Os supercomputadores

Nas décadas de 1940 e 1950, todos os computadores do mundo eram gigantescos e caros, agregando tudo o que havia de mais avançado em termos de conhecimento humano. Hoje, pode parecer ridículo que qualquer calculadora de mão de 3 reais possa ter um poder de processamento muito superior ao de um ENIAC, que só de manutenção consumia o equivalente a quase 200.000 dólares por dia (em valores corrigidos). Mas, os supercomputadores continuam existindo, tão grandes e caros quanto o ENIAC, porém incomparavelmente mais rápidos do que os PCs e notebooks domésticos.

Esses mastodontes estão por trás de muitos dos avanços da humanidade e, apesar de estarem escondidos em grandes salas refrigeradas, são alvo de grande curiosidade.

Enquanto escrevo, o supercomputador mais rápido do planeta (segundo o http://www.top500.org/) é o IBM Blue Gene/L, desenvolvido pela IBM. Ele é composto por nada menos do que 131.072 processadores PowerPC e possui 32 terabytes de memória RAM.

Para chegar a esses números, a IBM desenvolveu módulos relativamente simples, cada um contendo 2 processadores, 512 MB de RAM e uma interface de rede gigabit Ethernet, similares a um PC doméstico. Esses módulos foram agrupados em racks (chamados de nós), cada um com 128 deles. No final, chegaram a 512 racks, interligados por uma complexa malha de cabos de rede, rodando um software próprio de gerenciamento. Essa gigantesca estrutura funciona como um cluster, onde o processamento é dividido em pequenos pedaços e dividido entre os módulos. Veja uma foto mostrando parte das instalações:

IBM Blue Gene/L (foto publicada com autorização da IBM)

Os primeiros supercomputadores começaram a surgir na década de 60, aliás uma década de muitos avanços, já que no final da década de 50 foi feita a transição das válvulas para os transístores. Cada transístor era centenas de vezes menor que uma válvula, era muito mais durável e tinha a vantagem de gerar pouco calor.

Todos os computadores da década de 60 já utilizavam transístores, o que permitiu o desenvolvimento dos primeiros minicomputadores. Naquela época, minicomputador era qualquer coisa do tamanho de um armário, com uma capacidade de processamento inferior ao de uma agenda eletrônica atual, das mais baratas.

Os computadores de grande porte, porém, continuaram a ser desenvolvidos, passando a ser chamados de supercomputadores. O primeiro supercomputador para fins comerciais foi o CDC 6600, que foi seguido pelos IBM 360/95 e 370/195.

Na década de 70 surgiu uma nova revolução: o microchip. Um microchip sozinho oferecia uma capacidade de processamento equivalente à de um minicomputador, mas em compensação era escandalosamente menor e mais barato. Surgiram então os primeiros microcomputadores.

Os supercomputadores da década de 70 já eram centenas de vezes mais poderosos do que os produzidos uma década antes. Os principais modelos foram o CDC 7600, o BSP, produzido pela Burroughs, e o ASC da Texas Instruments.

Esses sistemas atingiram a marca de 100 megaflops, ou seja, 100 milhões de cálculos de ponto flutuante por segundo. Essa é a mesma capacidade de processamento de um Pentium 60, porém atingida 20 anos antes. :)

No final da década de 70 surgiram os supercomputadores Cray, produzidos pela Seymour. O primeiro da linha, chamado de Cray 1, também processava 100 megaflops, porém o Cray-XMP atingiu a incrível marca de 1 gigaflop, ainda no início da década de 80, uma capacidade de processamento próxima à de um Pentium II 350.

Só para efeito de comparação, o Blue Gene/L, que citei há pouco, possui 360 teraflops de poder de processamento, ou seja, é 360 mil vezes mais rápido.

Apesar de mesmo um "PC de baixo custo" atualmente possuir um poder de processamento superior ao de um supercomputador, que custava 5 milhões de dólares há 15 anos atrás, a demanda por sistemas cada vez mais rápidos continua.

