De átomos a galaxias: Frontier modela el espacio y predice el clima con 50 años de antelación

El superordenador Frontier , ubicado en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en Tennessee, EE.UU., sigue sorprendiendo a los científicos con sus capacidades. Este gigante de la potencia computacional, que debutó en 2022, fue el primero en el mundo en superar la barrera de exaFLOPS — un quintillón de operaciones de coma flotante por segundo.

Frontier no solo es rápido, sino que también consume una enorme cantidad de energía. Un lunes soleado de abril, su consumo de energía alcanzó un pico de 27 megavatios, lo cual es comparable a la cantidad de recursos necesarios para alimentar 10,000 hogares. Bronson Messer, director de Oak Ridge, señaló con orgullo que el superordenador funciona “como un perro escaldado” (una expresión local).

La potencia de Frontier es comparable a la operación simultánea de 100,000 portátiles. Sin embargo, su propósito no es simplemente demostrar velocidad, sino expandir los horizontes del conocimiento humano. La tecnología es especialmente eficaz en la creación de simulaciones que abarcan fenómenos masivos con detalles minuciosos. Por ejemplo, permite rastrear cómo las diminutas gotas en las nubes afectan las tasas de calentamiento global.

Científicos de todo el mundo utilizan Frontier para crear modelos avanzados, desde partículas subatómicas hasta galaxias. Algunos proyectos se centran en la modelización de proteínas para desarrollar nuevos medicamentos, mientras que otros estudian la turbulencia para mejorar el diseño de motores de aviones. Además, el superordenador está siendo utilizado para desarrollar modelos lingüísticos abiertos que podrían competir con los productos de Google y OpenAI.

En 2023, 1744 investigadores de 18 países utilizaron los servicios de Frontier. Se espera que en 2024 se publiquen al menos 500 trabajos científicos basados en los cálculos de esta máquina.

El corazón de Frontier se encuentra en una sala del tamaño de un hangar, donde están instalados 74 racks idénticos de color negro brillante, que contienen un total de 9408 nodos. Cada nodo consta de cuatro procesadores gráficos (GPU) y un procesador central (CPU). Un equipo de ingenieros supervisa el funcionamiento de la máquina las 24 horas del día, detectando los menores indicios de fallos.

La velocidad está impulsada por el uso extensivo de GPUs. Estos chips, originalmente creados para ofrecer gráficos realistas en videojuegos, se han convertido ahora en un componente clave en el desarrollo de la inteligencia artificial, especialmente en el ámbito del aprendizaje automático. Según Messer, su poder radica en la capacidad de realizar las mismas operaciones múltiples veces de manera eficiente.

Acceder a Frontier no es fácil. Messer y sus colegas revisan meticulosamente las solicitudes de investigación, aprobando en promedio solo una de cada cuatro. El año pasado, se dio luz verde a 131 proyectos.

Generalmente, se otorgan a los investigadores alrededor de 500,000 horas-nodo, lo que equivale a tres días de trabajo continuo de todo el superordenador. Para las investigaciones más grandes, este tiempo puede cuadruplicarse. Una vez que los científicos obtienen acceso a Frontier, pueden trabajar con una potencia computacional que supera en diez veces a la de otras plataformas.

Los científicos también utilizan Frontier para modelar procesos biológicos a nivel atómico. Por ejemplo, las interacciones entre proteínas o ácidos nucleicos en solución con otros componentes celulares. En mayo, un equipo de Oak Ridge modeló una gota cúbica de agua líquida que contenía más de 155 mil millones de moléculas. Es una de las simulaciones atómicas más grandes de la historia.

Los climatólogos también están sacando provecho de las capacidades de Frontier. En 2023, el científico de Oak Ridge, Matt Norman, y sus colegas utilizaron el superordenador para ejecutar un modelo global con una resolución de 3.25 kilómetros, que tiene en cuenta los efectos del movimiento complejo de las nubes. El modelo es capaz de simular más de un año de procesos climáticos en solo un día de trabajo. Es posible que, gracias a estas tecnologías, podamos crear pronósticos a largo plazo, con una precisión sin precedentes, para un periodo de hasta 50 años en el futuro cercano.

Frontier también está mejorando la resolución de los modelos cosmológicos. El astrofísico Evan Schneider, de la Universidad de Pittsburgh, utiliza el superordenador para estudiar la evolución de galaxias del tamaño de la Vía Láctea. Sus modelos cubren cuatro órdenes de magnitud, abarcando estructuras a gran escala de aproximadamente 100,000 años luz de diámetro.

Sin embargo, a pesar de todas sus ventajas, es probable que Frontier ceda su liderazgo a competidores en un futuro próximo. Se espera que el superordenador Aurora, en el Laboratorio Nacional de Argonne en Illinois, supere el rendimiento de Frontier después de su optimización. El Capitan, en el Laboratorio Nacional de Livermore, cuyo lanzamiento está previsto para este año, también podría superar a Frontier. Además, en Alemania, un superordenador exaFLOPS llamado Jupiter comenzará a operar este año.