Proporciona recursos informáticos para varios proyectos de la NASA.
La División de Supercomputación Avanzada (NAS) de la NASA está ubicada en el Centro de Investigación Ames de la NASA , Moffett Field en el corazón de Silicon Valley en Mountain View , California . Ha sido el principal recurso de supercomputación, modelado y simulación para las misiones de la NASA en aerodinámica, exploración espacial, estudios de patrones climáticos y corrientes oceánicas, y diseño y desarrollo de transbordadores y aviones espaciales durante casi cuarenta años.
La instalación alberga actualmente las supercomputadoras Pleiades , Aitken y Electra a petaescala , así como la supercomputadora Endeavour a teraescala . Los sistemas se basan en arquitectura SGI y HPE con procesadores Intel . El edificio principal también alberga sistemas de almacenamiento en disco y cintas de archivo con una capacidad de más de un exabyte de datos, el sistema de visualización Hyperwall y una de las estructuras de red InfiniBand más grandes del mundo. [4] La División NAS es parte de la Dirección de Tecnología de Exploración de la NASA y opera el Proyecto de Capacidad de Computación de Alta Gama (HECC) de la NASA. [5]
Historia
Establecimiento
A mediados de la década de 1970, un grupo de ingenieros aeroespaciales del Centro de Investigación Ames comenzó a estudiar la posibilidad de transferir la investigación y el desarrollo aeroespaciales de las costosas y lentas pruebas en túneles de viento al diseño y la ingeniería basados en simulación utilizando modelos de dinámica de fluidos computacional (CFD) en supercomputadoras. más potentes que los disponibles comercialmente en ese momento. Este esfuerzo se denominó más tarde Proyecto Simulador Aerodinámico Numérico (NAS) y la primera computadora se instaló en la Instalación de Computación Central del Centro de Investigación Ames en 1984.
El 14 de marzo de 1985 se inició la construcción de una instalación de supercomputación de última generación con el fin de construir un edificio donde expertos en CFD, informáticos, especialistas en visualización e ingenieros de redes y almacenamiento pudieran estar bajo un mismo techo en un entorno colaborativo. En 1986, la NAS pasó a ser una división de la NASA de pleno derecho y en 1987, el personal y el equipo de la NAS, incluida una segunda supercomputadora, una Cray-2 llamada Navier, se trasladaron a las nuevas instalaciones, que se inauguraron el 9 de marzo de 1987 . 6]
En 1995, NAS cambió su nombre por el de División de Simulación Aeroespacial Numérica, y en 2001 por el nombre que tiene hoy.
Innovaciones líderes en la industria
NAS ha sido uno de los principales innovadores en el mundo de la supercomputación, desarrollando muchas herramientas y procesos que se utilizaron ampliamente en la supercomputación comercial. Algunas de estas primicias incluyen: [7]
Se instaló la primera supercomputadora basada en UNIX de Cray [8]
Implementó un modelo cliente/servidor que vincula las supercomputadoras y las estaciones de trabajo para distribuir la computación y la visualización.
Desarrolló conjuntamente el primer método de la NASA para la distribución dinámica de cargas de producción entre recursos de supercomputación en ubicaciones geográficamente distantes (NASA Metacenter).
Implementación de redes TCP/IP en un entorno de supercomputación.
Una imagen del campo de flujo alrededor del vehículo de lanzamiento del transbordador espacial que viaja a Mach 2,46 y a una altitud de 66.000 pies (20.000 m). La superficie del vehículo está coloreada por el coeficiente de presión y los contornos grises representan la densidad del aire circundante, calculada utilizando el código OVERFLOW.
Desarrollo de software
NAS desarrolla y adapta software para "complementar y mejorar el trabajo realizado en sus supercomputadoras, incluido software para soporte de sistemas, sistemas de monitoreo, seguridad y visualización científica" y, a menudo, proporciona este software a sus usuarios a través del Acuerdo de código abierto de la NASA ( NOSA). [9]
Algunos de los desarrollos de software importantes de NAS incluyen:
Los NAS Parallel Benchmarks (NPB) se desarrollaron para evaluar supercomputadoras altamente paralelas e imitar las características de aplicaciones CFD a gran escala.
Portable Batch System (PBS) fue el primer software de colas por lotes para sistemas paralelos y distribuidos. Fue lanzado comercialmente en 1998 y todavía se utiliza ampliamente en la industria.
