A Supercomputação em Coimbra

O meio académico é o maior utilizador da Supercomputação em Portugal. Em Coimbra, tem sido feito um investimento nesta tecnologia desde 1998, o que abriu inúmeras possibilidades às universidades portuguesas. Com destaque na UC, este artigo mostra a evolução da aposta feita na supercomputação e os avanços científicos conseguidos com esta ferramenta.

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1998-2006: O COMEÇO – CLUSTER CENTOPEIA

O uso de computação para fins científicos tem, na Universidade de Coimbra, uma longa história, não muito diferente da das principais Universidades portuguesas. O uso de meios de computação mais avançados, envolvendo de uma forma sistemática a computação paralela (que poderemos genericamente chamar de supercomputação) teve o seu começo em Setembro de 1998 na instalação no Centro de Física Computacional de um dos primeiros clusters de estações de trabalho em Portugal, seguindo o paradigma  “Beowulf”, surgido por essa altura.

 

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Dois anos mais tarde foram acrescentadas mais 13 estações de trabalho Compaq XP1000 baseadas em processadores Alpha ([email protected] MHz) cada uma com 1 GB RAM e 9,1 GB de disco. Um teste LINPACK com N=10.000 (matriz 10.000×10.000) a 12 destas estações de trabalho mediu um desempenho de 4,2 GFlop/s.

Por esta altura tinha-se começado a disponibilizar este cluster a utilizadores fora da Universidade de Coimbra. A pressão crescente sobre a infraestrutura elétrica e de ar condicionado devido à expansão do cluster, a que entretanto se acrescentaram 12 computadores com processadores Intel Pentium [email protected],2 GHz, levou a que a Reitoria da UC e FCTUC (Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra) investissem em novas instalações na sub-cave do Departamento de Física da UC, que incluíam uma sala técnica com chão falso, infraestrutura elétrica com capacidade para algumas dezenas de KVA e de ar condicionado mais potente. Estas instalações, designadas por Laboratório de Computação Avançada da Universidade de Coimbra (UC-LCA) foram inauguradas pelo Ministro da Ciência e Tecnologia em Janeiro de 2002.

A este cluster, foram mais tarde e num processo contínuo até 2005, acrescentados mais computadores com processadores Intel Pentium IV, 24 x 2.4 GHz, 60 x 2.8 GHz, 12 x 3.0 GHz, perfazendo no final 108 computadores, tendo entretanto sido descontinuadas as estações de trabalho com processadores Alpha. Nesta altura, o sistema tinha evoluído para um cluster bastante mais organizado, com um nó de entrada, login por ssh com chave privada/pública, um servidor dedicado de I/O com disco de 250 GB, partilhado por NFS. A interligação continuava a ser de 100 Mbit/s, embora através de switch de “core” Nortel Passport 8310 (320 Gbps backplane) com 120 portas UTP e 8 de fibra óptica. O ambiente de software que incluía o sistema de gestão de recursos era o Torque/OpenPBS (tendo-se previamente usado o PBS Pro), compiladores Intel e bibliotecas MPI.

O universo de utilizadores e aplicações continua a alargar-se, incluindo agora investigadores de Braga, Porto, Aveiro e Lisboa, e várias aplicações, sobretudo de Física e Química. Um teste HPL (High Performance Linpack) a 64 dos computadores mais rápidos deu o resultado de 123 GFlop/s. Desenvolveu-se um site com informações para os utilizadores da “Centopeia”.

 

2006-2014: MILIPEIA

Aproveitando o concurso para re-equipamento lançado em 2002, surgiu uma candidatura interdisciplinar da Universidade de Coimbra com o título “Simulação e otimização de sistemas complexos – Computação avançada em investigação fundamental e aplicada”, cujo principal objetivo era a aquisição de um novo cluster.

A este cluster deu-se o nome de Milipeia e pode dizer-se que marcou uma nova época na supercomputação em Portugal, pela sua ampla divulgação e utilização por investigadores portugueses.

 

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Em Setembro de 2007 lançou-se, pela primeira vez em Portugal, o primeiro concurso para horas de CPU, seguindo a prática corrente internacional. Ao longo da sua vida, um pouco mais de 7 anos, realizaram-se 7 concursos para horas de CPU para o cluster Milipeia, sendo no total aceites mais de 220 projetos científicos, cujos responsáveis vieram de 8 Universidades portuguesas, de dois laboratórios associados e de um laboratório de estado.

Foram usadas mais 20 milhões de horas de CPU, até finais de Novembro de 2014, em áreas científicas tão diversas como a física da matéria condensada, a biologia computacional, a espetroscopia molecular, a estrutura eletrónica de materiais (aplicação em química), a matemática aplicada, a astrofísica, a física de altas energias, a engenharia química, a física nuclear e ainda simulações para imagiologia médica.

