Kraken XT5 Supercomputador

Antonio Sales1, Luiz Silva1, Fabio Silva1, Emerson Queiroz1 , Antonio Cordeiro2

1Curso de Análise de Sistemas – Faculdade Regional da Bahia (UINIRB)Salvador, Ba – Brazil

2Professor da Disciplina Arquitetura de Computadores do Curso de Análise de Sistemas – Faculdade Regional da Bahia (UINIRB)

Salvador, Ba - Brasil.

aquitudotem@hotmail.com.br, luislhss@gmail.com.br, riocamacari@hotmail.com, emerson.queirozssa@gmail.com,

Antonio.cordeiro@gmail.com

Abstract. With the manipulation of complex data came the emergence of supercomputers, like the Kraken XT5, a system open to the whole scientific community and led the University of Tennessee, Kinoxville, became the first academic center to manage a machine this size and is also used by students enrolled even in academic research. Following a standard processor architectures for high performance, managed to combine multiple processors interconnected. With its capacity, performance and system of last generation, has assumed great importance in scientific research and academic event simulation using complex algorithms and, in addition to several other projects under study.

Resumo. Com a de manipulação de dados complexos veio o surgimento de Supercomputadores, a exemplo do Kraken XT5, um sistema aberto a toda comunidade cientifica e que fez com que a Universidade do Tennesse, Kinoxville, se tornasse o primeiro centro acadêmico administrar uma maquina de tal porte, sendo utilizado também por alunos cadastrados até mesmo em pesquisas acadêmicas. Seguindo um padrão de arquiteturas de processamento de alto desempenho, conseguiu combinar vários processadores interligados. Com sua capacidade, desempenho e sistema de ultima geração, assumiu grande importância nas pesquisas científicas e acadêmicas que usam simulação de eventos e algoritmos complexos, além de diversos outros projetos em estudo.

1. Introdução

Com o avanço tecnológico do mundo atual, criou-se a necessidade de manipular uma grande quantidade de dados para resolver problemas complexos, gerando a necessidade da utilização de computadores mais avançados e que possuíssem uma maior capacidade de processamento e armazenamento. Surge então a idéia da criação de supercomputadores, que vem a ser máquinas com arquiteturas de processamento de alto desempenho, a exemplo do Kraken XT5, nome herdado da figura mitológica nórdica na forma gigantesca de uma serpia(povo). Financiado pelo National Science Foundation, Agência federal Americana independente e financiadora de pesquisas fundamentais da educação em todos os campos da Ciência e Engenharia, foi implantado na Univeversity of Tennessee (UT), Kinoxville, EUA, alojado nas instalações de computação em Oak Ridge National Laboratory, que são também a casa de outro computador petascale, chamado Jaguar. Se tornou um importante instrumento para pesquisa cientifica e acadêmica, contribuído para o avanço tecnológico.

Esse artigo aborda os principais conceitos da maquina, bem como sua capacidade de trabalho e importância, fazendo uma análise dos projetos criados elo Kraken XT5, além de demonstrar os benefícios que já vem sendo aplicados à sociedade.

O fato do sistema, Kraken XT5, ser aberto a toda comunidade cientifica, justifica conhecê-lo, entender o seu funcionamento e suas aplicabilidades, criando assim possibilidades de uso ou adaptação à realidade. Outro fator importante é entender que o estudo sobre a criação de supercomputadores não apenas serve para o desenvolvimento da ciência e tecnologia, mas também servem de base as novas tendências dos computadores pessoais, que utilizam alto desempenho. Olhar para uma maquina avançada dessas é enxergar o que será usado pelo usuário no futuro e dessa forma podemos estar um passo a frente e preparados para dominar essa tecnologia.

O Kraken XT5 assumiu suma importância no campo da pesquisa e ciência ocupando o primeiro lugar como sistema acadêmico, sendo utilizado para realizar simulações que interpretam diversos fenômenos complexos que até então eram apenas teóricos e que sem auxilio de um computador de alto processamento tais estudos levariam anos de conclusão.

