O que é o High Performance Computing (HPC)?
O High Performance Computing (HPC, ou computação de alto desempenho) refere-se à implementação de supercomputadores e clusters de computadores para resolver problemas computacionais complexos a altas velocidades. Esta tecnologia faz uso da potência de múltiplos processadores que trabalham em paralelo para lidar com conjuntos de dados maciços, muitas vezes com desempenhos a velocidades mais de um milhão de vezes mais rápidas do que os convencionais sistemas desktop ou de servidor.
Tais sistemas podem efetuar quatriliões de cálculos por segundo, excedendo bastante as capacidades de um computador desktop típico. São frequentemente usados para lidar com grandes problemas no campo das ciências, da engenharia e dos negócios. Pense-se, por exemplo, na fluidodinâmica computacional, no armazenamento de dados, no processamento de transações e na construção e teste de protótipos virtuais.
Porque é o HPC importante?
Este tipo de sistema é crucial por várias razões. Em primeiro lugar, permite o processamento de enormes quantidades de informação e cálculos complexos a velocidades fenomenais, o que é essencial no mundo de hoje. Esta alta velocidade é vital para necessidades em tempo real, como o acompanhamento de tempestades em desenvolvimento, o teste de novos produtos ou a análise de tendências de stocks.
Também encontra um papel no avanço da investigação científica, da inteligência artificial e do Deep Learning. De facto, estes sistemas têm sido instrumentais na aceleração do progresso científico e de engenharia dos EUA, contribuindo para avanços na modelação climática, nas técnicas avançadas de fabricação e na segurança nacional.
A importância abrange vários setores, incluindo os cuidados de saúde, a aviação e a indústria transformadora, de modo a gerir cargas de trabalho complexas e processar dados em tempo quase real. Em suma: as simulações suportadas pelo HPC podem reduzir ou até eliminar a necessidade de realizar testes físicos, poupando tempo e recursos.
Como funciona o HPC?
Os sistemas HPC são geralmente compostos por centenas ou milhares de servidores de cálculo, também conhecidos como nós, interligados em rede num cluster. Trata-se do processamento paralelo, em que várias tarefas são executadas simultaneamente nos nós.
Para operar com o desempenho máximo, cada componente do sistema, incluindo os componentes de armazenamento e de rede, deve acompanhar o ritmo dos outros. Por exemplo, o componente de armazenamento deve ser capaz de alimentar e ingerir informações de e para os servidores de cálculo tão velozmente quanto estas são processadas. Se um elemento não conseguir acompanhar os restantes, o desempenho da infraestrutura será prejudicado.
O HPC no cloud computing
No cloud computing, o HPC integra a potência de cálculo e a escalabilidade do HPC tradicional, mas com a flexibilidade e a natureza a pedido dos serviços cloud.
Num ambiente cloud, os utilizadores podem aceder a vastos recursos informáticos, incluindo potência de processamento, memória e armazenamento, de modo a realizar tarefas complexas e exigentes em recursos. Estas tarefas envolvem simulações, investigação científica, análise de dados e outras cargas de trabalho intensivas que requerem recursos computacionais significativos.
As cargas de trabalho HPC requerem uma rede de baixa latência e de grande largura de banda para uma comunicação eficiente dos nós, e os fornecedores cloud oferecem opções de interligação rápida para facilitar tal comunicação. Também é crucial uma transferência eficiente de dados, e as plataformas cloud fornecem ferramentas e soluções para transferir com segurança grandes conjuntos de dados de e para a cloud.
As vantagens da implementação de sistemas cloud de alto desempenho incluem a escalabilidade (permitindo aos utilizadores escalar os recursos computacionais com base nas necessidades) e a eficiência de custos (pois os modelos baseados na cloud permitem aos utilizadores pagar pelos recursos que implementam, evitando a necessidade de investir em infraestruturas locais onerosas).
O que é um cluster HPC?
