La supercomputación, también llamada computación de alto rendimiento (HPC por sus siglas en inglés) se refiere a aquellos sistemas informáticos que requieren una potencia de cálculo extremadamente alta, y que son capaces de resolver problemas enormemente complejos y exigentes, como puede ser la investigación médica o científica.
Los superordenadores se utilizan para fines científicos y de ingeniería que requieren muchos datos y cálculos, como la mecánica cuántica, la predicción meteorológica, la prospección de petróleo y gas, el modelado molecular, las simulaciones físicas, la aerodinámica, la investigación de la fusión nuclear o el criptoanálisis.
¿Qué es una supercomputadora y para qué sirve?
Un superordenador se define como un dispositivo informático extremadamente potente que procesa datos a velocidades medidas en FLOPS para realizar cálculos y simulaciones complejas, normalmente en el campo de la investigación, la inteligencia artificial y la informática de macrodatos. Pero muchas compañías también lo están incorporando a sus centros de datos.
En la actualidad, los superordenadores de categoría mundial son capaces de realizar más de 10¹⁵ -al menos un millón de miles de millones- de operaciones por segundo (rendimiento a petascala). Algunos sistemas de gama alta superan el 10¹⁷ -al menos cien millones de millones- de operaciones por segundo (rendimiento preexaescala). La próxima generación (exaescala) realizará más de un billón (10¹⁸) de operaciones por segundo.
Los superordenadores se utilizan para fines científicos que requieren muchos datos y cálculos, como la predicción meteorológica, la prospección de petróleo y gas, el modelado molecular, las simulaciones físicas o el criptoanálisis
Supercomputación vs Superordenador vs HPC
Aunque a menudo se usan como sinónimos en la industria tecnológica, existen matices importantes entre estos términos. El superordenador es la máquina física y el hardware capaz de procesar cantidades masivas de datos. La supercomputación hace referencia, por tanto, al campo de estudio y al uso práctico de estas máquinas para resolver problemas complejos.
Por su parte, las siglas HPC (High Performance Computing o Computación de Alto Rendimiento) engloban toda la disciplina que permite agrupar potencia de cálculo para entregar un rendimiento muy superior al normal, lo cual incluye a los superordenadores, pero también a los clústeres de servidores avanzados que se usan en las grandes empresas.
Diferencias frente a un servidor o PC convencional
Un ordenador de sobremesa o un servidor estándar están diseñados para ejecutar múltiples tareas variadas al mismo tiempo para distintos usuarios. Por el contrario, un supercomputador se enfoca en resolver un único problema de enormes proporciones de la forma más rápida posible. Mientras que un PC tradicional cuenta con un procesador de unos pocos núcleos, una máquina de alto rendimiento agrupa millones de núcleos trabajando a la vez. Además, los componentes de red de un equipo doméstico mueven los datos a velocidades moderadas, mientras que la infraestructura HPC utiliza conexiones de baja latencia.
Breve historia de la supercomputación
Los primeros sistemas de supercomputación aparecieron en la década de los sesenta. Consistían en grandes recursos centralizados compartidos por todos los que querían utilizarlos. Había que hacer cola para obtener los recursos que se necesitaban. Además, los recursos no eran interactivos, lo que dificultaba la escritura de código. El trabajo estaba a merced de lo que ejecutaran los demás y de los recursos disponibles. Además, era imposible preprocesar o postprocesar los datos en estos sistemas.
El CDC 6600 está considerado el primer superordenador. Fue diseñado por Seymour Cray -a menudo considerado el padre de la supercomputación- mientras trabajaba en la Control Data Corporation (CDC). Se considera el primer superordenador porque, en el momento de su lanzamiento, era hasta diez veces más rápido que el superordenador más rápido del mundo, el IBM 7030 stretch.
Ya en la década de los setentas, ILLIAC IV fue el primer ordenador construido con arquitectura paralela. Esto significa que tenía varios procesadores trabajando juntos, lo que se consideró una forma de sortear las limitaciones tecnológicas de la potencia de procesamiento de la época. Se suponía que iba a tener hasta 256 procesadores. Sin embargo, sólo se completó parcialmente, dejándolo con 64 procesadores.
