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Cristina, la supercomputadora más potente de la Argentina*
El Comité de Redacción de Acta Bioquímica Clínica Latinoamericana ha seleccionado este artículo publicado en CIENCIA HOY - Volumen 20 Número 118 (agosto – septiembre 2010), para su difusión a través de FABA Informa

* Conicet informa

Cinco equipos de investigación nacionales trabajaron en conjunto para desarrollar la computadora más potente del país, recientemente instalada en la Universidad Nacional de Córdoba. Se trata de un cluster de computadoras quinientas veces más rápido que una PC, destinado a realizar investigaciones en nanociencia, nanotecnología, ciencia de materiales y biofísica. La veloz máquina permitirá simular la materia a escala atómica, analizar sus propiedades y realizar hasta cinco billones de cálculos por segundo.

El porqué de la computación paralela

Es un hecho ampliamente conocido que la resolución analítica de problemas físicos y químicos se puede llevar a cabo solamente para un número muy pequeño de problemas. Ejemplo de ello lo constituyen algunos sistemas muy sencillos de la mecánica cuántica o de la mecánica estadística como el problema, aparentemente simple, del comportamiento clásico de los tres cuerpos que no admite este tipo de soluciones. Por este motivo es que las computadoras se han constituido en un elemento auxiliar indispensable en todas las ramas de la ciencia, tanto para la solución aproximada de problemas como para la realización de verdaderos experimentos computacionales.
En este plano, y para la realización de cálculos que implican un gran volumen de operaciones, surge la idea de la computación paralela. Es una forma de computación en la que muchos cálculos se llevan a cabo en forma simultánea, operando sobre la idea de que problemas grandes se pueden dividir en otros más pequeños, que son resueltos simultáneamente (en paralelo). La paralelización del problema origina la computación de alto rendimiento (high-performance computing).
El interés por el cálculo en paralelo ha crecido debido a problemas físicos relacionados con la disipación de energía del procesador de la computadora. Si bien la mejora en el tiempo de cálculo se logra aumentando la frecuencia del procesador, la dependencia lineal de la potencia consumida con la frecuencia condujo a un límite, alrededor de 2004. De este modo, la computación paralela se vuelve un. paradigma dominante y comienza a ser cada vez más fuerte la tendencia a utilizar procesadores mediante un circuito integrado, con la incorporación de dos o más procesadores individuales (núcleos).

El nombre


El conglomerado (cluster) Cristina fue llamado así en honor a María Cristina Giordano, pionera de la electroquímica en la Universidad Nacional de Córdoba. Está compuesto por 560 núcleos de procesadores Intel Xeon 5420. Cada uno de estos núcleos es semejante al que usa una buena PC. La memoria RAM es de 1,1 terabites (1 terabite equivale a 1024 gigabites). Para dar una idea de esta capacidad, una buena PC tiene cuatro gigabites. Su capacidad de almacenamiento en disco duro es de 32 terabites (una PC promedio tiene unos 120 gigabites). La conexión entre los procesadores se realiza a través de un bus de comunicaciones de alta velocidad INFINIBAND de 72 puertos, que permite el procesamiento en paralelo.
Cristina fue financiada en el marco del Proyecto de Modernización de Equipamiento de Laboratorios de investigación (PME, Grandes Equipos), con un subsidio que la Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica otorgó a las cinco instituciones participantes para desarrollar un plan de trabajo conjunto en temas de simulación computacional, en ciencia de materiales, nanociencia, nanotecnología y biofísica.

Cómo se gestó la idea

El 18 de marzo de 2004 se realizó en la Secretaría de Ciencia, Tecnología e Innovación Productiva (SECY’T), perteneciente al Ministerio de Educación, Ciencia y Tecnología, el Primer taller sobre las Nanociencias1 y las Nanotecnologías (NYN) en la Argentina, donde se expuso el estado de estas en la Argentina, y fueron identificados los desafíos tecnológicos para el desarrollo de la ciencia y la tecnología en dichas áreas. A partir de esta reunión, se gestó la idea de conformar una red nacional que reuniera a los científicos que trabajaban en las áreas de NYN.
El 9 de noviembre de 2004, la Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica (ANPCYT) abrió la convocatoria 2004 para la presentación de proyectos en el marco del Programa de Áreas de Vacancia, entre las que se encuentra la nanotecnología. A partir de allí, se constituyeron cuatro redes de nanotecnología en la Argentina, entre ellas la Red Argentina de Nanociencia y Nanotecnología Molecular, Supramolecular e Interfaces. Esta red, coordinada por Roberto Salvarezza del INIFTA (CONICET-UNLP), reúne a investigadores de este instituto, la UN de Río Cuarto, la UN de Córdoba, el CNEA-Centro Atómico Constituyentes, el CNEA-Centro Atómico Balseiro, la UBA y la UN de San Luis. En esta red, que cuenta con varios nodos, se encuentra el Subproyecto Teoría y Simulación en la nanoescala, que coordina Ezequiel Leiva, investigador principal del INFIQC(CONICET-UNC).



