Pode ser difícil entender a capacidade de processamento de números do supercomputador mais rápido do mundo. Mas o cientista da computação Jack Dongarra, da Universidade do Tennessee, coloca a questão da seguinte forma: “Se todos na Terra fizessem um cálculo por segundo, levaria quatro anos para igualar ao que esse computador pode fazer em um segundo.”
O supercomputador em questão é chamado de Frontier. Ele ocupa o espaço de duas quadras de tênis no Oak Ridge National Laboratory, nas colinas do leste do Tennessee, onde foi apresentado em maio de 2022.
Essas são mais algumas especificações: o Frontier usa aproximadamente 50.000 processadores, em comparação com os 16 ou 24 do laptop mais potente. Ele consome 20 milhões de watts, em comparação com os cerca de 65 de um laptop. Sua construção custou US$ 600 milhões.
Quando o Frontier entrou em operação, marcou o início da chamada computação exascale, com máquinas que podem executar um exaflop — ou um quintilhão de operações de ponto flutuante por segundo. Desde então, os cientistas estão se preparando para fabricar mais desses computadores incrivelmente rápidos: várias máquinas exascale devem entrar em operação nos Estados Unidos e na Europa em 2024.
Mas a velocidade em si não é o fim do jogo. Os pesquisadores estão construindo computadores exascale para explorar questões científicas e de engenharia anteriormente inacessíveis em biologia, clima, astronomia e outros campos. Nos próximos anos, os cientistas usarão o Frontier para executar as simulações de computador mais complicadas que os seres humanos já criaram. Eles esperam responder a perguntas ainda não respondidas sobre a natureza e projetar novas tecnologias em áreas que vão do transporte à medicina.
Evan Schneider, da Universidade de Pittsburgh, por exemplo, está usando o Frontier para executar simulações de como a nossa galáxia evoluiu ao longo do tempo. Em particular, ela está interessada no fluxo de gás que entra e sai da Via Láctea. De certa forma, uma galáxia respira: o gás flui para dentro dela, fundindo-se em estrelas por ação da gravidade, mas o gás também flui para fora — por exemplo, quando as estrelas explodem e liberam matéria. Schneider estuda os mecanismos pelos quais as galáxias exalam. “Podemos comparar as simulações com o universo real observado e isso nos dá uma ideia de que estamos entendendo a física corretamente”, diz Schneider.
Schneider está usando o Frontier para construir um modelo de computador da Via Láctea com resolução alta o suficiente para dar zoom em estrelas individuais em explosão. Isso significa que o modelo deve capturar as propriedades em grande escala da nossa galáxia a 100.000 anos-luz, bem como as propriedades das supernovas a cerca de 10 anos-luz de distância. “Isso realmente não foi feito”, diz ela. Para se ter uma ideia do que essa resolução significa, seria o mesmo que criar um modelo fisicamente preciso de uma lata de cerveja, juntamente com as células de levedura individuais dentro dela e as interações em cada escala intermediária.
Stephan Priebe, engenheiro sênior da GE, está usando o Frontier para simular a aerodinâmica da próxima geração de projetos de aviões. Para aumentar a eficiência do combustível, a GE está investigando um projeto de motor conhecido como “arquitetura de ventilador aberto”. Os motores a jato usam ventiladores para gerar empuxo, e ventiladores maiores significam maior eficiência. Para tornar os ventiladores ainda maiores, os engenheiros propuseram a remoção do quadro estrutural externo, conhecido como nacele, de modo que as pás fiquem expostas como em um cata-vento. “As simulações nos permitem obter uma visão detalhada do desempenho aerodinâmico no início da fase de projeto”, diz Priebe. Elas dão aos engenheiros uma visão de como moldar as pás do ventilador para melhorar a aerodinâmica, por exemplo, ou para torná-las mais silenciosas.
O Frontier beneficiará especialmente os estudos de Priebe sobre turbulência, o movimento caótico de um fluido perturbado — neste caso, o ar — ao redor do ventilador. A turbulência é um fenômeno comum. Podemos vê-la no bater das ondas do mar e na fumaça que sai de uma vela apagada. Mas os cientistas ainda têm dificuldade para prever como exatamente um fluido turbulento fluirá. Isso ocorre porque ele se move em resposta a influências macroscópicas, como mudanças de pressão e temperatura, e a influências microscópicas, como a fricção de moléculas individuais de nitrogênio no ar umas contra as outras. A interação de forças em várias escalas complica o movimento.
“Na pós-graduação, [um professor] me disse uma vez: ‘Bronson, se alguém lhe disser que entende de turbulência, você deve colocar uma mão na carteira e sair da sala, porque essa pessoa está tentando lhe vender alguma coisa'”, diz o astrofísico Bronson Messer, diretor de ciências da Oak Ridge Leadership Computing Facility, que abriga a Frontier. “Ninguém entende a turbulência. Ela é realmente o último grande problema da física clássica.”
