 quilómetros. Isso permite que o modelo simule os processos atmosféricos sutis que dão origem às nuvens.

Uma vez que o comportamento das nuvens num mundo em aquecimento representa um dos maiores desafios nas alterações climáticas, a resolução mais elevada deverá ajudar os investigadores a refinar as suas previsões sobre como as concentrações crescentes de gases com efeito de estufa aquecerão o planeta.

Uma olhada na era zetaflop

Já tendo avançado para os cálculos de exaflop, os pesquisadores estão agora olhando para o próximo salto na supercomputação: máquinas zetaflop (1021 flop). Este será um novo desafio. O maior problema, dizem os especialistas em hardware, é que a tendência de décadas de redução constante dos transistores e outros dispositivos de computação – conhecida como Lei de Moore – diminuiu significativamente nos últimos anos.

Uma ideia popular para extrair mais poder de processamento dos projetos atuais é reduzir a precisão matemática com a qual os chips de computador atuais realizam cálculos. Tal mudança pode resultar em uma melhoria de 10 vezes no poder de processamento. Mas também pode permitir o acúmulo de todos os tipos de erros, minando a confiabilidade.

Outras ideias incluem a criação de máquinas híbridas que incorporarão tecnologias ainda emergentes, como a computação quântica e sistemas adaptados para m aprendizado de máquina e IA. Tudo isto, claro, também custará uma nova entrada de dinheiro, o que será outro desafio no futuro próximo.

Mas há outro recurso aqui. Alguns dos líderes de projetos de programas de computação exaflop dizem que, ao acelerar os cálculos, os projetos serão concluídos muito mais rapidamente. E isso, segundo eles, poderia deixar centenas de cientistas e engenheiros da computação desempregados.

“O temor é que o talento deixe os programas de pesquisa e vá para empresas como NVIDIA, Microsoft e Facebook”, disse Jack Dongara, especialista em computação de alto desempenho da Universidade do Tennessee, em Knoxville. “E isso é algo difícil de substituir.”

Atualizado em by Zonia Volkman
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