Los superordenadores de mediados de los ochenta y principios de los noventa estaban dominados por Cray. Aunque Cray dominaba el sector de la supercomputación a principios de la década de los noventa, no era el único. NEC tenía una línea de superordenadores vectoriales llamados SX. En esa época aparecieron varios ordenadores paralelos masivos, como Thinking Machines, nCUBE, Meiko Scientific, Kendall Square Research (KSR) y MasPar.
La década de 1990 fue testigo del auge de Internet y la World Wide Web. Internet, la red mundial de ordenadores conectados, permitió a los usuarios compartir información y comunicarse entre sí de formas que nunca antes habían sido posibles. Y esto también marcó la historia de la supercomputación.
En los 2000, Linux empezó a hacerse un hueco relevante en el mundo de la supercomputación, ya que hasta ese momento, el sistema operativo dominante era UNIX. La tecnología de los chips y procesadores ha ido evolucionando a gran velocidad en tan solo 20 años, hasta poder llegar a lo que conocemos hoy.
¿Cómo funciona un supercomputador? Su arquitectura
Procesamiento en paralelo masivo
El secreto de estas máquinas no radica en tener un único chip gigantesco y ultrarrápido, sino en la fuerza del trabajo en equipo. Utilizan un enfoque conocido como procesamiento en paralelo masivo. Este sistema toma un problema matemático colosal, lo divide en millones de fragmentos más pequeños y los reparte entre todos sus nodos de cálculo. Todos estos nodos resuelven su parte simultáneamente y luego combinan los resultados para ofrecer la solución final en una fracción del tiempo que tardaría un procesador tradicional en hacer la misma labor.
El papel de las CPU y las GPU
La arquitectura de hardware de estos equipos ha evolucionado drásticamente. Históricamente dependían casi en exclusiva de potentes procesadores centrales o CPU. Sin embargo, en la era moderna, las GPU o unidades de procesamiento gráfico se han convertido en los verdaderos motores de estas infraestructuras. Mientras que una CPU es excelente para tareas secuenciales complejas, una GPU cuenta con miles de núcleos más pequeños ideales para realizar operaciones matemáticas simultáneas. Esta combinación permite alcanzar una eficiencia computacional sin precedentes.
Interconexión de ultra-baja latencia y almacenamiento
Tener todos esos millones de núcleos de nada sirve si no pueden pasarse la información en nano segundos. Para evitar «atascos» de datos, estas instalaciones utilizan tecnologías de red sumamente avanzadas como InfiniBand, que ofrecen un ancho de banda descomunal y una latencia mínima. A esto se suma la construcción de una arquitectura de almacenamiento masivo diseñada específicamente para entornos HPC, la cual es capaz de leer y escribir terabytes de información por segundo de forma sostenida para alimentar continuamente a los procesadores y evitar que se queden inactivos esperando la llegada de los datos.
¿Cómo se mide la potencia de un supercomputador?
Las operaciones de coma flotante (FLOPS)
El rendimiento de estos titanes tecnológicos no se mide en megahercios o gigahercios, como los ordenadores personales. La unidad de medida estándar universal son los FLOPS (Floating Point Operations Per Second), que se traduce como operaciones de coma flotante por segundo. Se trata de cálculos matemáticos extremadamente largos y precisos con números decimales, fundamentales en las simulaciones científicas complejas.
Las escalas de potencia de Megaflops a Petaflops y Exaflops
A medida que la tecnología avanza, la escala de medición da saltos exponenciales. Hace décadas la innovación se medía en Megaflops y Gigaflops. Pronto se dio el salto a niveles más grandes, como los Teraflops y los Petaflops (mil billones de operaciones por segundo), un hito que dominó la lista mundial durante años. En la actualidad hemos cruzado la barrera de los Exaflops, lo que significa que las máquinas más punteras son capaces de realizar más de un trillón de operaciones por segundo, abriendo la puerta a descubrimientos científicos hasta ahora inalcanzables.
¿Cuáles son las características de una supercomputadora?
Operaciones de alta velocidad, medidas en FLOPS
Cada segundo, los superordenadores realizan miles de millones de cálculos. Como métrica de rendimiento, utilizan operaciones FLOPS, antes mencionados. Dado que la gran mayoría de los superordenadores se emplean principalmente para la investigación científica, que exige la fiabilidad de los números flotantes, se recomiendan los FLOPS a la hora de evaluar los superordenadores. El rendimiento de los superordenadores más rápidos hoy en día se mide en exaFLOPS.