Um cluster de computação de alto desempenho consiste num conjunto de servidores interligados, conhecidos como nós, que trabalham em conjunto para realizar tarefas computacionais complexas a velocidades incríveis.
Estes clusters foram concebidos para lidar com processamento em grande escala e estão sujeitos a uma interligação veloz, que lhes permite comunicar e tratar informação de forma eficaz. Os nós de um cluster podem ser especializados de modo a realizar diferentes tipos de tarefas, e normalmente incluem componentes como núcleos de CPU, memória e espaço em disco, semelhantes aos encontrados em computadores pessoais mas com maior quantidade, qualidade e potência.
Nós de login
Os nós de login funcionam como gateway para que os utilizadores acedam ao cluster. Destinam-se a tarefas como a preparação de scripts de submissão para batch work, a submissão e monitorização de tarefas, a análise de resultados e a transferência de dados. Estes nós não se destinam à execução de tarefas de cálculo ou de compilação de software, o que deve ser feito em nós de cálculo ou através de uma sessão interativa, se necessário.
Nós de cálculo
Os nós de cálculo são a força de trabalho de um cluster, pois realizam a maioria dos cálculos numéricos. Podem apresentar um armazenamento persistente mínimo, mas estão equipados com uma memória DRAM elevada para suportar a carga de trabalho computacional. Estes nós executam a carga de trabalho utilizando recursos locais como CPU e, nalguns casos, GPU.
Nós de memória grande
Os nós de memória grande são nós especializados dentro de um cluster que possuem uma quantidade de memória significativamente maior em comparação com os nós de cálculo normais. São concebidos para tratar de tarefas com requisitos de memória mais exigentes, e revelam-se essenciais para cargas de trabalho que não se encaixam no espaço da memória dos nós normais. Geralmente, executam-se nesses grandes nós de memória trabalhos que requerem mais memória do que a disponível em nós-padrão.
Nós GPU
Os nós GPU estão equipados com unidades de processamento gráfico (GPU), para além dos núcleos de CPU. Estes nós são otimizados para cálculos que podem ser executados em paralelo num GPU, o que permite acelerar consideravelmente certos tipos de cálculos, em particular os que se adequam à arquitetura dos GPU.
Nós reservados ou especializados
Os nós reservados ou especializados são nós de um cluster que são configurados para tarefas específicas ou reservados a determinados utilizadores ou grupos. Estes nós podem incluir aceleradores ou outro hardware especializado para responder a necessidades de cálculo específicas ou a cargas de trabalho que exijam recursos únicos que não se encontram nos nós de cálculo standard.
Casos de uso do HPC
O HPC só é ideal para algumas necessidades. Um dos principais desafios reside nos custos associados a estes sistemas. Embora possa processar rapidamente grandes quantidades de informação, o HPC pode não ser necessário para tarefas que não requerem tais velocidades ou grandes volumes. No entanto, a computação de alto desempenho é crítica em muitos ambientes: sem o HPC, algumas tarefas simplesmente não são possíveis.
Casos de uso ideais para o HPC
O HPC é ideal para responder a uma série de necessidades, em diferentes setores e domínios científicos. Eis alguns exemplos concretos em que é particularmente adequado:
- Cuidados de saúde e ciências da vida: O HPC destina-se ao tratamento de dados em tempo quase real para diagnósticos, ensaios clínicos ou intervenções médicas imediatas. Também se destina ao estudo de biomoléculas e proteínas em células humanas, para o desenvolvimento de novos medicamentos e terapias clínicas. O HPC é fundamental na modelação e simulação do cérebro humano.
- Aeroespacial e indústria transformadora: Neste caso, os sistemas de alto desempenho são ideais para otimizar os materiais utilizados na indústria transformadora. A investigação baseada em cálculo permite às empresas criar componentes mais duráveis, utilizando uma quantidade mais reduzida de materiais. Também é utilizado para simular linhas de montagem e compreender processos a fim de otimizar a eficiência.