PLOT3D se creó en 1982 y es un programa de gráficos por computadora que todavía se utiliza hoy en día para visualizar las cuadrículas y soluciones de conjuntos de datos CFD estructurados. El equipo de PLOT3D recibió el cuarto premio más grande jamás otorgado por el Programa de Ley Espacial de la NASA por el desarrollo de su software, que revolucionó la visualización científica y el análisis de soluciones CFD en 3D. [6]
FAST (Flow Analysis Software Toolkit) es un entorno de software basado en PLOT3D y se utiliza para analizar datos de simulaciones numéricas que, aunque están adaptados a la visualización CFD, se pueden utilizar para visualizar casi cualquier dato escalar y vectorial . Fue galardonado con el Premio al Software del Año de la NASA en 1995. [10]
INS2D e INS3D son códigos desarrollados por ingenieros de NAS para resolver ecuaciones incompresibles de Navier-Stokes en coordenadas generalizadas bidimensionales y tridimensionales, respectivamente, para flujo en estado estacionario y variable en el tiempo. En 1994, INS3D ganó el premio al Software del Año de la NASA. [6]
Cart3D es un paquete de análisis de alta fidelidad para diseño aerodinámico que permite a los usuarios realizar simulaciones CFD automatizadas en formas complejas. Todavía se utiliza en la NASA y otras agencias gubernamentales para probar diseños conceptuales y preliminares de aviones y naves espaciales. [11] El equipo Cart3D ganó el premio al Software del Año de la NASA en 2002.
OVERFLOW (solucionador de flujo de rejilla overset) es un paquete de software desarrollado para simular el flujo de fluido alrededor de cuerpos sólidos utilizando ecuaciones CFD de Navier-Stokes promediadas por Reynolds. Fue el primer código CFD de propósito general de la NASA para sistemas de cuadrícula desbordados (Chimera) y se lanzó fuera de la NASA en 1992.
Chimera Grid Tools (CGT) es un paquete de software que contiene una variedad de herramientas para el enfoque de cuadrícula desbordada de Chimera para resolver problemas CFD de generación de cuadrículas de superficie y volumen; así como manipulación, suavizado y proyección de cuadrículas.
HiMAP Un proceso de análisis multidisciplinario (fluidos, estructuras, controles) paralelo de alta fidelidad de tres niveles (intra/interdisciplina, multicaso), [12] [13]
Historia de la supercomputación
Desde su construcción en 1987, la Instalación de Supercomputación Avanzada de la NASA ha albergado y operado algunas de las supercomputadoras más poderosas del mundo. Muchas de estas computadoras incluyen sistemas de banco de pruebas creados para probar nuevas arquitecturas, hardware o configuraciones de redes que podrían utilizarse a mayor escala. [6] [8] El rendimiento máximo se muestra en operaciones de coma flotante por segundo (FLOPS) .
La instalación NAS actualmente alberga almacenamiento masivo en disco en un clúster DMF paralelo de SGI con software de alta disponibilidad que consta de cuatro sistemas frontales de 32 procesadores, que están conectados a las supercomputadoras y al sistema de almacenamiento en cinta de archivo. El sistema tiene 192 GB de memoria por interfaz [34] y 7,6 petabytes (PB) de caché en disco. [4] Los datos almacenados en disco se migran periódicamente a los sistemas de almacenamiento de archivos en cinta de la instalación para liberar espacio para otros proyectos de usuarios que se ejecutan en las supercomputadoras.
Sistemas de archivo y almacenamiento
En 1987, NAS desarrolló el primer sistema de almacenamiento masivo jerárquico basado en UNIX, llamado NAStore. Contenía dos robots de cinta de cartucho StorageTek 4400, cada uno con una capacidad de almacenamiento de aproximadamente 1,1 terabytes, lo que redujo el tiempo de recuperación de la cinta de 4 minutos a 15 segundos. [6]
Con la instalación de la supercomputadora Pleiades en 2008, los sistemas StorageTek que NAS había estado utilizando durante 20 años no pudieron satisfacer las necesidades de la mayor cantidad de usuarios y los tamaños de archivos cada vez mayores de los conjuntos de datos de cada proyecto . [35] En 2009, NAS incorporó sistemas de cinta robótica Spectra Logic T950 que aumentaron la capacidad máxima en las instalaciones a 16 petabytes de espacio disponible para que los usuarios archiven sus datos desde las supercomputadoras. [36] A partir de marzo de 2019, la instalación NAS aumentó la capacidad total de almacenamiento de archivos de las bibliotecas de cintas Spectra Logic a 1.048 petabytes (o 1 exabyte) con una compresión del 35%. [34] La Instalación de migración de datos (DMF) de SGI y OpenVault administran la migración de datos de disco a cinta y la desmigración de cinta a disco para la instalación NAS.
