Históricamente, las supercomputadoras se utilizaban con fines netamente cientÃficas, en beneficio (no siempre) de la humanidad. Por ejemplo, se podÃa emplear para diseño de drogas para tratar cierta enfermedad o simular reacciones nucleares. En la última década, las supercomputaras intervienen mucho mas de cerca en nuestra vida cotidiana (búsquedas en Google, o una llama por Skype, etc.). El avance tecnológico en este campo impresiona. En 1997 Sandia Labs diseño la supercomputadora ASCI RED con un poder de calculo de 1800 gigaflops. El equipo ocupaba una superficie de 150 metros cuadrados (un tercio de una cancha de basketball) y consumÃa una potencia de 800.000 watts (lo que consumen 900 hogares norteamericanos). En el año 2006 la empresa Sony saco a la venta la consola de videojuegos PlayStation III. Su poder de calculo, incluyendo la GPU y CPU, es de 2000 gigaflops y su consumo era de tan solo 200 watts (10 veces menos que un secador de cabello).
Este simple ejemplo del avance tecnológico hace que nos preguntemos si sera posible tener un desarrollo similar en la próxima década. Lamentablemente, no.
Durante décadas las computadoras multiplicaban su poder computo gracias a la disminución del tamaño de los transistores utilizados en la construcción de los microprocesadores. A modo ejemplo, el microprocesador Intel 80386 (año 1988) se fabricaba con un proceso de 1,5 micrómetros. Los procesadores de la familia Dual-Core (año 2006) se fabrican con procesos de 65 y 32 nanómetro (es decir, casi 45 veces menos). Decir que un microprocesador se fábrica con tecnologÃa de 32nm significa que el canal de cada transistor FET que lo integran tiene ese tamaño.
Actualmente, la tecnologÃa de los semiconductores se encuentra con el limite fÃsico de continuar disminuyendo el tamaño de los transistores. Dicho limite viene impuesto por la longitud de onda de un electrón, que es de aproximadamente 10nm. Dicho de modo simple, si construimos un transistor de 10nm, el mismo no se comportarÃa como transistor: para el electrón el transistor seria "transparente" y lo atravesarÃa como un haz de luz atraviesa una pelÃcula metálica de diminuto espesor. No hay posibilidad de bajar otros 45 veces el tamaño del transistor.
Pero, ¿porque nos interesa tanto reducir el tamaño del transistor? Por un lado, para poder insertar mas trasistores en un único chip. Pero además hay otro motivo. Resulta que en la fabricación de los circuitos integrados de silicio en el circuito aparecen capacidades parásitas. Son pequñas regiones del semiconductor que se comportan como un condensador y se los denomina parasitos por que son no deseados, aparecen por la naturaleza fÃsica del material, no hay forma de eliminarlos. Sucede que en circuitos digitales, como el microprocesador de una PC, cada vez que cierta parte del circuito pasa desde el nivel lógico 0 al nivel lógico 1, el capacitor se carga; luego, cuando pasa del estado 1 al estado 0, se descarga. Este ciclo de carga-descarga representa un consumo de energÃa. Resulta que la mayor parte del consuma de un circuito digital con tecnologÃa FET se debe a las capacidades parásitas y no al consumo de los transistores, que es mÃnimo. Entonces, si duplicamos la frecuencia de trabajo de un microprocesador, por ejemplo, de 1GHz a 2Ghz, se duplica el consumo de energÃa, pues la cantidad de veces que los capacitores se cargan y descargan por unidad de tiempo sera el doble! Si utilizamos una tecnologÃa que permite disminuir el tamaño de cada transistor, también serán mas pequeñas las capacidades parásitas, almacenaran menor cantidad de carga y por lo tanto disminuirá el consumo, lo que permite a su vez incrementar la frecuencia de trabajo.
Pero, por desgracias, no se puede seguir disminuyendo el tamaño de los transistores. Hace aproximadamente 5 años los microcontroladores alcanzaron el tope máximo de frecuencia de trabajo, cerca de los 3Ghz. No es que los transistores no pueden trabajar a mayor frecuencia. Sucede que si aumentamos la frecuencia aun mas, el chip no podrÃa disipar fÃsicamente toda la potencia que consumiria. Los ingenieros denominas este fenómeno como la barrera térmica (power wall). No podemos seguir aumentando la frecuencia de trabajo para aumentar el poder de computo.
