5 tendências futuristas em supercomputação

À medida que nossos dispositivos se tornam mais prontos para a Web e nos vemos nos afastando do paradigma da computação pessoal, a maioria de nós imagina "supercomputadores" como aqueles supercomputadores engraçados Cray e IBM com os quais os Baby Boomers sonharam, com um milhão de luzes piscando e manivelas e alavancas. Mas em todo o mundo, sistemas paralelos gigantes - às vezes parecendo um pouco mais com os supercomputadores antigos do que você imagina! -- ainda estão sendo desenvolvidos.

A maioria de nós está familiarizada com a Lei de Moore , que diz basicamente que os chips de computador dobrarão de potência a cada 18 a 24 meses. É fácil esquecer que isso não se aplica apenas aos nossos laptops e desktops. Todos os nossos dispositivos eletrônicos se beneficiam do mesmo ciclo de melhoria: velocidade de processamento, sensibilidade do sensor, memória e até os pixels da sua câmera ou telefone. Mas os chips só podem ficar tão pequenos e poderosos antes de certos efeitos devidos à mecânica quântica, e alguns especialistas dizem que essa tendência - que soou surpreendentemente verdadeira nos últimos 50 anos - pode desacelerar na próxima década à medida que nos aproximamos até o limite real do que nossos materiais atuais podem fazer [fonte: Peckham ].

Nossos telefones e tablets podem ser o resultado da redução de quantidades impressionantes de poder de computação para algo que você pode levar para a praia, mas estamos vendo apenas a face de todos esses dados. Nos bastidores, a " nuvem " exige mais informações e computação mais rápidas do que nunca, aumentando de forma tão constante quanto a qualidade e a quantidade de dados que estamos desfrutando do nosso lado da tela. Dos filmes de alta definição que transmitimos, ao clima, tráfego e outras informações de satélite que já usamos ao longo de nossos dias, o futuro está na velha e simples análise de números. E é isso que os supercomputadores fazem melhor.

1. Exaflops e além!
2. Supercomputadores verdes
3. O cérebro artificial
4. Sistemas climáticos e modelos complexos
5. Mundos Simulados

A miniaturização dos componentes do chip é apenas metade da história. Do outro lado da balança, você tem o supercomputador: configurações personalizadas, construídas para poder. Em 2008, o IBM Roadrunner quebrou a barreira de um petaflop: um quatrilhão de operações por segundo [fonte: IBM ]. (FLOPS significa "operações de ponto flutuante por segundo" e é o padrão que usamos para falar sobre supercomputadores usados ​​para cálculos científicos, como os que estamos falando neste artigo.)

Expresso em notação científica, um petaflop é medido em uma escala de 10^15 operações por segundo. Um computador exaflop - que os especialistas prevêem chegar em 2019 - funciona a 10^18, ou mil vezes mais rápido do que os computadores petaflop que estamos vendo agora [fonte: HTNT ]. Para efeito de comparação, em junho de 2011, os 500 supercomputadores mais rápidos do mundo combinados ainda teriam menos de 60 petaflops de potência. Continuando no futuro, os zettaflops melhoram na mesma escala, dando-nos 10^21 operações por segundo até 2030, e então vêm os yottaflops, a 10^24 [fonte: TOP500 ].

Mas o que esses números realmente significam? Bem, para começar, acredita-se que uma simulação completa do cérebro humano será possível até 2025 e, dentro de 10 anos, os computadores zettaflop deverão ser capazes de prever com precisão todo o sistema climático com duas semanas de antecedência.

Top500.org

Desde 1993, o projeto TOP500 tem sido o recurso central para rastrear e detectar tendências de supercomputação. Duas vezes por ano, é lançada uma lista ordenada dos sistemas de computador mais poderosos atualmente em operação. Essas classificações são baseadas em um conjunto específico de critérios, o benchmark Linpack, que envolve executar um supercomputador por meio de várias equações lineares densas e medir seus tempos de resposta. O TOP500 anexa as especificações de cada sistema, bem como as áreas em que será usado.

Na Conferência Internacional de Supercomputação de 2012 em Hamburgo, Alemanha, um supercomputador dos EUA ficou no topo da lista pela primeira vez desde 2009: o Sequoia da IBM, que está instalado no Laboratório Nacional Lawrence Livermore do Departamento de Energia, obteve uma pontuação Linpack de 16,32 petaflops [fonte: Perry ]. A Sequoia derrubou a K Computer do Japão, que havia conquistado o primeiro lugar da chinesa Tianhe-1A um ano antes, com uma pontuação superior a 10 petaflops [fonte: TOP500 ].

Todo esse poder tem um custo. Se você já teve uma falha no dissipador de calor do seu computador desktop, ou ficou sentado com um laptop no colo por mais de alguns minutos, você sabe qual é esse custo: os computadores usam muita energia produtora de calor. Na verdade, um dos maiores desafios para os desenvolvedores de supercomputadores é encontrar uma maneira sensata de instalar e usar as poderosas máquinas sem falhas de hardware ou danos crescentes à terra. Afinal, um dos principais usos das simulações meteorológicas será monitorar as flutuações de carbono e temperatura, então não seria muito inteligente adicionar ao problema que os climatologistas estão tentando resolver!

Qualquer sistema de computador é tão útil quanto seu pior dia, portanto, manter esses circuitos quentes refrigerados é de grande interesse. Na verdade, mais da metade da energia usada pelos supercomputadores vai diretamente para o resfriamento. Mas como o futuro da supercomputação está ligado a outras ciências de vanguarda e agendas futuristas, as preocupações ecológicas já são uma questão de grande importância para engenheiros de computação de alto desempenho [fonte: Jana ]. Soluções verdes e eficiência energética são partes de todos os projetos de supercomputadores em andamento e, de fato, a eficiência da Sequoia foi uma grande razão secundária pela qual o supercomputador IBM estreou com tanto alarde.

