Los aceleradores programables aumentan la velocidad de los superordenadores
Muchos servicios industriales y de consumo de última generación, como la aeronáutica, el diseño de automóviles y los modelos climáticos, dependen de las aplicaciones emergentes de informática de alto rendimiento (HPC, por sus siglas en inglés). Para satisfacer la creciente demanda de estos servicios es necesario ofrecer ordenadores más potentes a precios más bajos. Para algunas aplicaciones de HPC, las matrices de puertas programables «in situ» (FPGA, por sus siglas en inglés) son una solución prometedora. Estos aceleradores pueden programarse después de la fabricación para adaptarse a aplicaciones a medida. Las FPGA pueden superar con creces a procesadores de la competencia, como unidades centrales de procesamiento (CPU, por sus siglas en inglés) o las unidades de procesamiento gráfico (GPU, por sus siglas en inglés), lo que les confiere importantes ventajas para las aplicaciones de HPC. «Las FPGA destacan en cálculos paralelos y especializados», explica Iakovos Mavroidis, investigador de la Universidad Técnica de Creta y coordinador del proyecto OPTIMA. «Son especialmente eficaces para tareas paralelas, irregulares o de baja latencia en HPC, como algoritmos criptográficos, procesamiento de señales y simulaciones científicas», afirma. En el proyecto OPTIMA, Mavroidis y sus colegas utilizaron sistemas de HPC que integraban FPGA para desarrollar una serie de bibliotecas de código abierto y aplicaciones industriales, como modelos de flujo de fluidos, con una eficiencia energética considerablemente mayor. «Desarrollar casos de uso en infraestructuras basadas en FPGA OPTIMA fue todo un reto, ya que tuvimos que equilibrar la flexibilidad y gestionar los recursos de forma eficaz para garantizar un buen rendimiento sin sobrecargar el “hardware” —añade Mavroidis. Sin embargo, la planificación cuidadosa, las pruebas exhaustivas y el trabajo en equipo entre los equipos de diseño de FPGA, “hardware” y “software” nos ayudaron a afrontar estos retos».
Integración de aceleradores basados en FPGA
El equipo OPTIMA —un consorcio de socios de toda Europa— empezó por conocer los requisitos de las aplicaciones industriales y determinar las características necesarias para las eventuales bibliotecas de código abierto OPTIMA. A continuación, los investigadores desplegaron dos plataformas de «hardware»: una que interconectaba cuatro aceleradores basados en FPGA y la otra basada en motores de flujo de datos de Maxeler y el modelo de programación. A continuación, el equipo empezó a programar en las plataformas basadas en FPGA, probando en detalle cada aspecto y añadiendo continuamente optimizaciones al sistema para hacerlo más eficiente. Los investigadores documentaron sus acciones y compartieron su trabajo con la comunidad de código abierto.
Demostración de prototipos
El equipo de OPTIMA desarrolló cuatro aplicaciones de HPC en dos prototipos de aceleradores basados en FPGA. Estas aplicaciones incluyen herramientas para análisis del subsuelo, potentes herramientas de simulación «MESHFREE» y simulaciones robóticas basadas en inteligencia artificial (IA), todas ellas aplicaciones que manejan enormes cantidades de datos y tareas complejas. Además, en el proyecto se creó una biblioteca de código abierto sobre FPGA. Consta de treinta y un componentes de «hardware» que son aptos para operaciones algebraicas lineales fundamentales y métodos de resolución de problemas de ingeniería asistida por ordenador, cruciales para las aplicaciones de aprendizaje artificial y automático. «El equipo de OPTIMA demostró cómo el uso de tecnologías basadas en FPGA puede mejorar los sistemas de HPC para la industria», afirma Mavroidis. Dado que la biblioteca se ha puesto a disposición de todo el mundo, los desarrolladores pueden trasladar fácilmente las aplicaciones y el código heredado a sistemas de HPC compatibles con FPGA. El proyecto se llevó a cabo con el apoyo de la Empresa Común de Informática de Alto Rendimiento Europea (EC EuroHPC), una iniciativa creada para desarrollar un ecosistema de supercomputación de categoría mundial en Europa. «El proyecto OPTIMA apoya el objetivo de la EC EuroHPC de convertir a Europa en líder en HPC, y es un gran ejemplo de proyecto de la EC EuroHPC impulsado por pequeñas empresas», señala Mavroidis.
Aceleración empresarial
El equipo espera que la biblioteca de código abierto OPTIMA siga creciendo y se convierta en un valioso recurso para los desarrolladores de «software» que deseen optimizar sus aplicaciones para plataformas de HPC compatibles con FPGA. La experiencia adquirida en la adaptación de aplicaciones a las plataformas OPTIMA está siendo aplicada por las pymes socias. Esto incluye el desarrollo de nuevas aplicaciones para sistemas avanzados en la nube, aceleradores de IA, GPU y otros diseños de chips.
Palabras clave
OPTIMA, EC EuroHPC, aceleradores basados en FPGA, prototipos, HPC, industria, empresa, «hardware», optimización, superordenador
