Tecnologia em Foco

Vitor R. ColuciFaculdade de Tecnologia - UNICAMP

http://www.ft.unicamp.br/vitor

Introdução à Computação de Alto Desempenho

Roteiro

-Computação Científica

-Aplicações

-Supercomputadores

-Clusters

-Computação Paralela

-Visita

Computação

Científica

Ciência

Since the earliest days of philosophical thinking, there have always been two ways to do science.. The first is to go and out and observe and make measurements, for example dropping cannon balls from the Leaning Tower of Pisa, or studying the motion of the `wanderers`. The second is by contemplating the results of the first, for example, our increase in apparent weight when a lift goes up. All scientific progress until the middle of the twentieth century was performed in this way and the achievements have been truly remarkable.

Paul Harrison, Computational Methods in Physics, Chemistry and Biology (2001)

Ciência

Now in the middle of the twentieth century,, machines started to be developed that could performed arithmetical operations, and lots of them, very quickly. With our insatiable appetite to investigate the world around us and perform science, people quickly began to look at ways the new computers could be exploited in our quest for greater knowledge and understanding. And so a third way of doing science was created - computation.

Paul Harrison, Computational Methods in Physics, Chemistry and Biology (2001)

Ciência

Teoria Experimentos

SimulaçõesComputacionais

Novo paradigma

Computação Científica

Objetivo: Resolver problemas utilizando computadores

Problemas reais são em geral muito difíceis ou muito complexos para soluções analíticas mas tratáveis com o computador

Modelagem ClimáticaSimulação de FuracõesSimulação de TsunamiSimulação de TornadosDinâmica de Fluidos ComputacionalModelagem de Materiais

Utilização de métodos quantitativos para simular as interações da atmosfera, oceanos, continentes e gelo.

Modelos: equações diferenciais baseadas em leis da Física, movimento de Fluidos, Química.

Resultados: Ventos, transferência de calor, humidade relativa, etc em cada elemento do grid.

Modelagem climática

www.csm.ornl.gov/PR/PR2006/hpc-07-21-06.html http://www.drroyspencer.com/2009/07/how-do-climate-models-work/

http://www.vets.ucar.edu/vg/Diana/index.shtml

Simulação de Furacões

Tsunami = Onda de grande

comprimento de onda no

oceano gerada por terremotos

ou outros eventos

que deslocam repentinamente

grande quantidade de água

Simulação de Tsunami

Resolução de equações diferenciais não-lineares (propagação do Tsunami)

Leis que governam água sobre ação da gravidade

Topografia

1 2

3 4

http://amcg.ese.ic.ac.uk/index.php?title=Tsunami_simulation

http://www.psc.edu/research/graphics/gallery/mxue.php

Simulação de Tornados

http://eiger.mae.wvu.edu/tornado.htmlhttp://eiger.mae.wvu.edu/papers/debris1_P.pdf

There are many reasons for studying tornado debris clouds. They are one of the chief visual signatures of tornadoes, providing clues to their dynamics. Debris loading, particularly larger missiles, can contribute significantly to tornado damage. Understanding the differences between the local velocities of debris and air is important for interpreting Doppler radar measurements of tornado wind speeds. Finally, the presence of debris may alter the fluid-dynamic structure of the tornado itself.

Effects of Fine-Scale Debris on Near-Surface Tornado Dynamics, D. C. Lewelleny, Baiyun Gong, and W. S. Lewellen

http://dev.aerosim-motorsports.com/2008/05/

Dinâmica de Fluidos Computacional

http://www.autoevolution.com/news/how-does-cfd-computational-fluid-dynamics-work-6400.html#image1

Aerodinâmica influenciada pela temperatura (pneus e motor)

CFD usada pela Renault

Fluxo de ar saindo do carroTurbulências parte traseira Sistema de refrigeração

Modelagem de Materiais

NanomateriaisNano: prefixo que vem do grego

antigo e significa "anão".

1 bilionésimo do metro = 10-9 m (nanômetro)‏

1m1.000.000.000

Mesma razão entre o diâmetro de uma bola de gude e o diâmetro da Terra

A largura de um fio de cabelo

A largura de uma célula vermelha do sangue

O comprimento típico de uma bactéria

A largura de uma partícula de poeira

A largura de fio em um chip de computador

A largura da estrutura helicoidal de DNA

A distância entre dois átomos de carbono

Alguns valores típicos:

100.000 nanômetros

10.000 nanômetros

1.000 nanômetros

800 nanômetros

100 nanômetros

2 nanômetros

0.15 nanômetros~1 nm

Fulereno Nanotubo de Carbono

(1985) (1991)

Fonte: Jirka Cech

Comparação de um fio de cabelo (fino) com nanotubos de carbono

Modelagem de Materiais

Acesso experimental a fenômenos em nanoescala pode não ser possível:

- Dificuldade de manipulação- Degradação irreversível nas amostras causada pelo ato de medir- etc

“Preenchem a lacuna” entre o Experimento e a Observação

Investigação de fenômenos “inacessíveis”

Fornecer dicas, descartar/aceitar hipóteses/modelos, etc

Nanomateriais

Dinâmica Molecular

Resolver equações de movimento para um sistema de partículas interagentes

!ri(t)

