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.