High Performance Computing: funzionamento delle soluzioni HPC

La tecnologia High Performance Computing viene utilizzata per elaborare grandi quantità di dati con operazioni di calcolo ad alte prestazioni, aggregate e parallele. I settori tipici di impiego sono l’economia, la scienza, le simulazioni e la business intelligence. Ma quanti e quali processi HPC esistono e come funzionano?

High Performance Computing, abbreviato in HPC, significa tradotto “calcolo a elevate prestazioni”. Come indica il nome non si tratta tanto di una tecnologia chiaramente definita con strumenti specifici ma piuttosto di processi che usano le prestazioni e le capacità di archiviazione di molteplici computer contemporaneamente. Non esistono dei criteri specifici per definire HPC, in quanto ciò che si intende per HPC varia col tempo e dipende dalle nuove tecnologie computazionali.

Generalmente possiamo dire che le soluzioni HPC trovano impiego laddove sono richieste operazioni di calcolo complesse che riguardano quantità di dati molto grandi o per l’analisi, il calcolo e la simulazione di sistemi e modelli.

I processi HPC possono essere utilizzati anche su singoli computer molto performanti. Molto più spesso però l’HPC prende la forma di nodi HPC che vanno a formare un supercomputer sotto forma di cluster HPC. I supercomputer sono in grado di eseguire parallelamente più calcoli ad alte prestazioni utilizzando diverse risorse aggregate. I primi supercomputer HPC sono stati sviluppati da Cray, partner di Intel. Oggigiorno i supercomputer sono estremamente più performanti poiché le architetture hardware e software sono collegate tramite nodi, combinando le relative prestazioni.

Se le quantità di dati da elaborare eccedono la capacità di calcolo di un comune computer allora diventano necessari gli ambienti HPC. Come forma di distributed computing, l’HPC utilizza la somma delle prestazioni dei computer collegati all’interno di un sistema, corrispondenti alle prestazioni aggregate degli ambienti hardware e software ma anche dei server.

I moderni cluster HPC e le architetture per i calcoli a elevate prestazioni si compongono delle CPU, delle memorie dati e della RAM, degli acceleratori e delle reti HPC (chiamate anche fabric). Applicazioni, analisi, calcoli e simulazioni di grande entità possono essere distribuite tra più processi paralleli grazie all’HPC. La ripartizione delle operazioni avviene tramite specifici software di calcolo.

Le applicazioni di High Performance Computing prevedono principalmente due approcci:

1. Scale up: le tecnologie HPC usano un’architettura complessa di hardware e software all’interno della quale le operazioni vengono suddivise tra le risorse disponibili. La suddivisione tra processi di calcolo paralleli avviene internamente a un sistema o software. Seppur elevato, con lo scale up il potenziale di calcolo ad alte prestazioni è limitato dai limiti stessi del sistema.
2. Scale out: nelle architetture di scale out i singoli computer, sistemi server e capacità di archiviazione sono collegati in nodi e cluster HPC utilizzando il clustering.

Dal punto di vista teorico i singoli computer concatenati in un sistema tramite lo scale up possono disporre dei requisiti sufficienti per l’HPC. Nella pratica, però, l’approccio scale up risulta poco efficiente per le grandi applicazioni. Il collegamento delle unità di calcolo e dei sistemi server accumula le capacità e scala le prestazioni necessarie secondo le esigenze. La composizione, la ripartizione o la separazione dei cluster HPC avviene solitamente tramite un singolo sistema server con unità di calcolo combinate o attraverso il cloud computing automatizzato dei provider HPC.

Contrariamente ai singoli sistemi locali o sovraregionali che eseguono le applicazioni HPC su un server, l’HPC per cloud computing offre chiaramente maggiori capacità e scalabilità. I provider di servizi HPC mettono a disposizione un ambiente IT composto da server e sistemi di calcolo che risponde alle esigenze concrete. L’accesso avviene in modo flessibile e veloce. Inoltre, i server cloud offerti dai provider di HPC sono scalabili quasi illimitatamente e garantiscono un’infrastruttura affidabile per i processi HPC.

Sebbene il modello on premises con sistemi singoli composti da uno o più server e da una complessa infrastruttura IT offra maggiore indipendenza, prevede però anche maggiori investimenti (in particolare per l’acquisto della tecnologia necessaria).

Così come la definizione di HPC è labile, lo stesso vale per gli scenari di impiego dell’HPC, che riguardano qualsiasi settore che necessiti di processi di calcolo complessi. L’HPC può essere usato in locale (on premises), su cloud e come modello ibrido. Tra gli ambiti più consueti dell’HPC si annoverano:

• Genomica: il sequenziamento del DNA, gli studi sull’evoluzione e le analisi sui farmaci
• Medicina: la ricerca sui medicinali, la produzione dei vaccini, la ricerca sulle terapie
• Industria: le simulazioni e i modelli, ad esempio l’intelligenza artificiale, l’apprendimento automatico, la guida automatizzata o l’ottimizzazione dei processi
• Viaggi spaziali o aerei: simulazioni aerodinamiche
• Finanza: nell’ambito della tecnologia finanziaria per l’esecuzione delle analisi di rischio, per l’individuazione delle truffe, per le analisi di business o per la creazione di modelli finanziari
• Intrattenimento: effetti speciali, animazioni, trasmissione dei file multimediali
• Meteorologia e climatologia: previsione del tempo, modelli climatici, previsioni sulle catastrofi
• Fisica delle particelle: i calcoli e le simulazioni di meccanica e fisica quantistica
• Chimica quantistica: i calcoli

Ormai da tempo l’HPC risulta essere uno strumento affidabile per la risoluzione di operazioni e problemi complessi, non soltanto in ambito scientifico. Col passare del tempo anche le imprese e le istituzioni di diversi settori possono trarre vantaggio dai processi di HPC performanti.

Tra i vantaggi dell’HPC rientrano:

• Risparmio sui costi: grazie all’HPC su cloud possono essere svolte le operazioni di lavoro più grandi e complesse anche delle imprese di dimensioni più piccole. L’acquisto di servizi HPC da provider specializzati assicura un controllo dei costi trasparente.
• Più prestazioni, maggiore velocità: le operazioni complesse e particolarmente intensive possono essere eseguite con migliori capacità di calcolo attraverso architetture HPC composte da più CPU, sistemi server e tecnologie quali la Remote Direct Memory Access, così come i calcoli eseguiti con maggiore velocità.
• Ottimizzazione dei processi: con modelli e simulazioni i test e gli esperimenti possono essere impostati in maniera più efficiente, i difetti o i malfunzionamenti (ad esempio in ambito industriale o tecnologico-finanziario) possono essere evitati e i processi ottimizzati grazie all’automatizzazione intelligente.
• Nuove conoscenze: nella ricerca l’HPC consente di valutare enormi quantità di dati e promuove le innovazioni, le previsioni e l’apprendimento di nuovo sapere.