Entre las actividades que organizó este subproyecto, se incluyó un curso de simulación realizado en junio de 2007 en la Universidad Nacional de Córdoba, donde los diferentes grupos de simulación participantes identificaron herramientas comunes (simulaciones de Monte Carlo, dinámica molecular, cálculos mecanocuánticos). A partir de allí tomó forma la idea de contar con un instrumento de cálculo que hiciera posible la computación, de alta performance y que pudiera ser compartido. Posteriormente se incorporarían a esta iniciativa otros grupos de la Argentina.

Quiénes toman parte y qué hacen


Junto al coordinador del proyecto, Ezequiel Leiva, trabajaron muy activamente para el ensamblado del conglomerado de computadoras los investigadores del Instituto de Investigaciones Físicoquímicas de Córdoba (INFIQC) (CONICET/UNC) Patricia Paredes Olivera, en la simulación de sistemas autoensamblados, y Cristián Sánchez, en la electrónica molecular. Otro grupo de la Universidad Nacional de Córdoba que participa en el proyecto es el que dirige Adriana Pierini en modelado de sistemas orgánicos e interacciones proteína-modulador. Intervienen además Darío Estrín, del INQUIMAE (CONICET-UBA), en el desarrollo de métodos QM-MM con aplicación a sistemas de interés biológico; Ezequiel Albano, del INIFTA (CONICET-UNLP) en sistemas magnéticos confinados, vidrios y reacciones heterogéneas en sistemas nanoestructurados, y Gustavo Appignanessi, del INQUISUR (CONICET-UNS) en dinámica molecular de sistemas vítreos y nanotubos de carbono.
La red comprende, entonces, cinco grupos y laboratorios de investigación y desarrollo, que agrupan a investigadores con amplia experiencia tanto en el modelado de una gran variedad de sistemas (superficies, interfaces, agregados nanoestructurados, materiales magnéticos, vidrios, reacciones en solución, modelado de proteínas y sistemas bioorgánicos, diseño asistido por computadoras y síntesis de compuestos de interés en química y química medicinal, entre otros) como en el uso de diversas técnicas de cálculo numérico, como simulaciones de dinámica molecular y estocástica, método de Monte Carlo, métodos ab initio de la química y física cuántica como DFT (Density Functional Theory) y métodos híbridos cuántico-clásicos, elementos finitos y otros.
En el plano material, este proyecto se estructura alrededor de un subsidio para modernización de equipamiento (programa PME de ANPCYT), denominado ¨Instalación, puesta en marcha y administración de un centro de computación paralela de alto rendimiento para la simulación de sistemas de interés en nanociencia, nanotecnología y ciencia de materiales¨.
Tiene como principal objetivo la instalación, en la región Centro del país, de un equipo para procesamiento computacional en paralelo, de alto rendimiento, y la conformación de una red de usuarios a nivel nacional. El objetivo específico es el uso racional e integrado de recursos y la consolidación de una red de expertos dedicada al cálculo y la simulación de sistemas estrechamente relacionados con la nanociencia, la nanotecnología, la ciencia de los materiales y las nanoestructuras bioorgánicas, todas líneas de investigación consideradas de interés prioritario en el Plan Nacional de Ciencia, Tecnología e Innovación Productiva. Se prevé no sólo aplicar herramientas computacionales disponibles, sino también desarrollar aquellas que sean necesarias para los fines específicos propuestos, lo que fortalecerá así las capacidades centrales de cada uno de los nodos integrantes de la red.
El desarrollo del proyecto será acompañado de cursos formativos en las diferentes técnicas computacionales aplicables con el equipo adquirido, lo cual logrará otro de 105 objetivos: la formación de recursos humanos en áreas relacionadas al proyecto, como lo es la ciencia computacional.

Computación de alta performance y nanociencia

El eje común de todos estos proyectos lo constituye la nanociencia y su posible aplicación tecnológica (nanotecnología). La investigación en nanociencia constituye un ámbito ideal para la aplicación de la simulación computacional, porque es precisamente en esta área donde se estudian sistemas constituidos por un número relativamente reducido de átomos y los modelos pueden representar muy fielmente la realidad.
En el pasado, cuando las herramientas computacionales eran más limitadas, el investigador que realizaba las simulaciones debía casi disculparse por emplear un número reducido de partículas y a menudo usar algún recurso artificial como condiciones periódicas de contorno (repetición del sistema en una o más dimensiones) para representar al sistema real. En los sistemas de dimensión nano, el estudio de un número reducido de partículas no es una aproximación y es precisamente esta característica lo que da lugar a las propiedades singulares de las estructuras.

Nanociencias1: Se entiende por nanociencia la rama de la actividad científica que se dedica a estudiar las propiedades y el comportamiento de la materia en la escala de 1 a l00 nanometros.

 

Cristina, la supercomputadora más potente de la Argentina




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