Foram feitos consultas em bibliografias e visitas a sites que tratam do tema. O site da Universidade do Tennessee foi referência sólida para base de informações, inclusive contendo informações de manuseio e cadastros de usuários.

2. Fundamentação Teórica

Para entender como o Kraken XT5 (figura 1), chegou a terceira posição no ranking da Top500(www.top500.org), site que publica em determinado período a lista dos 500 maiores computadores do mundo, devemos compreender o modelo de arquitetura utilizado, este segue um padrão de arquiteturas de processamento de alto desempenho, conseguindo combinar vários processadores interligados.

Figura 1. Foto do Kraken XT5

Fonte:http://itfanat.com/images2/the-power-of-five-petaflops-or-the-five-fastest-supercomputers-3.jpg

Esse é o motivo por quais essas maquinas conseguem grande capacidade de processamento, os dois principais tipos de arquiteturas paralelas são: Computação em grade e crursters.

Computação em grade, segundo VIEIRA, é a infra-estrutura de software capaz de interligar e gerenciar diversos recursos computacionais (capacidade de processamento, dispositivos de armazenamento, instrumentos científicos, etc.). Fornece ao usuário recursos conectados através de tecnologia de redes, independente da localização. Grade faz analogia às malhas de interligação do sistema de energia elétrica (power grids). É uma breve referência à vontade de tornar o uso dos recursos computacionais tão acessíveis quanto ouso da eletricidade, [VIEIRA, 2009].

Fazendo uma tradução mais direta, na computação em grides, usa-se o processamento de várias máquinas ligadas em rede e pode-se realizar um trabalho ou pesquisa de diferentes locais.

Ainda segundo VIEIRA, crursters trabalha com a locação de recursos efetuada por domínio administrativo centralizado. Esse tipo de ambiente se beneficia de protocolos de comunicação mais eficientes entre suas unidades de processamento, pois o recurso é controlado, já que a rede de interconexão pertence ao mesmo administrador [VIEIRA, 2009].

Num entendimento mais amplo, na computação em crursters, usa-se uma maquina para gerenciar das outras, utilizando tais recursos de processamentos, aproveitando do momento que se encontram “ociosas”, não afetando o uso para outras tarefas.

Assim entende-se qual a principais diferenças entre o uso de grides ou de crurster, enquanto uma utiliza o processamento de todas as máquinas ligadas, a outra utiliza apenas o processamento das disponíveis, mesmo que todas estejam interligadas. O sistema que o kraken xt5 utiliza é a computação em grides, já que necessita do Maximo de processadores para realizar grandes simulações.

2.1 O Sistema e Arquitetura

O Kraken XT5 foi o primeiro supercomputador acadêmico a ultrapassar o desempenho acima de um petaflop.

Segundo o site PETAFLOP.INFO, um petaflop é uma medida de velocidade de processamento de um computador e pode ser expressa em mil trilhões de operações de pontos flutuantes por segundo (FLOPS) e uma maquina petaflop faz um quatrilhão de cálculos matemáticos por segundo. Ponto flutuante é considerado um método de codificação de números reais dentro dos limites da precisão finita disponível em computadores (peformace). Dispositivos de computação possuem uma enorme capacidade de processamento, então faz sentido utilizar unidades maiores que flops, para isso é colocado um peflixo que determina o múltiplo da unidade.

De acordo com HENENESSY, um computador é considerado mais rápido que outro se executa uma mesma quantidade de trabalho no menor tempo. O mesmo autor enfatiza que desempenho e tempo de execução são medidas inversas, pois o aumento de desempenho diminui o tempo de execução, deste modo, tempo de execução “o tempo entre o início e a conclusão de um evento” – tempo resposta, e o throughput a quantidade total de trabalho realizado em um determinado tempo. [HENENESSY, 2003],

Entendemos que “tempo de execução e throughput” são variáveis muito importantes em um projeto de sistemas computacionais, para avaliar a aplicabilidade da máquina. Sendo assim, determinado projeto de sistema deverá optar por uma ou outra variável, que melhor atenda sua expectativa de uso.