Esses estudos científicos ilustram o ponto forte dos supercomputadores: simular objetos físicos em várias escalas simultaneamente. Outros aplicativos refletem esse tema. O Frontier permite modelos climáticos mais precisos, que precisam simular o clima em diferentes escalas espaciais em todo o planeta e também em escalas de tempo longas e curtas. Os físicos também podem simular a fusão nuclear, o processo turbulento no qual o sol gera energia ao unir átomos para formar elementos diferentes. Eles querem entender melhor o processo para desenvolver a fusão como uma tecnologia de energia limpa. Embora esses tipos de simulações em várias escalas tenham sido um elemento básico da supercomputação por muitos anos, a Frontier pode incorporar uma gama mais ampla de escalas diferentes do que nunca.
Para usar o Frontier, os cientistas aprovados fazem login no supercomputador remotamente, enviando seus trabalhos pela Internet. Para aproveitar ao máximo a máquina, Oak Ridge pretende ter cerca de 90% dos processadores do supercomputador executando cálculos 24 horas por dia, sete dias por semana. “Entramos nesse tipo de estado estável em que estamos constantemente fazendo simulações científicas por alguns anos”, diz Messer. Os usuários mantêm seus dados em Oak Ridge em uma instalação de armazenamento de dados que pode armazenar até 700 petabytes, o equivalente a cerca de 700.000 discos rígidos portáteis.
Embora o Frontier seja o primeiro supercomputador de exaescala, outros estão por vir. Nos EUA, os pesquisadores estão instalando atualmente duas máquinas que terão capacidade para mais de dois exaflops: Aurora, no Argonne National Laboratory, em Illinois, e El Capitan, no Lawrence Livermore National Laboratory, na Califórnia. A partir do início de 2024, os cientistas planejam usar o Aurora para criar mapas de neurônios no cérebro e procurar catalisadores que possam tornar mais eficientes os processos industriais, como a produção de fertilizantes. O El Capitan, também programado para entrar em operação em 2024, simulará armas nucleares para ajudar o governo a manter seu estoque sem testes de armas. Enquanto isso, a Europa planeja implantar seu primeiro supercomputador exascale, o Jupiter, no final de 2024.
A China supostamente também tem supercomputadores exascale, mas não divulgou os resultados dos testes de referência padrão de seu desempenho, de modo que os computadores não aparecem no TOP500, uma lista semestral dos supercomputadores mais rápidos. “Os chineses estão preocupados com o fato de os EUA imporem mais limites em termos de tecnologia que vai para a China, e relutam em divulgar quantas dessas máquinas de alto desempenho estão disponíveis”, diz Dongarra, que projetou o benchmark que os supercomputadores devem executar para o TOP500.
O desejo por mais capacidade de computação não termina com o exascale. Oak Ridge já está considerando a próxima geração de computadores, diz Messer. Eles teriam de três a cinco vezes a capacidade de computação do Frontier. Mas há um grande desafio: o enorme consumo de energia. A energia que a Frontier consome, mesmo quando está ociosa, é suficiente para abastecer milhares de residências. “Provavelmente não é sustentável para nós simplesmente aumentar as máquinas cada vez mais”, diz Messer.
Como Oak Ridge construiu supercomputadores cada vez maiores, os engenheiros trabalharam para melhorar a eficiência das máquinas com inovações, incluindo um novo método de resfriamento. O Summit, o antecessor do Frontier que ainda está em funcionamento em Oak Ridge, gasta cerca de 10% de seu consumo total de energia para se resfriar. Em comparação, 3% a 4% do consumo de energia da Frontier é para resfriamento. Essa melhoria foi obtida com o uso de água em temperatura ambiente para resfriar o supercomputador, em vez de água gelada.
Os supercomputadores de última geração seriam capazes de simular ainda mais escalas simultaneamente. Por exemplo, com o Frontier, a simulação de galáxia de Schneider tem resolução de até dezenas de anos-luz. Isso ainda não é suficiente para chegar à escala de supernovas individuais, de modo que os pesquisadores precisam simular as explosões individuais separadamente. Um futuro supercomputador poderá ser capaz de unir todas essas escalas.
Ao simular a complexidade da natureza e da tecnologia de forma mais realista, esses supercomputadores ampliam os limites da ciência. Uma simulação de galáxia mais realista traz a vastidão do universo para a ponta dos dedos dos cientistas. Um modelo preciso da turbulência do ar em torno de um ventilador de avião evita a necessidade de construir um túnel de vento de custo proibitivo. Modelos climáticos melhores permitem que os cientistas prevejam o destino de nosso planeta. Em outras palavras, eles nos dão uma nova ferramenta para nos prepararmos para um futuro incerto.
MIT Technology Review