El poder de computo de una supercomputadora se mide en flops, es decir, la cantidad de operaciones de punto flotante que puede ejercer la maquina en un segundo. Por ejemplo, un gigaflop son mil millones (1.000.000.000) de operaciones de punto flotante por segundo. El campeón mundial de las supercomputadoras, Tiance-1A, tiene un poder computo de 2.507.000 gigaflops (es decir 2,5 petaflops; 1 petaflop = 1.000.000 gigaflops). El hombre por su naturaleza nunca queda satisfecho con lo que tiene y siempre ancia mas. De ahà la pregunta: ¿cuando alcanzaremos el exaflop? (1 exaflop = 1.000 petaflop o mil millones de gigaflops).
Supercomputadora Tiance-1A, Yianjin, China
Esta misma pregunta hizo DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency - Agencia de Investigación de Proyectos Avanzados de Defensa de EEUU). En el año 2007 se formo una comisión de expertos de nivel mundial especializados en el campo de las supercomputadoras para determinar que tipo de tecnologÃa necesitaran los ingenieros para construir un equipo capaz de realizar un quintillón (1018) de operaciones de punto flotante por segundo (es decir, un exaflop). Se pretendÃa pegar un salto de mil veces en la mitad de tiempo que se tardo en realizar el salto anterior, desde el teraflop al petaflop.
Los resultados de la investigación, volcados en un documento de 288 hojas son sorprendes, hasta para los investigadores. Al parecer, no sera posible construir una supercomputadora de 1 exaflop para el año 2015. Es mas, no sera posible construir una supercomputadora de esta clase en un futuro previsible. Digamos lo asi: la fiesta aun no termina, pero la policÃa ya llego y hubo que bajar la música.
La mayor limitación es la potencia. Una supercomputadora actual consume entre 4 y 6 MW, suficiente para alimentar a 5000 hogares. Blue Water es el nombre de una supercomputadora, actualmente en desarrollo, que se espera tendrá un poder de computo de 10 petaflops. Esta maquina consumira 15MW, sin tener en cuenta la potencia auxiliar necesaria para refrigeración. Si quisieramos construir una computadora de 1 exaflop, simplemente haciendo 100 Blue Waters, esta consumiria 1,5GW, que equivale a 0,1% de la potencia total consumida en los EEUU. No seria posible poner el equipo en marcha sin una central nuclear al lado.
El otro problema es la cantidad de procesadores. Como en la actualidad nos encontramos con la imposibilidad de incrementar considerablemente el poder computo de un procesador, la solución es colocar mas procesadores para aumentar el poder de computo. Eso trae como consecuencia mayor tasa de error. Un procesador en promedio comete un error cada cierto periodo de tiempo, entonces, si ponemos dos procesadores, este periodo disminuye a la mitad. Si incrementamos la cantidad de procesadores 10, 100 o 1000 veces, la tasa de error aumenta en la misma proporción. Los errores en las supercomutadores actuales es algo que los diseñadores tienen muy en cuenta. Cada cierto periodo de tiempo la maquina almacena todos los datos de su memoria de trabajo en una memoria de respaldo. Es una "foto" del trabajo que esta realizando y se denomina checkpoint. Los checkpoints sirven, en caso de encontrar un error en el futuro, retomar un trabajo sin tener que empezar desde el principio. En una computadora de exaflop, cada chechpoint ocuparÃa mucho mas espacio en memoria de respaldo y además, necesitaria hacer los checkpoints mas seguido. Además, dicha memoria deberÃa ser mas rápida, lo que en resumidas cuentas hace que costo de una maquina de este porte sea de varios ordenes de magnitud superior a las supercomputadoras actuales.
Es, entonces, el fin de las supercomputadoras? Yo diria que no. Probablemente no veremos grandes avances en el nicho en los próximo años, que hagan multiplicar el poder de computo varios ordenes de magnitud, como lo venimos viendo durante las ultimas 4 décadas. La computadora de un exaflop algún dÃa sera construida, pero seguramente no sera con la tecnologÃa de semiconducrotes de estado solido que utilizamos hoy en dia. Digamos lo asi: por mas que tomemos el mejor motor diesel de un automóvil de última generación, sera inútil utilizarlo para intentar construir un cohete espacial para llegar a Marte. Necesitamos nuevos desarrollos, nueva tecnologÃa y nuevas ideas. A mediados de siglos pasado, sustituimos los carros a caballo con el motor diesel, cuando el transistor revoluciono la electrónica, dejando en el pasado las válvulas de vacÃo. Llego la hora de construir el motor cohete. Solo asi podremos alcanzar las estrellas.
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