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Computa??o de alto desempenho (HPC, High Performance Computing) ¨¦ a capacidade de executar c¨¢lculos de maneira sincronizada em um grande n¨²mero de computadores em rede. A HPC permite a execu??o de c¨¢lculos grandes demais para computadores normais, agilizando as opera??es de grande porte. A HPC tamb¨¦m ¨¦ conhecida como supercomputa??o, e os computadores de alto desempenho s?o normalmente citados como supercomputadores.

A HPC ¨¦ importante principalmente por causa da velocidade sem precedentes com que os dados s?o gerados hoje. S¨® os dispositivos de IoT devem produzir . Uma ¨²nica f¨¢brica com dispositivos de IoT pode gerar centenas de terabytes de dados todos os dias. N?o ¨¦ poss¨ªvel processar um volume t?o grande de dados em um s¨® computador. A HPC, por sua vez, pode lidar com grandes conjuntos de dados dividindo opera??es entre v¨¢rios computadores com a ajuda de recursos de software e rede.

Vamos analisar melhor a import?ncia da HPC e como ela ¨¦ usada.

Por que a HPC ¨¦ importante?

A HPC possibilita a simula??o ou a an¨¢lise de volumes extremamente grandes de dados, o que seria imposs¨ªvel com computadores normais. Isso gera grandes avan?os em campos como pesquisa cient¨ªfica, em que o uso da HPC promoveu inova??es em diversos campos, desde tratamentos do c?ncer at¨¦ vacinas contra a COVID-19.?

Como a HPC funciona?

Um ¨²nico computador de alto desempenho ¨¦ composto de um grupo de computadores chamado de cluster. Cada computador em um cluster ¨¦ chamado de n¨®. Cada n¨® tem um sistema operacional composto de um processador com v¨¢rios n¨²cleos, armazenamento e recursos de rede que permitem aos n¨®s se comunicarem entre si. Um cluster pequeno, por exemplo, pode ter 16 n¨®s com 64 n¨²cleos (ou quatro n¨²cleos por processador) que, combinados com recursos de rede, permitem que o computador de alto desempenho fa?a c¨¢lculos com muito mais velocidade que um computador normal.?

Onde a HPC ¨¦ usada?

Atualmente, a HPC ¨¦ usada em diversos setores. No futuro, provavelmente quase todos os setores recorrer?o ¨¤ HPC para lidar com grandes volumes de dados. A ado??o da HPC tem sido especialmente ampla em setores que precisa analisar rapidamente grandes conjuntos de dados, incluindo:?

• pesquisa cient¨ªfica;
• astronomia;
• aprendizado de m¨¢quina;
• ciberseguran?a;
• sequenciamento do genoma;?
• anima??o;
• din?mica molecular;
• efeitos visuais;
• servi?os financeiros;
• modelagem de riscos financeiros;
• an¨¢lise de dados de mercado;
• desenvolvimento de produtos;
• design greenfield;
• qu¨ªmica computacional;
• imagiologia s¨ªsmica;
• previs?o do tempo;
• dire??o aut?noma.

Quais fatores viabilizam a HPC?

H¨¢ quatro fatores principais que favorecem o uso da HPC:

Capacidade de processamento

Em poucas palavras, a largura de banda necess¨¢ria para processar grandes volumes de dados n?o pode ser disponibilizada por um ¨²nico processador. Em vez disso, em um modelo de HPC, v¨¢rios centros de processamento funcionam em paralelo para entregar resultados. Vamos usar o seguinte modelo para retomar:

• O conjunto de computadores individuais ligados em rede ¨¦ chamado de cluster;
• Cada unidade de processamento individual em um cluster ¨¦ chamada de n¨®;
• Cada processador em um n¨® tem v¨¢rios n¨²cleos.?

O exemplo ¨¦ um cluster com 16 n¨®s, cada um com quatro n¨²cleos: trata-se um cluster muito pequeno, representando um total de 64 n¨²cleos operando em paralelo.

A maioria dos casos de uso de HPC envolve milhares de n¨²cleos funcionando em paralelo para realizar processos espec¨ªficos em menos tempo. Os provedores de infraestrutura como servi?o (IaaS, Infrastructure-as-a-Service) permitem que os usu¨¢rios usem grandes quantidades de n¨®s quando necess¨¢rio e reduzam a intensidade da carga de trabalho depois da conclus?o da tarefa. Os usu¨¢rios pagam apenas pela capacidade de processamento necess¨¢ria, sem os custos de despesas de capital (CAPEX, Capital Expenditure) associados ¨¤ instala??o de uma infraestrutura. Com a IaaS, normalmente os usu¨¢rios tamb¨¦m podem atribuir layouts de n¨®s a aplicativos espec¨ªficos, se necess¨¢rio.

Sistema operacional

Sistemas operacionais agem como uma interface entre o hardware e o software usados na HPC. Os dois sistemas operacionais principais usados em ambientes de HPC s?o o Linux e o Windows. O Linux ¨¦ normalmente usado para HPC. J¨¢ o Windows ¨¦ usado apenas quando aplicativos espec¨ªficos do Windows s?o necess¨¢rios.?

Rede

Na HPC, a rede conecta o hardware de computa??o, o armazenamento necess¨¢rio e o usu¨¢rio. O hardware de computa??o ¨¦ conectado por meio de redes que conseguem lidar com uma grande largura de banda de dados. As redes tamb¨¦m devem ter baixa lat¨ºncia para possibilitar transfer¨ºncias de dados r¨¢pidas. As transmiss?es de dados e o gerenciamento de clusters s?o administrados por gerenciadores de clusters, servi?os de gerenciamento ou agendadores.

O gerenciador de cluster executa a carga de trabalho entre os recursos computacionais distribu¨ªdos, como CPUs, FPGAs, GPUs e unidades de disco. Todos os recursos precisam estar conectados ¨¤ mesma rede para que o gerenciador de clusters possa administrar recursos. Ao usar os servi?os de um provedor de IaaS, todos os recursos necess¨¢rios para gerenciar a infraestrutura ser?o aplicados automaticamente pelo provedor.

Armazenamento

Por fim, os dados a serem processados pela HPC precisam ser armazenados em um grande reposit¨®rio. Como os dados podem vir em diferentes formatos (estruturados, semiestruturados e n?o estruturados), podem ser necess¨¢rios diferentes tipos de bancos de dados para armazen¨¢-los.

Os dados em seus formatos brutos s?o armazenados em um data lake. Pode ser dif¨ªcil processar esses dados, pois eles ainda n?o t¨ºm um prop¨®sito associado. Os?data warehouses?armazenam os dados depois do processamento, assim que s?o limpos para atenderem ao seu prop¨®sito espec¨ªfico.?

Armazenamento: o elo perdido da HPC

Em muitos casos de uso de HPC, o armazenamento ¡ª uma pe?a essencial da arquitetura ¡ª costuma ser negligenciado. A HPC ¨¦ usada quando uma grande quantidade de dados precisa ser processada em paralelo, mas seu desempenho depende da capacidade de todos os componentes na arquitetura estarem ¨¤ altura da tarefa.?

Solu??es de armazenamento legadas e tradicionais podem n?o conseguir lidar com as necessidades da HPC, criando gargalos e dificultando o desempenho. O armazenamento de dados precisa acompanhar a velocidade de processamento de todo o conjunto, e ¨¦ por isso que muitas arquiteturas de HPC usam armazenamento?.

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