O Projeto Kraken XT5, pela sua grandiosidade e alto custo financeiro, foi possível através de um investimento de 65 milhões de dólares pela National Science Foundation à Universidade do Tennesee (UT). [ScienceDaily, 2009]

Considerado um marco tanto para a computação, bem como a instituições acadêmicas. O presidente interino da UT traduziu bem “Este é um feito fenomenal e está entre as distinções de crescimento que nos permitam continuar a atrair os melhores professores e os melhores alunos que já tivemos, fazendo a nossa universidade melhor que nunca”. [ScienceDaily,17 de novembro de 200]

O super computador kraken é composto de aproximadamente 100.000 núcleos de computação, que vem a ser o componente central do sistema operativo (Kernel). Seus núcleos trabalham em conjunto devido a isso seu poder é mais eficaz. Os núcleos gerenciam as atividades dos sistemas, fazendo comunicação entre hardware e software.

Em linhas gerais, “O processamento é feita pela CPU por meio do ciclo de busca-execução regulado pelo clock”[FEDELI, 2003]).

Segundo o site INFOWESTER.COM, o clock atua como sinal de sincronização para que os dispositivos possam realizar suas atividades, criando um pulso de crock, onde os dispositivos executam suas tarefas, param e vão para o próximo ciclo de clock

Com 129 terabytes de memória, o Kraken pode armazenar o equivalente a mais de 10 milhões de agendas. FIDELLI conceitua memória:

Fisicamente próximo à CPU (para reduzir o tempo de acesso), a memória fornece à CPU uma área de armazenamento de trabalho para intruções de programas e dados. A característica principal da memória é que ela fornece rapidamente os dados e as intruções à CPU. [FIDELI, 2003]

E o referido autor, FIDELI, faz menção aos diferentes tipos de memórias, a RAM, A ROM e a cache. O terceiro tipo de memória é “um tipo de memória de alta velocidade que um processador pode acessar de forma mais rápida do que a memória principal...” ...Por haver menos dados na memória cache, a CPU pode acessar os dados e instruções desejados de maneira mais rapidamente”...[FIDELI, 2003]

Sendo assim, os 129 terabytes de memória é preponderante para a alta capacidade de processamento do KRAKEN XT5, o que vinculamos a sua alta capacidade de armazenamento de dados a memória cache.

A universidade do Tennesse é o primeiro centro acadêmico administrar um supercomputador, passando a ser uma referência em centros de computação em todo mundo. Recursos do TeraGrid, que “é uma infra-estrutura científica que combina recursos de classe de liderança em sites de onze parceiros para criar um sistema integrado, inclui mais do que um petaflop de capacidade de computação e mais de 30 petabytes de armazenamento de dados online e arquivamento, com rápido acesso e recuperação de redes de alto desempenho”.

Os pesquisadores também podem acessar mais de 100 bases de dados específicos de cada disciplina. Com esta combinação de recursos, o TeraGrid é o maior do mundo, cyberinfrastructure mais abrangente distribuída para a investigação científica aberta, a maior plataforma computacional para investigação científica aberta.

2.2 Kraken especificações do Sistema

A tabela extraída do site www.nics.tennessee.edu, mostra as alterações sofridas no sistema do kraken XT5 até o ultimo ulpgrade (Tabela 1).

Tabela 1. Tamanho da máquina (Machine Size)

Fonte: http://www.nics.tennessee.edu/machine_size

Já existem estudos para uma junção do Kraken XT5 com o Jaguar que ocupa o primeiro lugar e criado pela mesma universidade.