Una memoria principal extremadamente potente
Los superordenadores se distinguen por su gran capacidad de memoria primaria. El sistema se compone de muchos nodos, cada uno con sus propias direcciones de memoria que pueden ascender aproximadamente a varios petabytes de RAM.
El uso del procesamiento paralelo y los sistemas operativos Linux
El procesamiento paralelo es un método en el que muchos procesadores trabajan simultáneamente para realizar un cálculo específico. Cada procesador es responsable de una parte del cálculo para resolver el problema lo más rápidamente posible. Además, la mayoría de los superordenadores utilizan versiones modificadas del sistema operativo Linux. Los sistemas operativos basados en Linux se utilizan porque están disponibles públicamente, son software de código abierto y ejecutan las instrucciones de forma más eficiente.
Resolución de problemas con un alto grado de precisión
Con el enorme volumen de datos que se procesan constantemente y su ejecución acelerada, existe la posibilidad de que el ordenador proporcione resultados inexactos en algún momento. Se ha demostrado que los superordenadores son precisos en todos sus cálculos y proporcionan información correcta. Con simulaciones más rápidas y precisas, estos dispositivos pueden abordar los problemas con eficacia, asignarles varias repeticiones de un problema, (que responden en una fracción de segundo), o responder con precisión a cualquier problema numérico o lógico.
Un superordenador procesa datos a velocidades medidas en FLOPS para realizar cálculos y simulaciones complejas, normalmente en el campo de la investigación, la inteligencia artificial y la informática de macrodatos
Sistemas operativos utilizados para la supercomputación
Tal y como hemos explicado en el apartado anterior, el sistema operativo Linux es uno de los más utilizados, y está muy presente en el Top 500 de los ordenadores más potentes del mundo. Hay muchas razones por las que la mayoría de los superordenadores han elegido Linux. Algunas de las razones son:
- Sistema operativo abierto. Al ser un sistema de código abierto, es 100% personalizable. Esta característica permite modificar libremente cualquier parte del código. Es útil tanto para mejorar el rendimiento como para solucionar cualquier problema de seguridad.
- Menor consumo de recursos. Al ser personalizable, se puede aumentar el rendimiento especificando que sólo se ejecuten las aplicaciones vitales. Esto no se puede hacer con otros sistemas operativos, ya que no suelen permitir configuraciones específicas.
- Estructura modular. Esta es una de las características más importantes de Linux. Al ser completamente abierto, se pueden añadir nuevos módulos sin afectar a otras partes del sistema operativo. Además, la optimización de recursos es mucho más sencilla.
- Adaptado a todo tipo de cargas de trabajo. Su capacidad para adaptarse a todo tipo de cargas de trabajo es también una característica muy importante. Esto facilita la medición de la eficiencia, el consumo y el rendimiento del superordenador.
- Costes. Al ser completamente gratuito, no es necesario pagar una licencia para utilizarlo. Por tanto, la inversión necesaria es el tiempo requerido para modificar el SO para cada proyecto.
Supercomputación e Inteligencia Artificial
El auge de la Inteligencia Artificial generativa ha transformado por completo el panorama tecnológico actual y ha creado una simbiosis perfecta con la supercomputación. Entrenar grandes modelos de lenguaje o sistemas de IA multimodal requiere analizar miles de millones de parámetros en tiempo récord, una tarea totalmente imposible para la infraestructura tradicional.
Es por eso que los sistemas de computación híbrida pueden beneficiar a los proyectos de Inteligencia Artificial de varias formas:
- Las nuevas GPU pueden utilizarse para procesar con mayor eficacia algoritmos relacionados con la IA, como los modelos de redes neuronales necesarios para el aprendizaje profundo o deep learning.
- El paralelismo y el coprocesamiento aceleran los cálculos, lo que permite procesar grandes conjuntos de datos y ejecutar experimentos a gran escala en menos tiempo.
- Más almacenamiento y memoria permiten procesar mayores volúmenes de datos, lo que aumenta la precisión de los modelos de inteligencia artificial.
- Las cargas de trabajo pueden distribuirse entre los recursos disponibles, lo que permite aprovechar al máximo los recursos existentes.
- Los sistemas HPC pueden proporcionar una supercomputación más rentable en comparación con los enfoques tradicionales. En la nube, puede acceder a la HPC como servicio, evitando costes iniciales y pagando en función del uso real.
