Scopri il mondo dell’High-Performance Computing (HPC) e le sue applicazioni in settori come scienze, industria, e analisi dati.

High-Performance Computing, che cos’è? Immagina di preparare un minestrone con cinque diverse verdure: ogni verdura richiede tempo per essere preparata (diciamo un minuto?) e, chiedendo aiuto ad altre quattro persone, potreste terminare in un minuto; la cottura, d’altra parte, è un processo sequenziale, ossia non si può parallelizzare…

Allo stesso modo, un processore di un computer si occupa di un solo processo alla volta. Tuttavia, quando si tratta di compiti complessi come modelli climatici, analisi dati o scoperta di nuovi farmaci, migliaia di processori di computer possono lavorare in parallelo grazie all’High-Performance Computing gestendo calcoli su grande scala.  

Questo è il mondo dei supercomputer e del calcolo ad alte prestazioni di cui ti voglio parlare perché l’HPC è diventato un elemento critico per industrie e organizzazioni governative, indispensabile per la ricerca scientifica, e molto impattante sulla nostra vita quotidiana!  

Vediamo insieme cosa sono i supercomputer e le sue applicazioni.

Indice

1. Applicazioni dell’HPC: Soluzioni avanzate per problemi complessi
2. Tecnologie e componenti dell’High-Performance Computing: Hardware e software per prestazioni eccezionali
   1. Un’architettura hardware per l’High-Performance Computing
   2. Componenti software per un Supercomputer
3. Cineca: L’eccellenza italiana nell’High-Performance Computing
   1. La sfida: Fornire potenza di calcolo e gestione dei dati
   2. La soluzione: investimenti in infrastruttura e partnership IT
   3. I risultati: accelerazione della ricerca e maggiore efficienza per le aziende
4. Sfide e sviluppi futuri del supercalcolatore
   1. L’impiego dell’Intelligenza Artificiale nei supercomputer
   2. Convergenza High-Performance Computing e Big Data
   3. Sostenibilità ed efficienza energetica dell’HPC
5. Conclusioni

Applicazioni dell’HPC: Soluzioni avanzate per problemi complessi

L’High-Performance Computing trova impiego in una vasta gamma di settori e applicazioni: la potenza di calcolo fornita dalle tecnologie HPC consente di risolvere problemi che sarebbero altrimenti irrisolvibili, accelerando i tempi di sviluppo e riducendo i costi di produzione. 

Brevemente, alcuni esempi di ambiti applicativi dell’HPC sono: 

• scienze:
  • climatologia: previsioni del tempo; 
  • geologia: previsione dei terremoti; 
  • biologia e chimica: sviluppo di nuovi farmaci;
  • fisica: studio dei flussi fluidodinamici, scoperta di galassie e particelle;

• Industria
  • catena di approvvigionamento: riduzione degli sprechi;
  • energia: scoperta di risorse naturali, progettazione di materiali per l’accumulo di energia; 
  • produzione: prevenzione di guasti;
  • costruzioni: strutture più sicure e sostenibili;
  • sicurezza informatica: sistemi di sicurezza più robusti.

• Analisi dati: 
  • big data e calcolo distribuito: pattern recognition; 
  • settori biomedico e ambientale: analisi di immagini mediche, strategie per limitare l’inquinamento;
  • rendering: creazione di immagini e video ad alta definizione; 
  • machine learning e deep learning: modelli di apprendimento grandi e sofisticati, in tutti gli ambiti succitati! 
• HPC
  • No, non sto scherzando. Le teorie e gli hardware usati dal supercomputer richiedono molte risorse per essere sviluppate. Perché non usare allora l’HPC per migliorare l’HPC? È il meta-HPC, poco noto ai non addetti ai lavori. 

Tecnologie e componenti dell’High-Performance Computing: Hardware e software per prestazioni eccezionali

È possibile fare piccoli esperimenti di supercalcolo anche a casa nostra, tuttavia, per raggiungere prestazioni eccezionali servono dei supercomputer, basati su tecnologie hardware e software altamente specializzate. 

Un’architettura hardware per l’High-Performance Computing

Un cluster di calcolo è un gruppo di computer collegati in rete che lavorano insieme per eseguire un compito di calcolo ad alta intensità. Un supercomputer è un sistema ad alte prestazioni con una memoria ad alta velocità, file system paralleli, potenti processori e acceleratori (CPU, GPU, TPU, e altri), e non necessariamente è costituito da un cluster.

Componenti software per un Supercomputer

Tra le componenti software possiamo ricordare i software di gestione del cluster (con funzione di controllo), i compilatori, gli strumenti di sviluppo (quali MPI e OpenMP) e naturalmente gli algoritmi paralleli. 

Cineca: L’eccellenza italiana nell’High-Performance Computing

Il Cineca, Consorzio Interuniversitario del Nord Est per il Calcolo Automatico, è un’organizzazione senza scopo di lucro che svolge un ruolo di primo piano nell’High Performance Computing in Italia e in Europa. Fondato nel 1969, il Cineca promuove la ricerca scientifica e l’innovazione tecnologica attraverso l’impiego di soluzioni avanzate di calcolo. Grazie alla sua stretta collaborazione con istituzioni accademiche e aziende, il Cineca partecipa a importanti progetti di ricerca e sviluppo. 