- Energia e ambiente: O HPC é utilizado para a investigação climática, incluindo a modelização e simulação de padrões climáticos. É igualmente usado para o desenvolvimento de uma agricultura sustentável e para a análise de fatores de sustentabilidade. O HPC tem um papel determinante na exploração da energia nuclear, da fusão nuclear, das energias renováveis e da exploração espacial.
- AI e Machine Learning: O HPC também é compatível com outras formas de processamento, por exemplo, para a execução de modelos de IA em larga escala em domínios como a teoria cósmica, a astrofísica, a física e a gestão de conjuntos não estruturados.
Estes são apenas alguns exemplos. Outros passíveis de ser mencionados são os serviços financeiros, em que a computação de alto desempenho é utilizada na análise e avaliação de riscos financeiros e previsão de tendências de mercado, enquanto as empresas de media e entretenimento implementam o HPC para a renderização e o processamento de áudio e vídeo. Mesmo na esfera das instâncias governamentais, a computação de alto desempenho oferece grandes possibilidades, incluindo a análise de dados de censos e da Internet das Coisas (IoT), bem como projetos de infraestruturas em larga escala.
Casos de uso menos adequados para o HPC
A computação de alto desempenho não é a solução ideal para todos os problemas. Apresentamos-lhe algumas situações em que outras soluções se revelariam mais adequadas:
Manipulação de dados sensíveis
Embora possa processar rapidamente grandes quantidades de informação, o HPC pode não ser a melhor opção para tratar informações sensíveis. O armazenamento de dados HPC em modo batch ou partilhado representa um desafio para dados sensíveis, como as informações de saúde, financeiras ou protegidas pelas leis de privacidade.
Embora haja métodos para processar com segurança informações protegidas nesses sistemas, tais métodos geralmente requerem medidas adicionais e podem afetar as operações existentes.
Cargas de trabalho de baixo volume
Os sistemas HPC foram concebidos para tratar grandes volumes de informações e cálculos complexos. Para cargas de trabalho de baixo volume, o tempo e o esforço necessários para aprender e utilizar clusters podem não se justificar.
Se o volume de trabalho for baixo, o investimento na aprendizagem de Linux, shell scripting e outras competências para a utilização de clusters HPC pode ser mais bem empregue noutras áreas.
Cargas de trabalho em série de baixo volume e memória
O HPC não é uma solução mágica que tornará qualquer carga de trabalho mais veloz. Os fluxos de trabalho que só funcionam num único núcleo (serial) e que não necessitam de grandes quantidades de memória poderão tornar-se mais lentos no HPC do que nos computadores (desktops ou portáteis) mais modernos.
Se executar um baixo volume de tarefas seriais, provavelmente descobrirá que o seu computador teria concluído tais tarefas de forma mais rápida.
Fins de formação ou ensino
Os clusters HPC universitários são utilizados para facilitar grandes cargas de trabalho computacionais e normalmente não são usados como ajuda ou recurso de formação.
Embora possam ser abertas exceções para formações específicas em HPC, com envolvimento prévio do pessoal, estes sistemas não costumam destinar-se a formações gerais ou a fins educativos.
Fins não legítimos ou não relacionados com investigação
Os clusters HPC têm como vocação facilitar cargas de trabalho de investigação legítimas. O uso inadequado de recursos de cluster, tais como a mineração de criptomoedas, o alojamento de serviços web, a utilização abusiva do armazenamento de ficheiros para fins pessoais, o acesso a ficheiros ou software a que o utilizador não tem direito, entre outras utilizações não legítimas, resultará provavelmente numa investigação e numa ação punitiva.
A partilha de contas também não é permitida, e os utilizadores/partes envolvidas na partilha de contas podem ser alvo de um processo.
Inovações em HPC
A computação de alto desempenho tem assistido a várias inovações significativas nos últimos anos. As soluções cloud estão a generalizar-se, oferecendo recursos escaláveis e económicos para tarefas computacionais intensivas. Tal tendência contribui para a sua democratização, ou seja, estas poderosas ferramentas tornam-se mais acessíveis a um leque mais alargado de utilizadores.