El sector de la HPC está ansioso por integrarse, mejorando el soporte para los casos de uso de la IA. La HPC se ha utilizado con éxito para ejecutar modelos de IA a gran escala en campos como la teoría cósmica, la astrofísica, la física de altas energías y la gestión de datos para conjuntos de datos no estructurados.
Ejemplos de supercomputadoras. El Top 5 mundial
Sistemas que fueron verdaderos prodigios de la tecnología hace unos pocos años, como el italiano Leonardo o el histórico Summit de IBM, han ido cediendo sus puestos más altos ante la imparable llegada de la nueva generación de equipos a exaescala.
La prestigiosa lista TOP500 se actualiza periódicamente para reflejar quién domina la carrera computacional a nivel global. A continuación detallamos la clasificación actualizada de los top 5 grandes supercomputadores a nivel mundial.
1. El Capitan (EE.UU. – Lawrence Livermore National Laboratory)
El Capitán se ha coronado como el rey absoluto de la exaescala. Instalado en suelo estadounidense, está diseñado específicamente para garantizar la seguridad nacional y realizar modelos físicos de una complejidad nunca antes vista. Está equipado con la tecnología de procesamiento y aceleración gráfica más avanzada del mercado.
2. Frontier (EE.UU. – Oak Ridge National Laboratory)
El Frontier fue el sistema pionero que logró romper de forma oficial la histórica barrera de la exaescala a nivel mundial. Construido por HPE Cray e impulsado por procesadores AMD optimizados, Frontier revolucionó el sector al ofrecer un rendimiento superior a un Exaflop por segundo manteniendo una eficiencia energética sobresaliente. Sigue siendo una herramienta indispensable para descubrimientos en el campo de la energía y la biología.
3. Aurora (EE.UU. – Argonne National Laboratory)
Se trata de otro de los gigantes de Estados Unidos diseñados expresamente para superar el exaflop de potencia. Aurora destaca por su fuerte apuesta para acelerar los descubrimientos científicos vinculados estrechamente al aprendizaje automático y la inteligencia artificial. Su diseño híbrido de vanguardia permite a los investigadores crear mapas completos del cerebro humano y realizar simulaciones asombrosas en áreas como la química cuántica.
4. Eagle (EEUU) y Fugaku (Japón – RIKEN)
En la parte alta del ranking también se encuentran dos supercomputadores empatados. Por un lado, destaca el enorme sistema Eagle implementado en la nube pública de Microsoft, demostrando cómo el cloud compite hoy en día con los equipos físicos tradicionales. Y por el otro lado, se sitúa Fugaku, el orgullo tecnológico japonés ubicado en el instituto RIKEN. Este es un sistema pionero que lideró las clasificaciones mundiales durante años y que sigue aportando un valor incalculable a la investigación científica global.
5. LUMI (Finlandia – EuroHPC)
Representando a la excelencia tecnológica del viejo continente encontramos a LUMI. Situado en Finlandia, es el gran estandarte de la ambiciosa iniciativa europea EuroHPC. Además de su formidable potencia de cálculo capaz de competir con las grandes superpotencias, LUMI brilla de forma especial por ser uno de los ordenadores más ecológicos del planeta, alimentándose de energía hidroeléctrica totalmente renovable y aprovechando el calor residual de sus componentes para calentar los hogares de la ciudad.
La supercomputación en España MareNostrum 5 y el Barcelona Supercomputing Center (BSC)
España cuenta con una posición de liderazgo indiscutible en la investigación europea gracias al Barcelona Supercomputing Center (BSC). En sus instalaciones de la capital catalana se encuentra el MareNostrum 5, una de las máquinas más potentes y avanzadas de toda Europa.
Este coloso tecnológico no solo destaca por su inmensa capacidad de cálculo, sino también por su arquitectura heterogénea diseñada para resolver desde simulaciones climáticas de gran precisión hasta el entrenamiento de la Inteligencia Artificial más puntera del mercado. Financiado en gran parte por el consorcio EuroHPC, este sistema sitúa al talento científico español en la vanguardia tecnológica mundial y funciona bajo estrictos parámetros de sostenibilidad.
¿Cuáles son los principales casos de uso y aplicaciones de la supercomputación?
Entrenamiento de IA y Grandes Modelos de Lenguaje (LLMs)
El aprendizaje automático o machine learning es la tecnología que consume los mayores recursos HPC del mundo. Crear herramientas conversacionales y analíticas avanzadas requiere ajustar modelos con billones de parámetros utilizando enormes bases de datos de texto, imágenes y código. Sin la tremenda potencia del procesamiento masivo en paralelo, entrenar estas redes neuronales artificiales llevaría años enteros en lugar de semanas.