 

FORMAÇÃO E INTERNACIONALIZAÇÃO

Ao longo destes anos o Centro de Física computacional e o LCA organizaram ou co-organizaram vários encontros, quer para formação de utilizadores no uso do sistema, “users day”, quer pequenos cursos sobre computação paralela, dos quais se destacam o “TACC Summer Supercomputing Institute” em Julho de 2008, TACC Summer School” e o Workshop on GPU programming for Scientific applications”, em Julho de 2011, ambos no âmbito do programa de cooperação Portugal|Austin, o curso de UPC no âmbito do PRACE (ver mais aqui ).

O cluster Centaurus, adquirido em 2010, neste momento com 186 cores (23 nós de computação com 2x Intel [email protected] GHz, 7 GPUs NVIDIA Tesla FERMI C2050) e rede de Infiniband DDR, tem servido para apoio de curso de computação paralela na Universidade de Coimbra, bem como de outros cursos organizados.

Em 2007 a Universidade de Coimbra assinou um memorando de entendimento em Berlim, na Alemanha, cidade que viria a ser a base da futura infraestrutura europeia de computação avançada PRACE (PaRtnership for Advanced Computing in Europe), na qual a Universidade de Coimbra tem representado Portugal, tendo como parceiros o Instituto Superior Técnico e a Universidade de Évora.

 

O FUTURO

A Universidade de Coimbra está atualmente a instalar um novo supercomputador. Os primeiros testes indicam um desempenho em HPL superior a 72 TFlop/s, sendo portanto mais de 45 vezes mais rápido do que o cluster Milipeia.

 

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Este computador será a base da infraestrutura UC-LCA de computação avançada aprovada recentemente pela Fundação de Ciência e Tecnologia, e, esperamos bem, marcará um salto qualitativo no panorama da supercomputação em Portugal.

 

PROJETOS CIENTÍFICOS

Ao longo da vida dos clusters Centopeia e Milipeia, foram, como já foi referido, muitos os projetos científicos realizados, que se traduziram em mais de 120 publicações científicas até finais de 2013. Dos projetos realizados, podemos destacar os seguintes, segundo áreas científicas:

 

Biociências (incluindo imagiologia médica)

– Neutron and Proton Radiobiology at ICNAS
– MD simulations of proteins: towards a better understanding of amyloid diseases
– Modelation of Angiogenesis (Modelling cytotoxicity of Pt(II) and Pd(II) agents – Interplay with DNA)
– Radiation Therapy Monitoring with a Dedicated Prompt-Gamma-Camera
– Kinetic formation of proteins
– Data mining for biomarker search in neurodegenerative disorders

Ciências de materiais

– Ab-initio parallel calculations of quantum confinement on silicon nanocrystals
– Estrutura eletrónica de polímeros e complexos de iões metálicos trivalentes
– Structure and polymorphism in flexible molecules with pharmaceutical interest
– Spin-orbit effects in the optical response of small clusters
– Hydrogen and defect complexes in oxides and semiconductors
– Bio-luminescence in fireflies)
– Computação Avançada em Espectroscopia Molecular

Física Nuclear, Física de Altas Energias, Física da Atmosfera

– Lattice QCD
– EUROTRANS (EUROpean Research Programme for the TRANSmutation of High Level Nuclear Waste in an Accelerator Driven System)
– Equation of State of Stellar matter in supernova cores and neutron stars
– Física em LHC
– Large-scale parallel Monte Carlo simulations for Ocean Colour applications

Astrofísica e Cosmologia

– Impact of High Velocity Clouds with the Galactic Disk
– Dynamic Black Holes in generic space-times
– Neutron stars inner crust and core-collapse supernova: effects of temperature
– Novas Ferramentas para o Estudo de Supercordas
– Low temperature X-ray emission in the interstellar medium)

 Engenharia e Matemática aplicada

– Engenharia Química de Base Molecular
– Linear stability of convective hydromagnetic steady-states in a rotating layer
[email protected] – simulação da estrutura 3D do papel

 

 

Artigo desenvolvido em colaboração com:

Prof. Dr. Pedro Alberto

Com experiência no ensino em várias áreas (mecânica, eletromagnetismo, física computacional, relatividade restrita e geral, física estatística, física quântica, computação paralela e simulações computacionais para o ensino da física)

Esteve envolvido em vários projetos de computação avançada nacional e internacional (em particular, o PRACE) e é responsável para gestão de um supercomputador na Universidade de Coimbra

Especialidades: áreas de investigação: mecânica quântica relativista, hadrões, física computacional

 

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