Este proyecto de 7 años, patrocinado por la Oficina de Ciencias del DOE y la Administración Nacional de Seguridad Nuclear, invirtió $1.8 mil millones en desarrollo de aplicaciones, tecnología de software y hardware e investigación de integración realizada por más de 1,000 personas ubicadas en todo el país, con la participación de laboratorios nacionales del DOE. , universidades y participantes industriales. El ECP se centró en cuatro objetivos: mantener el liderazgo estadounidense en informática de alto rendimiento (HPC), promover la salud de la industria HPC estadounidense, ofrecer un ecosistema de software HPC sostenible y crear aplicaciones de misión crítica.
La NASA necesita HPC en todas las escalas para respaldar y avanzar en muchas de sus aplicaciones. Por ejemplo, un desafío para un aterrizaje seguro es desplegar un paracaídas a velocidades hipersónicas. El paracaídas, delgado y flexible, se tambalea y cambia de forma a medida que frena el vehículo de aterrizaje. La mayoría de las pruebas de despliegue de paracaídas se realizan en túneles de viento, pero las cargas útiles más grandes requieren paracaídas que casi llenarían el túnel de viento, dejando poco espacio para el flujo de aire.
“Obviamente no se puede utilizar un túnel de viento para ese tipo de prueba”, dice Tsengdar Lee, gerente de cartera de informática de alta gama en la sede de la NASA en Washington. “Por eso hacemos muchos cálculos para diseñar los paracaídas”.
Los complejos problemas del aterrizaje en Marte se encuentran entre muchos que las supercomputadoras de la NASA han abordado durante décadas. “Somos científicos e ingenieros”, dice Lee. “Nos encanta resolver problemas”. Los ambiciosos objetivos de la NASA presentan muchos desafíos que pueden superarse con la ayuda de sistemas de exaescala.
Oportunidades de exaescala
Lee y sus colegas esperan obtener parte de esa ayuda de la supercomputadora Frontier del DOE. Debutó en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en mayo de 2022 como la primera computadora a exaescala del mundo, realizando 1,19 quintillones (un millón de billones) de cálculos por segundo. Esto colocó a Frontier, que utiliza la arquitectura HPE Cray EX235a equipada con unidades de procesamiento de gráficos (GPU) AMD, como el número uno en la lista TOP500 como la computadora más rápida del mundo. En abril de 2023, Frontier estuvo disponible para todos los equipos de ECP.
Las simulaciones por supercomputadoras son esenciales para una lista cada vez mayor de iniciativas de la NASA. Estos incluyen la reducción del ruido de los aviones a reacción, el avance de la aviación ecológica, la simulación de la estabilidad aerodinámica de la cápsula que llevará un cuadricóptero a la superficie de la luna más grande de Saturno y el apoyo a las investigaciones satelitales de planetas que orbitan sistemas estelares en el espacio profundo.
“Continuaremos trabajando para ampliar nuestros recursos”, dice Piyush Mehrotra, ex jefe recientemente retirado de la División de Supercomputación Avanzada de la NASA en el Centro de Investigación Ames de la NASA en California.
Mehrotra era miembro del Consejo de Agencia e Industria de ECP, un grupo de asesores técnicos, gubernamentales y de alto nivel de la industria. El grupo sirve como conducto para el intercambio de información y experiencias entre los líderes de ECP, organizaciones industriales clave y agencias gubernamentales que trabajan juntas para promover la conciencia tecnológica y las capacidades computacionales de la amplia comunidad de HPC en el camino hacia la exaescala. Mehrotra centró su función en el consejo “en el descubrimiento y la ciencia para las misiones de la NASA”, dice. “Ahí es donde está la satisfacción. Ahí es donde está el retorno de la inversión”.
Una temporada en el Centro de Investigación Langley en Virginia como estudiante de posgrado a principios de la década de 1980 proporcionó a Mehrotra su primera experiencia con la NASA. “Vi todas las cosas que estaban sucediendo y cómo la informática podía resolver algunos de los problemas”, afirma.