!Fi

!Fi =

d!pi

dt

Evolução temporal do sistema

!Fi

Dinâmica Molecular

Dinâmica Molecular Dinâmica Molecular

!Fi

!Fi =

d!pi

dt

Evolução temporal do sistema

Primeiros princípios (ab initio)

Semi-empíricos

Clássicos

i j

Aplicações de Dinâmica Molecular

• Design/Concepção de novas nanoestruturas

• Controle da organização de nanoestruturas

• Investigação de nano-dispositivos mecânicos

• Interação de nanoestruturas com o mundo

biológico

Engenharia de Nanomateriais

Y. He et al. Nature 452, 198 (2008)

Arranjo controlado de

DNA

Construção de Super-Fulerenos

C60 Super-Fulereno

V. R. Coluci, R. P. B. dos Santos, D. S. Galvão J. of Nanoscience and Nanotechnology 10 !4378 (2010)

Comportamento Mecânico (estático)

Supercomputadores

Supercomputdores1976 Cray-1Processamento 160 MFlops (160 milhões de operações de ponto flutuante por segundo)

Preço: US$ 10 milhões

Caros (~ US$ 10 milhões)

Inicialmente só encontrados em laboratórios do governo (EUA)

Universidades e indústrias

(cálculos mais rápidos levam a uma vantagem na competição)

Ex.: Fórmula 1, Desenvolvimento de medicamentos (patentes), etc

Supercomputador (hoje):

Computador paralelo com milhares de CPUs

www.top500.org

#1 Tianhe-1A [Linux] 186 368 núcleos,

Los Alamos National Laboratory, 2.6 PFLOPS (peta Flops)

20 bilhões vezes mais rápido que o Cray-1

Supercomputdores

www.top500.org

’93 ’94 ’95 ’96 ’97 ’98 ’99 ’00 ’01 ’02 ’03 ’04 ’05 ’06 ’07 ’08 ’09 ’10 ’11 ’12

1 Gflop/s

10 Gflop/s

100 Gflop/s

1 Tflop/s

10 Tflop/s

100 Tflop/s

1 Pflop/s

10 Pflop/s

100 Pflop/s

1 Eflop/s

PERFORMANCE DEVELOPMENT PROJECTED

0.4 Gflop/s

59.7 Gflop/s

1.17 Tflop/s

SUM

N=1

N=500

31.1 Tflop/s

2.57 Pflop/s

44.2 Pflop/s

Hoje 2.57 PFlops (1015 Flops)

2018 EFlops (1018 Flops)

Tianhe-1ANational Supercomputing Center in Tianjin

ComputerNUDT TH MPP, X5670 2.93Ghz 6C, NVIDIA GPU, FT-1000 8C

Main Memory229376 GBInstallation Year2010!

Operating SystemLinuxMemory229376 GB

7.168 GPUs Nvidia Tesla e 14.336 processadores Intel Xeon

ProcessorIntel EM64T Xeon X56xx (Westmere-EP) 2930 MHz (11.72 GFlops)

INSTALLATION TYPE

20%

40%

60%

80%

100%

’93 ’94 ’95 ’96 ’97 ’98 ’99 ’00 ’01 ’02 ’03 ’04 ’05 ’06 ’07 ’08 ’09 ’10

VENDORRESEARCH

CLASSIFIED

INDUSTRY

GOVERNMENT

ACADEMIC

CHIP TECHNOLOGY20%

40%

60%

80%

100%

’93 ’94 ’95 ’96 ’97 ’98 ’99 ’00 ’01 ’02 ’03 ’04 ’05 ’06 ’07 ’08 ’09 ’10

HP

INTEL

ALPHA

IBM

AMD

MIPS

SPARC

PROPRIETARY

IBM Roadrunner

Power 2.35 MW, Space 296 racks, 560!m2 , Memory 103.6 TB, Speed 1.71 PFlops (theoretical peak), Cost USD $125M

Aglomerado de computadores pessoais (PCs) utilizando SO gratuito ligados em rede

Cluster Beowulf Cluster Beowulf

1994 - NASAThomas Sterling e Donald J. Becker

16 PCs - microprocessador 486Linux

70 MFlops

US$ 50.000,00

10% do valor dos supercomputadores da época

Personagem principal do épico inglês mais antigo (1600)

História de um herói de grande força que luta contra um monstrochamado Grendel

Poder computacional cresceu muito(de 100 MHz to 3.6 GHz em 8 anos)

PCs de vários vendedores estão disponíveis

Linux robusto e eficiente

Clusters Beowulf Linux ganhando popularidade na indústria e universidades

Baixo custo, alta performance e disponibilidade dos códigos fontes

Cluster Beowulf

Cluster (Nasa) 64 PCs

Beowulf FT

88 GB RAM44 coresIntel/AMDRede Gigabit

24 Tesla C1060

Cluster IBM

168 cores Power 755

24 cores Intel X5650

2 Nivida Tesla M2070

768 GB RAM

4.5 TFlops

Computação

Paralela

AtividadeSomar 2 matrizes

A + B = C4 grupos

Visita