2.3 Aplicações para o Sistema

O Kraken já ocupa o primeiro lugar sendo o mais rápido computador acadêmico do mundo. Segundo o site da “University Tennesse”, Knoxville, teve mais de 30 contas especiais criadas para alunos nas estruturas de dados e de classe algoritmo de análise no departamento de engenharia elétrica e ciência da computação (EECS), onde foi permitido pelo Clay XT5 (Sistema Kraken), escrever programas diferentes no computador.

A classe liderada pelo professor Adjunto de engenharia elétrica e ciência da computação, David Banks, teve a oportunidade de ver as diferenças entre a programação de seus próprios comutadores e kraken, o que é aproximadamente 100.000 vezes mais poderoso que o computador doméstico médio.

Segundo Banks, a “SCIC” é uma organização única. É o único lugar no mundo onde os professores da principal Universidade poderão fazer parcerias com os funcionários de um laboratório nacional para ensinar os alunos de graduação de diferentes departamentos como escrever códigos e executá-los em um supercomputador de classe mundial.

Ainda segundo o site da “University Tennesse”, Knoxville, antes de trabalhar no kraken, os alunos foram treinados em como fazer do computador 60000 processadores individuais falarem entre si de forma eficaz. Os alunos usaram o kraken remotamente, assim como outros cientistas e pesquisadores de todo E.U.

Essa atitude permitiu o estudo de várias aplicações e fenômenos dentre elas o kraken participou junto com outros supercomputadores do estudo para antecipar o “The big one”, foi utilizado para simular o terremoto através de um modelo computacional, participou do projeto “Star gate” , outra façanha foi que o kraken ser utilizado com o teste promissor de como transferir dados de uma grande magnitude de um instituto para outro, o que era até então considerado impossível.

2.4 Projetos do Kraken xt5

O kraken xt5 confirma sua importância em estudos de alta complexibilidade. Sendo um instrumento que viabiliza estudos científicos que aborda questões climáticas modelagem do tempo, bem como no campo da medicina. Segundo dados constados no site da universidade do Tennessee, o kraken xt5 já foi utilizado por aproximadamente 300 projetos científicos de diferentes áreas da ciência. [Universidade de Tennessee, 2009].

No campo da Geologia o KRAKEN XT5 contribuiu para formular um modelo de perspectivas de magnitude sísmica. Criou-se um modelo de mapeamento sísmico para prever e traçar efeitos de terremotos. Estudo de física e sismologia e dados empíricos (conhecimento adquirido por experiência) de terremotos anteriores foram necessários para criar previsões precisas na formulação dos modelos de terremotos.veja imagem detalhada do terremoto, abaixo(figura2).

Figura 2. Simulação do terremoto

Fonte:http://itfanat.com/images2/the-power-of-five-petaflops-or-the-five-fastest-supercomputers-4.jpg

No campo de estudo das energias alternativas, despontam como solução para questões climáticas, com a preocupação em torno do aquecimento global, e poluição do ar cientistas buscam nas biomassas a solução. As paredes celulares de plantas são objetos de investigações para produção de Etanol, combustível alternativo a outros de origens fosseis. E o Kraken XT 5 está sendo usado em pesquisas para encontrar uma maneira mais eficiente para converter a celulose em etanol vai ajudar a tornar o etanol comercialmente viável. (Science Frontiers, 2010)

Outro grande projeto que o kraken xt5 trabalha é o projeto stargate (figura 3). Que simula as estruturas cósmicas do início do universo.Conforme descrição e imagem, extraída do site da California Institute for Telecommunications and Information Technology,

Figura 3. Simulação do StarGate

Fonte: http://www.calit2.net/newsroom/release.php? id = 1624

Esta simulação segue o crescimento das perturbações de densidade em ambas as componentes do gás e matéria escura em um volume 1 bilhões de anos luz de um lado início logo após o Big Bang e evoluiu para a metade da idade atual do universo. Ele calcula a aglomeração gravitacional de gás intergaláctico e matéria escura modelada utilizando uma grade computacional de 64 bilhões de células e 64 milhões de partículas de matéria escura. A simulação utiliza uma grade computacional de 4096 ^ 3 células e levou mais de 4.000.000 horas de CPU para ser concluído.