A partir de su doctorado, la carrera investigadora de Mehrotra se centró en aprovechar el poder de máquinas distribuidas a gran escala relativamente nuevas. Se unió a NASA Ames en 2000. “He estado aquí desde entonces, tratando de asegurarme de que los científicos e ingenieros de la NASA obtengan el entorno informático avanzado que necesitan para alcanzar los diferentes hitos de la misión”, explica.
Artemis Lanzo la visualización de simulación utilizando el solucionador CFD cartesiano LAVA. La imagen muestra un corte a través de las columnas de escape coloreadas por la presión (el rojo es alto, el azul es bajo). La línea negra indica la interfaz de aire/escape del penacho del 90 %. La vista es desde el orificio de escape del lanzador móvil, mirando directamente al vehículo. CRÉDITO: Timothy Sandstrom, Michael Barad, NASA/Ames
NASA Ames alberga las principales supercomputadoras de la agencia. “El Centro Ames está diseñado para proporcionar simulación de supercomputación a gran escala para toda la NASA”, dice Mehrotra. Estas simulaciones abarcan proyectos en las cinco direcciones de la NASA: aeronáutica, sistemas de exploración, ciencia, operaciones espaciales y tecnología espacial.
La División de Supercomputación Avanzada (NAS) de la NASA se fundó en Ames a mediados de la década de 1980. El centro alberga las Pléyades, una de las principales supercomputadoras de la NASA. Algunos lectores tal vez recuerden a las Pléyades por su cameo en la película “The Martian”, donde se utilizó para descubrir la mejor trayectoria de vuelo para rescatar al personaje varado de Matt Damon.
La primera máquina de la NAS fue una Cray X-MP que funcionaba con una unidad central de procesamiento (CPU). Pleiades ha disfrutado de múltiples actualizaciones a lo largo de los años y opera con 228.572 CPU. “La definición de grande ha ido cambiando a lo largo de los años”, afirma Mehrotra. “La primera máquina era una décima parte de lo que tienes hoy en tu iPhone”.
Acelerar los códigos climáticos
La NASA tiene una capacidad operativa de supercomputación de 45 petaflops (miles de billones de operaciones por segundo), principalmente en Ames. La máquina Frontier del DOE tiene una potencia de más de 1.000 petaflops. Casi ninguno de los códigos actuales de la NASA puede aprovechar los cálculos a exaescala. En consecuencia, la NASA ha comenzado a adaptar sus códigos para arquitecturas de exaescala DOE que aprovechan miles de GPU para prepararse para un mayor desarrollo de sistemas intermedios.
E4S es clave para simplificar las transiciones de software
La NASA puede utilizar la pila de software científico de escala extrema (E4S) de código abierto de ECP para simplificar dichas transiciones de software. Al trabajar con código fuente desarrollado con varios productos HPC, incluidas múltiples bibliotecas matemáticas y modelos de programación, E4S crea código que puede ejecutarse en prácticamente cualquier plataforma HPC, incluidas las arquitecturas habilitadas para GPU.
“Tenemos muchos códigos que deben pasar a esta nueva arquitectura”, dice Lee. Muchas de las aplicaciones heredadas de la NASA se basan en CPU muy versátiles. Sin embargo, las GPU más especializadas pueden procesar más datos de forma más rápida y en paralelo. En el pasado, cuando la NASA realizaba simulaciones en un sistema DOE, sólo se utilizaban las CPU.
“Estamos trabajando agresivamente en la dirección de la GPU”, afirma Lee. “Gracias a ECP, ahora tenemos varios proyectos en marcha”. Estos proyectos implican modernizar y trasladar códigos modelo de la NASA, como las simulaciones a escala kilométrica vinculadas al océano y la atmósfera global del Sistema de Observación de la Tierra Goddard (GEOS), a sistemas de exaescala.
Las capacidades de exaescala también son cruciales para las simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) de la NASA que modelan la dinámica meteorológica y climática que involucra los movimientos del agua y el aire. Incluso ahora, dice Mehrotra, “más de la mitad de nuestros sistemas se utilizan para CFD”.
CFD se aplica a GEOS y al modelo de estimación de la circulación y el clima del océano, que genera algunas de las simulaciones más grandes y complejas que se ejecutan en las supercomputadoras de la NASA. La computación a exaescala acelerará estos proyectos, así como los análisis de datos de inventario, monitoreo, observación y modelado de gases de efecto invernadero de la NASA.