En marzo de 2019, hay más de 110 petabytes de datos únicos almacenados en el sistema de almacenamiento de archivos NAS. [34]
Sistemas de visualización de datos
En 1984, NAS compró 25 terminales gráficos SGI IRIS 1000, el comienzo de su larga asociación con la empresa con sede en Silicon Valley, que tuvo un impacto significativo en el posprocesamiento y la visualización de los resultados CFD ejecutados en las supercomputadoras de la instalación. [6] La visualización se convirtió en un proceso clave en el análisis de los datos de simulación ejecutados en las supercomputadoras, lo que permitió a ingenieros y científicos ver sus resultados espacialmente y de maneras que permitieron una mayor comprensión de las fuerzas CFD que actúan en sus diseños.
El sistema de visualización Hyperwall en las instalaciones de la NAS permite a los investigadores ver múltiples simulaciones ejecutadas en las supercomputadoras, o una sola imagen o animación de gran tamaño.
La hiperpared
En 2002, los expertos en visualización de la NAS desarrollaron un sistema de visualización llamado "hyperwall" que incluía 49 paneles LCD conectados que permitían a los científicos ver conjuntos de datos complejos en una gran y dinámica matriz de pantallas de siete por siete. Cada pantalla tenía su propia potencia de procesamiento, lo que le permitía mostrar, procesar y compartir conjuntos de datos para que una sola imagen pudiera mostrarse en todas las pantallas o configurarse para que los datos pudieran mostrarse en "celdas" como una hoja de cálculo visual gigante. [37]
La segunda generación "hyperwall-2" fue desarrollada en 2008 por NAS en asociación con Colfax International y se compone de 128 pantallas LCD dispuestas en una cuadrícula de 8x16 de 23 pies de ancho por 10 pies de alto. Es capaz de renderizar un cuarto de billón de píxeles , lo que lo convierte en el sistema de visualización científica de mayor resolución del mundo. [38] Contiene 128 nodos, cada uno con dos procesadores AMD Opteron ( Barcelona ) de cuatro núcleos y una unidad de procesamiento de gráficos (GPU) Nvidia GeForce 480 GTX para una potencia de procesamiento máxima dedicada de 128 teraflops en todo el sistema: 100 veces más potente. que el hipermuro original. [39] El Hyperwall-2 está conectado directamente al sistema de archivos de la supercomputadora Pleiades a través de una red InfiniBand, lo que permite al sistema leer datos directamente desde el sistema de archivos sin necesidad de copiar archivos en la memoria del Hyperwall-2.
En 2014, el hipermuro se actualizó con nuevo hardware: 256 procesadores Intel Xeon "Ivy Bridge" y 128 GPU NVIDIA Geforce 780 Ti. La actualización aumentó la potencia máxima de procesamiento del sistema de 9 teraflops a 57 teraflops y ahora tiene casi 400 gigabytes de memoria gráfica. [40]
En 2020, el hipermuro se actualizó aún más con nuevo hardware: 256 procesadores Intel Xeon Platinum 8268 (Cascade Lake) y 128 GPU NVIDIA Quadro RTX 6000 con un total de 3,1 terabytes de memoria gráfica. La actualización aumentó la potencia máxima de procesamiento del sistema de 57 teraflops a 512 teraflops. [41]
Visualización concurrente
Una característica importante de la tecnología Hyperwall desarrollada en la NAS es que permite la "visualización simultánea" de datos, lo que permite a científicos e ingenieros analizar e interpretar datos mientras se ejecutan los cálculos en las supercomputadoras. Esto no solo muestra el estado actual del cálculo para el monitoreo, dirección y terminación del tiempo de ejecución, sino que también "permite una visualización de resolución temporal más alta en comparación con el posprocesamiento porque los requisitos de espacio de almacenamiento y E/S se obvian en gran medida... [y ] puede mostrar características en una simulación que de otro modo no serían visibles". [42]
El equipo de visualización de la NAS desarrolló un canal concurrente configurable para su uso con un modelo de pronóstico masivamente paralelo ejecutado en la supercomputadora Columbia en 2005 para ayudar a predecir la temporada de huracanes en el Atlántico para el Centro Nacional de Huracanes . Debido a los plazos para presentar cada uno de los pronósticos, era importante que el proceso de visualización no impidiera significativamente la simulación ni la hiciera fallar.
Referencias
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^ "Página de inicio de la supercomputadora Electra". NAS.
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enlaces externos
Recursos de supercomputación avanzada de la NASA
Página de inicio de la División de Supercomputación Avanzada (NAS) de la NASA
Página de inicio del entorno informático NAS
Página de inicio del superordenador NAS Pleiades
Página de inicio del superordenador NAS Aitken
Página de inicio del superordenador NAS Electra
Página de inicio de sistemas de almacenamiento y archivo NAS
Página de inicio de Hyperwall-2 de NAS
Otros recursos en línea
Sitio web oficial de la NASA
Página de inicio del Programa de Computación de Alta Gama de la NASA
Página de inicio del Proyecto de Capacidad de Computación de Alta Gama de la NASA