As aplicações são várias, englobando principalmente pesquisas científicas, aplicações militares e diversos tipos de aplicativos financeiros e relacionados à Internet; aplicativos que envolvem uma quantidade absurda de processamento, e claro, são necessários para instituições que podem pagar muito mais do que 5 ou 10 mil dólares por um computador o mais rápido possível. Existindo demanda, aparecem os fornecedores.

Atualmente, todos os supercomputadores são construídos com base em praticamente os mesmos componentes que temos em micros de mesa, memória, HDs e processadores, Intel, IBM ou AMD.

Ao invés de usar apenas um disco rígido IDE ou SATA, como num micro de mesa, um supercomputador utiliza um array de centenas de HDs, sistemas semelhantes ao RAID, mas numa escala maior, que permitem gravar dados de forma fragmentada em vários discos e ler os pedaços simultaneamente a partir de vários HDs, obtendo taxas de transferência muito altas.

Processadores e memória RAM geralmente são agrupados em nós, cada nó engloba de um a quatro processadores e uma certa quantidade de memória RAM e cache. Isso garante que os processadores tenham um acesso à memória tão rápido quanto um PC de mesa.

Os nós por sua vez são interligados através de interfaces de rede, o que os torna partes do mesmo sistema de processamento, assim como neurônios interligados para formar um cérebro. Um nó sozinho não tem uma capacidade de processamento tão surpreendente assim, mas ao interligar algumas centenas, ou milhares de nós, a coisa muda de figura.

Uma opção mais barata para instituições que precisam de um supercomputador, mas não possuem muito dinheiro disponível, é usar um sistema de processamento distribuído, ou cluster. Um cluster formado por vários PCs comuns ligados em rede.

O exemplo mais famoso de processamento distribuído foi o projeto Seti@Home, onde cada voluntário instalava um pequeno programa que utilizava os ciclos de processamento ociosos da máquina para processar as informações relacionadas ao projeto. Os pacotes de dados de 300 KB cada chegavam pela Internet e demoravam várias horas para serem processados. Isso permitiu que mais de 2 milhões de pessoas, muitas com conexão via modem, participassem do projeto. O sistema montado pela Seti@Home foi considerado por muitos o supercomputador mais poderoso do mundo, na época.

Esse tipo de sistema pode ser construído usando, por exemplo, a rede interna de uma empresa. Rodando o software adequado, todos os micros podem fazer parte do sistema, alcançando juntos um poder de processamento equivalente ao de um supercomputador. O mais interessante é que esses PCs poderiam ser usados normalmente pelos funcionários, já que o programa rodaria utilizando apenas os ciclos ociosos do processador.

A tecnologia de cluster mais usada atualmente são os clusters Beowulf, formados por vários computadores interligados em rede. Não é necessário nenhum hardware muito sofisticado: um grupo de PCs parrudos, ligados através de uma rede gigabit já é o suficiente para montar um cluster Beowulf capaz de rivalizar com muitos supercomputadores em poder de processamento. A idéia é criar um sistema de baixo custo, que possa ser utilizado por universidades e pesquisadores com poucos recursos.

O primeiro cluster Beowulf foi criado em 1994 na CESDIS, uma subsidiária da NASA. Ele era formado por 16 PCs 486 DX-100 ligados em rede. Para manter a independência do sistema e baixar os custos, os desenvolvedores optaram por utilizar o Linux.

Os clusters não servem para processar dados em tempo real (um game qualquer por exemplo), mas apenas para processar grandes quantidades de dados, que podem ser quebrados em pequenas partes e divididos entre os vários computadores. Uma área onde são populares é na aplicação de efeitos especiais e renderização de imagens para filmes de cinema. Há inclusive casos de filmes como o Shrek e o Final Fantasy, que foram renderizados inteiramente utilizando clusters Beowulf.