Procesar las numerosas observaciones satelitales de gases traza y rastrear todas las reacciones químicas que tienen lugar en la atmósfera requiere una gran potencia informática. “Podemos hacerlo en un par de meses con nuestra capacidad existente”, dice Lee. “Pero hacerlo en tiempo real requerirá computación a exaescala”.
La predicción climática a largo plazo requiere un vínculo de alta resolución entre los modelos atmosféricos y oceánicos aderezado con química. Los contaminantes del aire interactúan con el polvo atmosférico para formar nubes y lluvia que interactúan con la radiación solar (hacia abajo) y terrestre (hacia arriba). “Es un proceso de retroalimentación de radiación, nube de aerosol y muy complicado”, dice Lee. “Ese es definitivamente un problema de exaescala”.
Regreso a la Luna y más allá
El equipo de Ascenso de Lanzamiento y Aerodinámica de Vehículos utiliza supercomputadoras para predecir numéricamente el efecto de las ondas de sobrepresión de ignición que producirán los cohetes masivos en el Centro Espacial Kennedy. Los lanzamientos de transbordadores espaciales generaron enormes y ondulantes nubes de vapor. Estos fueron subproductos de la inyección de agua en la zanja de llamas y en las aberturas de escape para amortiguar el ataque de energía de ondas acústicas potencialmente dañinas.
Artemis Lanzo la visualización de simulación utilizando el solucionador CFD cartesiano LAVA. La imagen muestra un corte a través de las columnas de escape coloreadas por la presión (el rojo es alto, el azul es bajo). La línea negra indica la interfaz de aire/escape del penacho del 90 %. La vista es desde el orificio de escape del lanzador móvil, mirando directamente al vehículo.
CRÉDITO: Timothy Sandstrom, Michael Barad, NASA/Ames
Pero el Sistema de Lanzamiento Espacial (SLS), diseñado para devolver a los astronautas a la Luna, lanzado en el Centro Espacial Kennedy el 16 de noviembre de 2022, era mucho más grande que los cohetes de la era de los transbordadores espaciales. El cohete más poderoso jamás creado por la NASA, el SLS, tiene 17 pisos de altura y somete la plataforma de lanzamiento a presiones, temperaturas y ondas acústicas vibratorias increíbles mientras quema alrededor de seis toneladas de propulsor por segundo. Mehrotra dice: “Si quieres simular toda la realidad , se necesitan sistemas informáticos a nivel de exaescala”.
A medida que avanzan los planes para la misión Artemis de devolver astronautas a la luna, las simulaciones en las supercomputadoras más poderosas de la NASA, Aitken y Electra, también ayudan a garantizar la seguridad de la tripulación en caso de que se cancele el lanzamiento. La nave espacial Orion tiene un motor de aborto de lanzamiento que puede dispararse en milisegundos para llevar rápidamente a su tripulación de cuatro personas a un lugar seguro. El motor de aborto de Orion produce aproximadamente 400.000 libras de empuje. Aitken y Electra simulan cómo las vibraciones de las columnas del motor afectarían a la cápsula de la tripulación durante muchos escenarios.
Mehrotra y Lee promocionan la necesidad de seguir avanzando en la tecnología informática a exaescala. “No quiero que la gente piense que hemos llegado a la exaescala y que ahora podemos relajarnos; Nuestros científicos e ingenieros continúan innovando y surgirán nuevos problemas”, enfatiza Lee. “Como nación, debemos mantenernos a la vanguardia de la tecnología”.
La NASA ha ampliado continuamente sus capacidades de supercomputación desde que implementó las Pléyades en 2008. La agencia ahora mantiene seis supercomputadoras en su cartera. Estos incluyen Aitken, que eclipsó a las Pléyades, a menudo mejoradas, como la supercomputadora más poderosa de la NASA en 2022. En relación con el DOE, la NASA continuará mejorando su capacidad para abordar problemas complejos que requieren computación avanzada. “La era de la exaescala apenas comienza”, dice Lee.