Biomedicina, genómica y diseño de fármacos
La investigación médica confía en el análisis masivo para decodificar secuencias completas de ADN y comprender enfermedades graves a nivel molecular. Durante la síntesis de nuevos medicamentos, los científicos utilizan estas instalaciones para simular virtualmente cómo interactúan millones de compuestos químicos con las proteínas humanas, acelerando drásticamente el desarrollo de fármacos y vacunas vitales para la población.
Climatología, meteorología y gemelos digitales de la Tierra
Predecir el clima global exige procesar infinidad de variables atmosféricas y oceánicas en tiempo real. Los centros de investigación están creando gemelos digitales hiperrealistas de nuestro planeta. Estas complejas simulaciones resultan fundamentales para anticipar desastres naturales inminentes, analizar la evolución del cambio climático a largo plazo y diseñar estrategias globales de sostenibilidad eficaces.
Astrofísica, física de partículas y fusión nuclear
Explorar el origen del universo o el extraño comportamiento de las partículas subatómicas requiere capacidades de cálculo enormes. Estas herramientas se emplean desde para procesar los inmensos volúmenes de datos que generan los grandes radiotelescopios hasta para simular el plasma ardiente en el interior de los reactores experimentales de fusión nuclear para conseguir la anhelada energía limpia e inagotable del mañana.
Otras aplicaciones
Las posibilidades empresariales e industriales son prácticamente infinitas. Por ejemplo, la industria aeronáutica y las escuderías de Fórmula 1 los utilizan para simular la aerodinámica en túneles de viento virtuales, ahorrando presupuestos millonarios en prototipos físicos. Por otro lado, el sector financiero los aprovecha para predecir las fluctuaciones del mercado de valores y detectar fraudes bancarios al instante, mientras que el sector energético optimiza la búsqueda de yacimientos geológicos y recursos naturales bajo tierra con una precisión total.
El futuro de la supercomputación
El próximo gran salto tecnológico no pasa únicamente por añadir más transistores o componentes físicos, sino por cambiar las reglas de la física computacional. El futuro de la investigación científica pasa por la integración híbrida entre la infraestructura HPC clásica y los novedosos ordenadores cuánticos.
Mientras que los sistemas actuales resuelven problemas de forma lineal, la computación cuántica utiliza cúbits para procesar múltiples estados a la vez. Se prevé que en los próximos años los centros de datos envíen los cálculos más complejos sobre química molecular o criptografía a las unidades cuánticas y se pueda procesar el resto del con la arquitectura tradicional de PC, logrando resultados revolucionarios.
Preguntas frecuentes sobre los supercomputadores
Actualmente el MareNostrum 5, ubicado en el Barcelona Supercomputing Center, ostenta el prestigioso título de la infraestructura computacional más potente del territorio nacional, situándose además de forma destacada entre las mejores y más modernas instalaciones de toda Europa y del mundo.
La lista mundial TOP500 cambia de forma constante debido al avance tecnológico, pero el novedoso sistema estadounidense El Capitan ha logrado liderar recientemente los rankings superando holgadamente la ambiciosa barrera de la exaescala. Se ubica en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore.
Prácticamente el cien por cien de las máquinas de alto rendimiento a nivel global funcionan bajo distribuciones basadas en el sistema operativo Linux. Esto se debe principalmente a su naturaleza de código abierto, su enorme estabilidad y la facilidad que ofrece a los ingenieros para personalizar el núcleo del sistema a las necesidades exactas de la instalación.
Alcanzar la exaescala significa que el equipo informático tiene la capacidad certificada y demostrada de superar la asombrosa cifra de un exaflop, es decir, puede ejecutar más de un trillón de operaciones matemáticas de coma flotante en un solo segundo de tiempo.
Sí, el modelo HPC as a Service o infraestructura como servicio es una realidad en pleno auge. Diferentes proveedores de nube pública ofrecen la posibilidad de alquilar clústeres temporales con aceleradores gráficos de alto rendimiento y conexiones ultrarrápidas. Esto permite a cualquier empresa ejecutar simulaciones críticas sin necesidad de realizar inversiones multimillonarias en la compra del hardware físico.