Fonte: CINECA Office Photos 

La sfida: Fornire potenza di calcolo e gestione dei dati

La principale sfida affrontata dal Cineca è quella di fornire potenza di calcolo significativa e infrastrutture affidabili per soddisfare la crescente domanda di risorse computazionali da parte delle università, dei centri di ricerca e delle imprese. Con l’aumento dei dati scientifici generati e la necessità di archiviarli in modo sicuro, il Cineca ha anche dovuto pensare a come gestirli in modo efficiente, garantendone l’accessibilità da parte della comunità scientifica. 

La soluzione: investimenti in infrastruttura e partnership IT

Il Cineca ha effettuato consistenti investimenti in un’infrastruttura di calcolo all’avanguardia, che comprende cluster di calcolo ad alte prestazioni, supercomputer di classe mondiale e un’interconnessione ad alta velocità. Inoltre, ha collaborato con importanti fornitori di tecnologia (Intel e Lenovo), per integrare acceleratori specializzati e aumentare ulteriormente la potenza di calcolo.

Un risultato significativo è l’implementazione di Leonardo, uno dei supercomputer più potenti e avanzati del mondo e il secondo in Europa.

High-Performance Computing Leonardo

Quanto al software, il Cineca ha sviluppato librerie e framework di programmazione parallela: IDE, strumenti per l’analisi dei dati, e software di gestione del cluster. Di seguito la struttura del supercomputer sviluppato per Leonardo.

Panoramica dell’architettura supercomputer di Leonardo (fonte: Leonardo Pre-exascale Supercomputer)

I risultati: accelerazione della ricerca e maggiore efficienza per le aziende

Grazie all’infrastruttura fornita dal Cineca, gli utenti hanno potuto affrontare problemi di dimensioni e complessità sempre maggiori: i ricercatori hanno beneficiato di tempi di calcolo ridotti, accelerando le loro ricerche; le aziende hanno potuto eseguire simulazioni complesse ed esplorare nuove soluzioni con maggiore efficienza. 

Sfide e sviluppi futuri del supercalcolatore

Il supercalcolo ha il potenziale di risolvere – rapidamente e accuratamente – problemi di grande rilevanza sociale; il suo uso per queste applicazioni richiede tuttavia responsabilità e trasparenza, per non abusare delle risorse naturali.

L’impiego dell’Intelligenza Artificiale nei supercomputer

L’Intelligenza Artificiale è una delle tecnologie più promettenti del nostro tempo e l’High-Performance Computing può supportarne sviluppo e implementazione: più precisamente, può allenare modelli di AI su grandi dataset, accelerando l’apprendimento e aumentando la precisione. Tuttavia, il deployment dell’AI su larga scala richiederà un’ulteriore evoluzione delle tecnologie HPC per soddisfare le crescenti esigenze computazionali. 

Convergenza High-Performance Computing e Big Data

Sono due discipline che si stanno avvicinando sempre di più. I Big Data richiedono una quantità immensa di risorse, fornite ovviamente dall’HPC, il quale accelera l’analisi dei dati e migliora la qualità dei risultati. Questa sinergia porterà sperabilmente a progressi in innumerevoli campi. 

Sostenibilità ed efficienza energetica dell’HPC

I supercomputer richiedono un’immensa quantità di energia! Questo potrebbe diventare un problema, a meno di utilizzare una strategia di gestione adeguata che richiede: tecnologie più avanzate (come i coprocessori), il raffreddamento ad acqua, o le energie rinnovabili per sostenere i data center. 

Incremento in performance del supercalcolatore più veloce al mondo per ogni anno” 

(fonte: Green Computing: tutte le sfide per costruire supercalcolatori a ridotto impatto energetico – Agenda Digitale

Conclusioni

In sintesi, l’High-Performance Computing (HPC) si è affermato come un alleato indispensabile per l’industria e la ricerca, offrendo una potenza di calcolo straordinaria per affrontare problemi complessi in modo efficiente. Nonostante gli alti costi di implementazione, l’HPC continua a stimolare l’innovazione e a essere un motore per il progresso scientifico e tecnologico.

Tuttavia, il vero potenziale dell’HPC è ancora in fase di sviluppo. Stiamo assistendo a un’interessante convergenza tra il supercalcolo e altre tecnologie all’avanguardia, come l’intelligenza artificiale e l’analisi dei big data. Questa sinergia apre nuove prospettive, accelerando l’apprendimento e migliorando la qualità dei risultati, e stimola l’innovazione in più ambiti. 

L’High-Performance Computing giocherà un ruolo sempre più determinante nella definizione del futuro della società e dell’innovazione ma, affinché possa essere sfruttato in modo responsabile e sostenibile, è fondamentale adottare un approccio trasparente, riducendo lo sfruttamento delle risorse naturali non rinnovabili per il sostentamento energetico.