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Se mastichi di informatica o ti interessi dell'argomento già da qualche anno, di sicuro avrai sentito parlare almeno una volta dei supercomputer. E ne avrai sentito parlare come delle macchine da calcolo straordinarie, quasi mitologiche, che sono infinitamente più potenti del tuo PC di casa. In realtà la storia dei supercomputer è già abbastanza lunga e, visto il ritmo con cui la potenza di calcolo aumenta anche per i computer domestici, molti calcolatori di oggi sono persino più potenti dei primissimi supercomputer. Ma cosa rende "super" un computer? Dove sta la differenza tecnica tra un computer normale e un calcolatore di questo tipo?
Cosa è un supercomputer e come è fatto
La principale differenza tra un computer normale e un supercomputer è l'approccio con cui queste macchine vengono ingegnerizzate: i supercomputer, infatti, nascono per la cosiddetta "elaborazione parallela". Detta in parole molto semplici, un supercomputer in realtà è formato da tanti computer normali che lavorano "in parallelo "sugli stessi dati. Quindi la potenza di ogni computer viene moltiplicata per il numero di computer installati dentro il supercomputer.
Da ciò deriva la particolarissima architettura di questi mostri da calcolo: delle lunghissime file di armadi, dentro i quali si trovano i computer veri e propri ma "nudi" (cioè senza il case che di norma ricopre i nostri desktop) e montati su dei cosiddetti rack. Sembrano dei vassoi, su cui sono montati scheda madre, processore, RAM, unità disco, alimentatore e tutte le altre componenti hardware. Ogni rack è collegato a tutti gli altri e la sua potenza si somma a quella degli altri "vassoi" creando, appunto, un unico supercomputer dalle prestazioni eccezionali.
Quanto è potente un supercomputer?
Ma quanto, esattamente, sono eccezionali le capacità di calcolo di un supercomputer? Tanto, tantissimo: le prestazioni di un supercomputer moderno si misurano in Peta FLOPS, dove FLOPS sta per Floating Point Operations Per Second, traducibile in italiano con "Calcoli a virgola mobile per secondo". Peta, invece, sta per 10 alla quindicesima, cioè un biliardo (equivalente al quadrillion, nei paesi anglosassoni), cioè 1.000.000.000.000.000. Riesci a leggere questo numero?
Il supercomputer IBM Summit, attualmente il più potente al mondo, decisamente sì perché ha una capacità di calcolo pari a 122,3 Peta FLOPS (certificati dal benchmark Linpack, mentre con altri test su altre piattaforme supera anche i 200 Peta FLOPS). Per raggiungere questa potenza il Summit, che è costato 200 milioni di dollari e si trova presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, nello stato del Tennessee, occupa uno spazio di 520 metri quadrati e ha un peso totale di 340 tonnellate. È composto da 4.608 computer che lavorano in parallelo, connessi da quasi trecento chilometri di fibra ottica.
Calcolo parallelo vs. calcolo seriale
Come visto, dunque, i supercomputer sono dei campioni di calcolo parallelo. Che cos'è, esattamente, il calcolo parallelo e come si differenzia dall'altra "modalità di funzionamento" dei PC, ossia il calcolo seriale?
Nel primo caso ci troviamo di fronte a delle macchine in grado di eseguire più operazioni in contemporanea. In particolare, la CPU (o le CPU) del sistema informatico distribuiscono il codice sorgente di un programma tra i vari core che la costituiscono, riuscendo così ad aumentare le prestazioni di calcolo del computer (o del sistema di computer).
Nel secondo caso, invece, il processore esegue una sola operazione per volta, in maniera seriale. Fino a che non esegue tutte le istruzioni incluse nel comando non passerà alla successiva: va da sé che le prestazioni del PC sono nettamente inferiori e l'esecuzione di un programma richiede molto più tempo.
A cosa servono i supercomputer
Ora che sai come è fatto un supercomputer e quanti dati riesce a calcolare ogni secondo, potresti farti una domanda assolutamente legittima: come viene sfruttata questa enorme capacità di calcolo? In altre parole, a che serve un supercomputer? Vista la loro architettura parallela, i supercomputer sono estremamente efficienti nell'eseguire calcoli ripetitivi su una enorme mole di dati. Per questo sono adatti al calcolo puro a fini scientifici in ambiti come l'astronomia, la fisica, la chimica, ma l'utilizzo più famoso di queste macchine è un altro: la meteorologia.
I supercomputer, infatti, vengono usati per calcolare i modelli climatici tramite i quali è possibile ipotizzare, con una buona approssimazione, che tempo farà nelle prossime ore, giorni, settimane. Hai notato che le informazioni meteo, negli ultimi anni, sono sempre più accurate? Ciò è dovuto al fatto che i supercomputer che elaborano le informazioni sono sempre più potenti e riescono a "masticare" sempre più dati, creando modelli sempre più accurati. Tuttavia, è stato calcolato che per creare un modello meteo affidabile al 100% o quasi è necessaria una potenza di calcolo nell'ordine degli Zetta FLOPS. Cioè due ordini di grandezza sopra i Peta FLOPS: 10 alla ventunesima, un triliardo (detto sextillion, nei paesi anglosassoni), 1.000.000.000.000.000.000.000 di operazioni al secondo.
Il futuro, e i limiti, dei supercomputer
Potrebbe stupirti saperlo, ma in teoria potenze nell'ordine degli Zetta FLOPS si potrebbero raggiungere già oggi: basterebbe far lavorare in parallelo diversi supercomputer come l'IBM Summit. Perché nessuno lo fa? Non è tanto una questione di costi, ma più che altro di energia: i supercomputer consumano moltissima energia elettrica e per farli lavorare bisogna garantire una fornitura elettrica eccellente: abbondante, stabile, senza sbalzi e con un sistema di backup in caso venga a mancare l'alimentazione del tutto o in parte. L'IBM Summit, ad esempio, consuma 13 MW (MegaWatt) di energia elettrica. Una quantità pari a quella sufficiente per alimentare quasi 4 mila utenze elettriche domestiche a pieno carico. Prova ad accendere tutti gli elettrodomestici di casa fino a quando non salta il contatore, poi moltiplica per quattromila ed avrai idea di quanto consuma un supercomputer.
Come se non bastasse, all'energia consumata dal supercomputer bisogna aggiungere quella necessaria ad alimentare il sistema di raffreddamento dell'edificio che lo ospita: 4.608 computer che lavorano in parallelo scaldano parecchio, ma devono essere tenuti a temperatura controllata altrimenti avrebbero vita breve. Il futuro dei supercomputer, quindi, come è stato già in passato dipende dalle nuove tecnologie (in particolare dal miglioramento dei processi produttivi dei transistor) che permettono ai nuovi processori di consumare meno a parità di potenza, o, viceversa, di sviluppare più potenza a parità di consumi e di calore sviluppato.
