High Performance Computing: ¿cómo funcionan las soluciones HPC?

La High Performance Computing se utiliza no solo para manejar grandes cantidades de datos, sino también para resolver tareas informáticas complejas en paralelo con una computación concentrada de alto rendimiento. Los ámbitos típicos de aplicación son los negocios, las ciencias, las simulaciones y la inteligencia empresarial. Sin embargo, ¿qué métodos de HPC existen y cómo funcionan?

High Performance Computing (HPC) hace referencia a la computación de alto rendimiento. El propio nombre indica que no se trata tanto de una tecnología definida con instrumentos específicos, sino más bien de procedimientos que utilizan o ponen a disposición el rendimiento y las capacidades de almacenamiento de los ordenadores. No hay criterios fijos para la esencia de la HPC, ya que cambia con el tiempo y se adapta a las nuevas tecnologías informáticas. En general, se puede decir que las soluciones HPC se utilizan para operaciones de cálculo complejas con cantidades muy grandes de datos o para el análisis, el cálculo y la simulación de sistemas y modelos.

Por un lado, los procedimientos HPC pueden utilizarse en ordenadores individuales muy potentes. Sin embargo, por otro lado, es más frecuente encontrar la HPC en forma de nodos que forman superordenadores como clusters. Estos superordenadores son capaces de realizar cálculos paralelos de alto rendimiento con varios recursos agregados. Los primeros superordenadores HPC fueron desarrollados por el actual socio de Intel, Cray. Hoy en día, son mucho más potentes porque las complejas arquitecturas de hardware y software están conectadas mediante nodos y se pueden combinar las capacidades de rendimiento.

Cuando la cantidad de datos que hay que procesar supera el rendimiento de los ordenadores convencionales, se recurre a los entornos HPC. Como forma de computación distribuida, la High Performance Computing utiliza el rendimiento agregado de los ordenadores acoplados dentro de un sistema o el rendimiento agregado de los entornos de hardware con los de software y los servidores. Los clusters modernos y las arquitecturas HPC para la computación de alto rendimiento se componen de CPUs, memorias de trabajo y de datos, aceleradores y fabrics. Las aplicaciones, las mediciones, los cálculos y las simulaciones a gran escala pueden distribuirse en procesos paralelos gracias a la HPC. Es decir, la tarea se distribuye a través de un software informático especial.

Existen dos enfoques principales de la HPC:

1. Scale Up: las tecnologías HPC utilizan una compleja arquitectura de hardware y software en la que las tareas se distribuyen entre los recursos disponibles. La distribución a los procesos de computación en paralelo tiene lugar dentro de un sistema o servidor. En la Scale Up, el potencial de alto rendimiento es alto, pero está limitado por las restricciones del sistema.
2. Scale Out: en las arquitecturas Scale Out, los ordenadores individuales, los sistemas de servidores y las capacidades de almacenamiento se conectan para formar nodos y clusters HPC utilizando el proceso conocido como clustering.

En teoría, incluso los ordenadores individuales acoplados de un sistema pueden ser suficientes para los requisitos de la HPC mediante el Scale Up. En la práctica, sin embargo, el enfoque de ampliación es poco eficiente para aplicaciones muy grandes. Solo la combinación de unidades informáticas y sistemas de servidores acumula capacidades y escala el rendimiento requerido según las necesidades. Por ende, el montaje, la distribución o la separación de los clusters HPC suele realizarse a través de un sistema de servidor único con unidades de computación fusionadas o a través del automatizado cloud computing de los proveedores de HPC.

A diferencia de los sistemas individuales locales o suprarregionales que ejecutan aplicaciones HPC mediante un servidor, la HPC ofrece a través del Cloud Computing una capacidad y una escalabilidad significativamente mayores. En este caso, los proveedores de HPC proporcionan un entorno informático de servidores y sistemas informáticos que pueden utilizarse según las necesidades, cuyo acceso es flexible y rápido. Además, los servicios en la nube que ofrecen los proveedores de HPC son casi ilimitadamente escalables y garantizan una infraestructura en la nube fiable para los procesos HPC. El modelo on premise con sistemas individuales, compuesto por uno o varios servidores y una compleja infraestructura informática, ofrece más independencia, pero depende de mayores inversiones y actualizaciones.

Al igual que la definición de High Performance Computing es fluida, su aplicación puede encontrarse en casi todos los ámbitos en los que tienen lugar procesos informáticos complejos. Se puede utilizar localmente en las instalaciones, a través de la nube o incluso como modelo híbrido. Entre las industrias que dependen o utilizan regularmente la HPC se encuentran:

• Genómica: para la secuenciación del ADN, los estudios de filiación y el análisis de medicamentos
• Medicina: investigación de medicamentos, producción de vacunas, investigación de terapias
• Industria: simulaciones y modelos como, por ejemplo, la inteligencia artificial, el machine learning, la conducción autónoma o la optimización de procesos
• Aeroespacial: simulaciones sobre aerodinámica
• Finanzas: análisis de riesgos, detección de fraudes, análisis de negocio o modelización financiera
• Medios de entretenimiento: efectos especiales, animación, transmisión de archivos multimedia
• Meteorología y climatología: previsión del tiempo, modelos climáticos, previsiones y avisos de catástrofes
• Física de partículas: cálculos y simulaciones sobre mecánica/física cuántica
• Química cuántica: cálculos químicos cuánticos

La HPC hace tiempo que dejó de ser solamente una herramienta fiable para resolver tareas y problemas complejos en el ámbito científico. Al contrario, las empresas e instituciones de diferentes sectores también pueden recurrir a los potentes métodos de HPC.

Entre las ventajas de la High Performance Computing , están:

• Ahorro de costes: la HPC permite procesar desde la nube cargas de trabajo más grandes y complejas, incluso a las empresas más pequeñas. Además, a través de los proveedores, la contratación de servicios HPC garantiza un control transparente de los costes.
• Más rendimiento, mayor velocidad: las tareas complejas que requieren mucho tiempo pueden realizarse con más capacidad de cálculo y pueden llevarse a cabo con mucha más rapidez gracias a las arquitecturas HPC compuestas por CPU, sistemas de servidores y tecnologías como el acceso remoto directo a la memoria.
• Optimización de procesos: los modelos y simulaciones pueden utilizarse para hacer más eficientes las pruebas físicas y las fases de ensayo, prevenir fallos y defectos, por ejemplo, en la industria o la tecnología financiera, y para optimizar los procesos mediante la automatización inteligente.
• Obtención de conocimientos: en la investigación, la High Performance Computing permite la evaluación de enormes cantidades de datos y fomenta las innovaciones, las previsiones y la obtención de conocimientos.