From cooling with "free air" -- that is, engineering ways to get outside air into the system -- to hardware designs that maximize surface area, scientists try to be as innovative with efficiency as they are with speed. One of the most interesting ideas several teams are using is to run the system in a conducting liquid that picks up the heat, then gets piped through the structure housing the computer banks themselves. Heating water and rooms while simultaneously cooling the equipment is an idea that has many applications beyond just supercomputer sites, but the projects on TOP500's list are taking ideas like these very seriously indeed.

Addressing ecological and efficiency concerns is not only a good idea for our planet, but necessary in order to make the machines run. It's perhaps not the most glamorous application this research can promise the rest of us -- and you were promised futuristic trends!

Let's talk about what happens in 2025 to 2030, when supercomputers are able to map the human brain [source: Shuey]. A scientist at Syracuse University estimated in 1996 that our brains have a memory capacity somewhere between one and 10 terabytes, probably around three [source: MOAH]. Of course, this wasn't a hugely useful comparison, since our brains don't work the same way computers do. But within the next 20 years, computers should be able to work the way our brains do!

In the same way supercomputers are already useful in mapping and affecting the human genome, producing solutions and predicting inherited medical issues and predilections, accurate models of the human brain will mean huge leaps in diagnosis, treatments, and our understanding of the complexities of human thought and emotion. In conjunction with imaging technology, doctors would be able to pinpoint trouble areas, simulate different forms of treatment, and even get to the root of many questions that have plagued us from the beginning of time. Implantable and graftable chips and other technology could help monitor and even shift levels of serotonin and other brain chemicals related to mood disorders, while major brain malfunctions and injuries could simply be reversed.

Beyond the medical advances this technology will help us reach, there's also the little matter of artificial intelligence (AI). While mid-performance computing power already gives us some powerful AI -- not to mention the intelligent systems already recommending customized selections of television, movies, books on AI algorithms, or the hours we spend chatting with Siri and similar virtual-intelligence programs -- a human-like level of "mental" complexity means applications for true AI. Imagine a Web MD that actually responds like a doctor, bringing expert-levels of attention to the questions you ask. And then, expand that concept beyond medical concerns, to virtual experts, explaining anything you need to know in a comfortable, conversational environment.

By 2030, it's hoped, zettaflop supercomputers should be able to accurately model the entire Earth's weather systems at least two weeks out [source: Thorpe]. We're talking about 99 to 100 percent accurate simulations of our entire planet and ecosphere, with local and global predictions available at the press of a button. Disasters aside, that may seem like a relatively specialized application -- beyond scheduling a wedding or vacation, when was the last time you needed to know the weather forecast weeks or months ahead? -- but consider the scale of information here.

Earth's climate is such a complex system that it's regularly invoked in the discussion of chaos theory, the greatest amount of complexity most of us can even comprehend: "Does the flap of a butterfly's wings in Brazil set off a tornado in Texas?" was the classic question first asked by Philip Merilees in 1972 (although the concept of meteorological complexity in this context goes all the way back to 1890 with Poincaré) [source: Wolchover]. It's hard to imagine a more complex system on a grander scale than that of our weather patterns and systems, when you think about it like that.

Food production and farming, weather's effects on other large-scale scientific projects (like a shuttle launches or polar expeditions, for example), and preemptive disaster relief are just some of the significant -- and lifesaving -- changes this kind of computing power gives us.

And of course, weather systems are just the tip of the icecap, here: If you can imagine perfectly simulated weather patterns, it's just a jump to proper modeling of any similarly huge and complex system. Whole planets and worlds could be realized in the silicon and electricity of tomorrow's supercomputers.

Most of us are familiar with multiplayer gaming environments online, and can remember when artificial environments like "Second Life" were all the rage. Virtual realities have been a science-fiction hot button for at least a century. But when you put these ideas in the hopper with the capabilities of supercomputing right around the corner, gaming and role-playing environments become useful for a lot more than entertainment.

While there will no doubt be awe-inspiring development along the lines of "Second Life" and "The Matrix" -- and the cultural and societal changes that come with it -- the concept of data overlay in our daily lives is an even more exciting and useful application of all this power. Guided historical tours, dynamic GPS directions and online restaurant reviews already show this technology in its infancy. But imagine speeding up those weather-pattern simulations, putting in chaotic elements like human minds and behavior, and you can test theories of civil engineering, city planning and even food and resource inequalities.

Supercomputers won't have to guess at that information, although they'd be great at it: They can take in information from every possible source -- from the latest trending tweets to traffic patterns to energy grid usage -- and create real time models from them to regulate not only ongoing factors, but plan for the future. Rolling blackouts, gas shortages, even the gridlock around high-population events like the Olympics will be a thing of the past.

With pervasive WiFi Internet poised to take over the country and the world, providing the next generations past 4G connectivity, the truly powerful simulated world will one day soon be no different from the world that we already live in, only better. It will be more informed, more personalized and above all, empowering us as individuals and as a civilization to put that information to its best use. And all of this information and dynamic possibility will be brought to you by the performance power of the supercomputers we're only now bringing to life.

Author's Note: 5 Futuristic Trends in Supercomputing

As a dedicated user of the cloud, I prefer to travel light. I personally only use about a gigabyte of my computer's hard drive, so that I can access my media and work projects from whichever device is most convenient. But in learning about how supercomputers are shifting the focus of computing power even further away from my phone and tablet, I was astonished to see just how many truly futuristic opportunities for the betterment of our lives are just within our grasp.

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