Estás leyendo la publicación: Informática de alto rendimiento (HPC) e inteligencia artificial (IA)
¿Qué es la informática de alto rendimiento (HPC)?
Una computadora de escritorio o portátil con un procesador de 3 GHz puede realizar alrededor de 3 mil millones (10^9) de cálculos por segundo. Aunque esto es mucho más rápido de lo que puede hacer un ser humano, palidece en comparación con las soluciones informáticas de alto rendimiento, que pueden realizar cuatrillones (10^15) de cálculos por segundo.
La informática de alto rendimiento (HPC) se refiere a la agregación de la potencia informática de manera que proporciona mucha más potencia de procesamiento que las computadoras y servidores tradicionales. Implica la capacidad de realizar cálculos a gran escala para resolver problemas complejos que requieren el procesamiento de grandes cantidades de datos.
Un principio clave de HPC es la capacidad de ejecutar código de forma masiva en paralelo para beneficiarse de la aceleración del tiempo de ejecución a gran escala. Los sistemas HPC en ocasiones pueden alcanzar tamaños muy grandes porque las aplicaciones se aceleran cuando se paralelizan los procesos, es decir cuando se agregan más núcleos de cómputo. Una capacidad típica de HPC es de alrededor de 100 000 núcleos.
Las supercomputadoras son uno de los tipos más conocidos de soluciones de HPC. Una supercomputadora contiene miles de nodos informáticos que trabajan juntos para realizar una o más tareas. Es como conectar miles de PC y combinar su poder de cómputo para procesar tareas más rápido.
La mayoría de las aplicaciones de HPC son tareas complejas que requieren procesadores para intercambiar sus resultados. Los sistemas HPC requieren sistemas de comunicación y almacenamiento extremadamente rápidos con baja latencia y alto ancho de banda (> 100 Gb/s) entre procesadores y almacenamiento asociado.
¿Cómo funciona HPC?
Una computadora estándar resuelve problemas dividiendo la carga de trabajo en una serie de tareas y ejecutándolas una tras otra en el mismo procesador. Por el contrario, un sistema informático de alto rendimiento aprovecha la informática paralela masiva, los clústeres informáticos y los componentes de alto rendimiento.
Computación paralela
En Parallel Computing, múltiples tareas se ejecutan simultáneamente en múltiples servidores o procesadores de computadora. En HPC, la computación paralela se realiza utilizando millones de procesadores o núcleos de procesador.
Clústeres de computadoras
Un clúster de informática de alto rendimiento consta de numerosos servidores de alta velocidad conectados en red con un programador centralizado que gestiona cargas de trabajo paralelas. Las computadoras, llamadas nodos, utilizan CPU multinúcleo de alto rendimiento o, más probablemente, unidades de procesamiento gráfico (GPU), que son adecuadas para cálculos matemáticos rigurosos, tareas con uso intensivo de gráficos y modelos de aprendizaje automático. Un solo clúster de HPC puede contener más de 100 000 nodos de este tipo.
Componentes de alto rendimiento
Los demás componentes de un clúster de HPC, como las redes, el almacenamiento, la memoria y el sistema de archivos, son componentes de alta velocidad y baja latencia que pueden optimizar y mejorar el rendimiento del clúster.
Informática de alto rendimiento e IA
La IA se puede utilizar en la informática de alto rendimiento para aumentar el análisis de conjuntos de datos y producir resultados más rápidos con el mismo nivel de precisión. La implementación de HPC e IA requiere arquitecturas similares: ambas logran resultados mediante el procesamiento de grandes conjuntos de datos que normalmente aumentan de tamaño utilizando una alta capacidad informática y de almacenamiento, un gran ancho de banda y tejidos de gran ancho de banda. Los siguientes casos de uso de HPC pueden beneficiarse de las capacidades de IA.
- Análisis financiero como detección de riesgo y fraude, fabricación y logística.
- Astrofísica y astronomía.
- Ciencias del clima y meteorología.
- Ciencias de la Tierra.
- Diseño asistido por computadora (CAD), dinámica de fluidos computacional (CFD) e ingeniería asistida por computadora (CAE).
- Visualización científica y simulación.
Cómo HPC puede ayudar a crear mejores aplicaciones de IA
- Massive Parallel Computing acelera significativamente los cálculos, lo que permite el procesamiento de grandes conjuntos de datos en menos tiempo.
- Más almacenamiento y memoria facilitan el procesamiento de grandes volúmenes de datos, lo que aumenta la precisión de los modelos de IA.
- Las unidades de procesamiento gráfico (GPU) se pueden usar para procesar algoritmos de IA de manera más efectiva.