A computação à exaescala, capaz de realizar um exaflop (mil milhões de cálculos por segundo), é a próxima fronteira do HPC.
Embora ainda se encontre nos estágios iniciais de desenvolvimento, a computação quântica promete fornecer gigantescas melhorias de desempenho em relação aos computadores tradicionais. Os computadores quânticos poderiam resolver problemas atualmente impossíveis em computadores tradicionais, abrindo novas possibilidades para aplicações HPC.
HPC em diferentes setores
Como é o HPC na prática? Nesta secção, analisamos algumas das implicações práticas em todas as indústrias.
Indústrias de alta procura
A computação de alto desempenho desempenha um papel importante sempre que se revela necessária uma grande capacidade de cálculo. Desde os cuidados de saúde e as ciências da vida até à indústria transformadora, à energia e à previsão meteorológica. Envolve a implementação de processadores, servidores e sistemas potentes para lidar com conjuntos de informação maiores, realizar cálculos complexos e executar tarefas com muitos dados de forma mais eficiente.
Indústria transformadora
No setor da indústria transformadora, o HPC é utilizado na resolução de problemas numa série de aplicações. Permite desenvolver indústrias tradicionais e melhorar setores de produção mais recentes, como a produção aditiva. A computação de elevado desempenho demonstrou a sua capacidade de reduzir custos e de melhorar a produção.
Multimédia e entretenimento
Na indústria dos media e do entretenimento, destina-se a criar e fornecer conteúdos de forma mais eficiente. É crucial para criar efeitos visuais de alta qualidade e gerar imagens por computador. As soluções HPC devem ser integradas nas ferramentas e aplicações existentes, possibilitando uma maior eficiência em todas as etapas dos fluxos de trabalho dos media.
Energia
Embora não se conheçam resultados de pesquisa específicos para o setor da energia, sabe-se que o HPC é amplamente utilizado neste domínio para tarefas como a modelização e simulação de reservas de energia, a otimização da distribuição da rede elétrica e a melhoria da eficiência energética nos processos de fabrico.
Cuidados de saúde e ciências da vida
O HPC está a transformar a indústria da saúde e das ciências da vida, permitindo que os profissionais lidem, em tempo quase real, com informação capaz de transformar as vidas dos pacientes. Apoia as áreas científicas, desde a investigação até aplicações industriais na área médica, conduzindo a que os investigadores executem simulações, análises e cálculos mais rápidos e complexos.
Previsão meteorológica
O HPC é crucial na previsão meteorológica, na qual é usado para processar grandes quantidades de dados meteorológicos. Esta informação é utilizada para executar simulações complexas e modelos que predizem padrões e eventos meteorológicos. A velocidade e a potência de cálculo destes sistemas permitem que as previsões sejam feitas de forma rápida e precisa, fornecendo informações valiosas para o planeamento e a tomada de decisões em vários setores, como a agricultura, a energia e a gestão de desastres.
Iniciar a sua jornada HPC
Para iniciar a sua jornada HPC, comece por avaliar a sua infraestrutura atual e definir claramente os seus objetivos, requisitos, restrições e resultados esperados.
Isto implica compreender as necessidades computacionais específicas da organização, bem como os tipos de cargas de trabalho que serão executadas no sistema. Assim que os objetivos e requisitos forem estabelecidos, o próximo passo consiste em escolher o fornecedor cloud e as ferramentas mais adequados, em função das necessidades de computação de alto desempenho da organização. Procure recursos escaláveis e serviços especializados para cargas de trabalho HPC.
É crucial envolver a liderança executiva no processo de tomada de decisões, de modo a assegurar o alinhamento com a direção estratégica da organização e assegurar o investimento necessário. Além disso, as organizações devem ter em conta as melhores práticas para executar cargas de trabalho, como não sobrecarregar o sistema com demasiadas tarefas, utilizar eficientemente o espaço em disco e otimizar o código para um desempenho máximo.
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