A visualização mostra o valor de densidade, cuja gama abrange mais de 6 ordens de magnitude. A animação da evolução foi feito a partir de 148 terabytes de dados gerados no Kraken no Instituto Nacional de Ciências Computacionais e transferidos para Argonne sobre ESnet. O renderingwas realizado em Eureka na liderança de Argonne Computing Facility.(http://www.calit2.net/newsroom/release.php? id = 1624)

Segundo Mike Norman, astrofísico e diretor do San Diego Supercomputer Center (SDSC).”Criando uma simulação deste tamanho, mesmo usando o petaflops Cray XT5 sistema Kraken da Universidade de Tennessee pode levar mais de três meses para ser concluída, uma vez que é executado em lotes, como o tempo é alocado”.

Desenvolver modelos para estudar processos do mundo real é a principal finalidade do kraken xt5. Dentre os já abordado, stargate, estudo do clima, de energias alternativas também pode ser aplicados em questões da saúde dentre diversas aplicabilidades.

3. Criando contas

Qualquer cidadão do mundo poderá ter acesso ao sistema KRAKEN. Através de proposta enviada ao sistema TERAGRID, a alocação será disponibilizada mediante analise de proposta de acesso. As propostas são analisadas quatro vezes por ano, elas deverão ser enviadas para o endereço eletrônico www.teragrid.org/userinfo/accss/dac.php.

Outra maneira de acessar o sistema é através de autorização discricionária do diretor da Universidade do Tennessee. Esta permissão será apenas para fins de cursos e oficinas. As propostas deverão ser enviadas para o site da instituição, ou seja, www.nics.tennessee.edu/user-supprt/request-an-account. Sendo aprovado o acesso será remetido um bem vindo e pacote incluindo token (senha) e instruções de login.

Dentro do pacote destinado ao usuário se inclui: Uma conta de Unix (usuário e conta projeto); One time Password gerador (token) para login viss h ( protocolo de acesso); acesso através de ferramentas Globus Grid (gssissh, GridFTP); na área de home NFS (padrão 2GB quota); espaço scratch (<2.4PT); hpB arquivo de armazenamento em massa através da HSI/htar(OTP apenas); mais de 100 aplicações prontas para executar em KRAKEN; até 99.072 cores; assitência ao Usuário; bash como Shell padrão do Unix. As instruções estão publicadas no endereço eletrônico da UT, na seção suporte ao usuário.

4. Conclusões

Diante do assunto abordado algumas conclusões importantes são firmadas, dentre elas podemos afirmar que o compartilhamento de informações permite o avanço científico e tecnológico, fazendo com que comunidades científicas interligadas em grandes sistemas de redes computacionais possam usufruir dos recursos oferecidos por supercomputadores diminuindo tempo de execução de processos e viabilizando investigações científicas complexas.

Com os aprimoramentos que vêm sofrendo, é inquestionável a idéia que o Kraken XT5, possa ter a oportunidade de elevar sua posição entre os melhores supercomputadores.

Outro ponto interessante é que as criações de supercomputdores são a base para a fabricação de computadores pessoais mais poderosos, pois cada vez mais necessitamos de arquiteturas com computadores multiprocessados para realizar trabalhos com manipulação de vídeo, editoração de imagem, jogos, dentre outros.

Essa demanda se deu a partir do momento que o homem conseguiu manipular a maquina de forma a obter recursos para toda a sociedade, nos colocou numa certa dependência da obtenção de dados ao ponto construir uma busca continua por novas tecnologias, tornando o que antes era impossível uma realidade.

Referencias

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