- Se puede acceder a HPC como servicio en la nube; por lo tanto, los costos iniciales pueden reducirse.
Integración de IA y HPC
Sin embargo, la integración de HPC e IA requiere algunos cambios en las herramientas y la gestión de la carga de trabajo. Las siguientes son algunas formas en que la informática de alto rendimiento está evolucionando para abordar los desafíos asociados con la integración de IA y HPC.
Lenguajes de programación
Los programas HPC generalmente están escritos en lenguajes como C, C ++ y Fortran, y las extensiones y bibliotecas de estos lenguajes admiten los procesos de HPC. AI, por otro lado, se basa en Python y Julia.
Para que HPC e IA utilicen la misma infraestructura, el software y la interfaz deben ser compatibles. En la mayoría de los casos, los marcos y lenguajes de IA se superponen al software existente para permitir que ambos conjuntos de programadores continúen usando su herramienta actual sin migrar a un lenguaje diferente.
Virtualización y Contenedores
Los contenedores permiten a los desarrolladores adaptar su infraestructura a las cambiantes necesidades de trabajo y les permiten implementar lo mismo de manera consistente. Los contenedores permiten que las aplicaciones de Julia y Python sean más escalables.
Con contenedores, los equipos pueden crear configuraciones de HPC que son rápidas y fáciles de implementar sin una configuración que consume mucho tiempo.
Memoria aumentada
Big data juega un papel importante en la IA, y los conjuntos de datos son cada vez mayores. La recopilación y el procesamiento de estos conjuntos de datos requieren una gran cantidad de memoria para mantener la eficiencia y la velocidad que puede proporcionar HPC. Los sistemas HPC abordan este problema con tecnologías que admiten una gran cantidad de RAM persistente y efímera.
Casos de uso/aplicaciones de HPC
Cuidado de la salud
HPC puede administrar y escalar conjuntos de datos grandes y complejos y es útil para las operaciones informáticas de atención médica.
- Investigadores del Universidad de Texas Escaneó enormes cantidades de datos para determinar la correlación entre el genoma del paciente con cáncer y la composición de sus tumores, que la universidad utiliza para futuras investigaciones sobre el cáncer. El clúster de alta potencia de la universidad se utiliza incluso para el desarrollo y diagnóstico de fármacos.
- Instituto Infantil Radyen 2018, estableció el récord mundial Guinness por la secuenciación del genoma más rápida en solo 19,5 horas, utilizando una herramienta HPC de extremo a extremo llamada DRAGEN.
Ingeniería
Para aumentar el rendimiento de una máquina, los ingenieros primero construyen y prueban un prototipo bastante costoso. Para solucionar este problema, las simulaciones masivas por computadora imitan variables del mundo real como el viento, el calor, la gravedad e incluso el caos.
- Joris Poort y Adam McKenzie utilizaron HPC para optimizar el peso del 787 Dreamliner. Redujeron casi 200 libras del avión, lo que le ahorró a Boeing más de $200 millones.
- Usando Laboratorio Lawrence Livermoresupercomputadora de , los investigadores crearon un dispositivo que optimiza el uso de combustible de los camiones y ahorra hasta $ 5000 por camión por año.
- Los complejos algoritmos de aprendizaje automático que ejecutan vehículos autónomos generalmente se entrenan en tecnología HPC.
Aeroespacial
- Las erupciones solares pueden interrumpir las comunicaciones por radio e incluso interrumpir la navegación GPS. Investigadores de la NASA utilizaron HPC para entrenar a un algoritmo de aprendizaje profundo para predecir las erupciones solares en base a las fotos del sol desde un observatorio en órbita.
- Simulia, que es un software de simulación basado en HPC diseñado por Sistemas Dassaultutiliza la dinámica de fluidos para simular las condiciones de los vuelos de aeronaves.
Urbanismo
- La ciudad de Santiago, Chile, es famosa por el smog y su gente tiene que lidiar con el asma, el cáncer y otros problemas relacionados con los pulmones. A modelo se construyó en el grupo HPC de la Universidad de Iowa, capaz de pronosticar los niveles de smog con 48 horas de anticipación para que se pudieran tomar las precauciones necesarias.
- La supercomputadora de la Universidad Nacional de Tecnología de Defensa, Tianjin, China, puede optimizar los proyectos de construcción. Puede identificar los materiales de construcción ideales, administrar su transporte al sitio de construcción e incluso garantizar que la cuadrilla utilice la red eléctrica de manera eficiente.
- La empresa de ingeniería RWDI utiliza HPC para el modelado de agua y energía, comprobando la solidez estructural de los edificios y otras evaluaciones tecnológicas.
