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TechnoScope Supereroi del calcolo veloce Superby satw

computer Veloce, più veloce, il più veloce

I supercomputer sono un po’ come i supereroi, con i quali i computer convenzionali non possono competere così come non possono farlo i comuni mortali con Superman e compagnia. La potenza di calcolo dei supercomputer è pressoché inimmaginabile: «Frontier», allo stato attuale il più veloce computer ad alte prestazioni, esegue 1,1 trilioni di operazioni di calcolo al secondo. Un trilione corrisponde a un miliardo di miliardi, cioè 1 con 18 zeri.

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Che FLOP!

Data di scadenza

Il termine supercomputer venne coniato negli anni ’60. A quel tempo, il governo degli Stati Uniti era particolarmente interessato allo sviluppo di computer per la ricerca militare che fossero più potenti di qualsiasi altro sul mercato. Perfino i cosiddetti computer mainframe, il cui punto di forza è l’elaborazione affidabile di grandissime quantità di dati (motivo per cui le banche, ad esempio, si affidano a loro), non possono competere con loro in termini di potenza di calcolo.

Strade separate

In parole semplici, un supercomputer è composto da una serie di singoli computer connessi tra loro che formano un unico sistema. A differenza di un normalissimo computer con un solo processore principale (noto anche come unità di elaborazione centrale o CPU), un supercomputer è dotato di decine di migliaia di CPU. Formano nodi di calcolo che lavorano insieme per risolvere un problema. Lo sviluppo di un sistema di supercomputer ad alte prestazioni è complesso, costoso e richiede svariati anni. Anche la sua programmazione è diversa da quella di un computer «convenzionale» e richiede particolari competenze di programmazione.

La velocità di un supercomputer si misura in FLOPS (acronimo di «floating point operations per second», ossia operazioni in virgola mobile). I FLOPS indicano quanti calcoli il supercomputer può eseguire al secondo. E siccome i supercomputer diventano sempre più veloci: Cray-1, il primo supercomputer installato nel centro di ricerca statunitense di Los Alamos, nel 1976 ha raggiunto 160 megaFLOPS (160 milioni di operazioni di calcolo). Trent’anni dopo è già stata superata la soglia del teraFLOPS*, ossia un bilione (mille miliardi) di operazioni di calcolo al secondo. Nel 2008 si è raggiunto un petaFLOPS (un biliardo di operazioni di calcolo al secondo, ossia mille bilioni di operazioni di calcolo), mentre l’anno scorso «Frontier», un supercomputer negli USA, ha catapultato il mondo nell’era degli exaFLOPS. La corsa per aumentare ulteriormente la potenza di calcolo continua: perché chi ha i supercomputer più veloci è in testa nel campo della ricerca e dell’innovazione. E al momento lo sono Stati Uniti, Cina e Giappone.

I supercomputer hanno in media un ciclo di vita di circa quattro anni. Per un certo periodo di tempo possono ancora essere aggiornati. Ma a un certo punto non riescono più a tenere il passo con la potenza di calcolo delle nuove generazioni di supercomputer e vengono mandati in pensione. Come il Cray X-MP/28 del Politecnico federale di Zurigo (ETH Zurigo): considerato una meraviglia tecnologica negli anni Ottanta, oggi si è trasformato in una panca per gli studenti in un corridoio dell’università. È ormai inutilizzabile per la sua funzione originaria, dato che oggi qualsiasi smartphone ha una potenza di calcolo di oltre cento volte superiore.

Più della somma delle sue parti

Computer quantistici: il futuro della potenza di calcolo e della sicurezza.

Technoscope: I computer quantistici esistono già?

Un po’ di futuro quantististico Ci sono problemi che mettono in difficoltà anche i supercomputer più «Speedy Gonzales». Ma la prossima rivoluzione tecnologica è già dietro l’angolo: il computer quantistico. Il suo scopo è quello di utilizzare le leggi speciali del mondo subatomico, il mondo delle particelle più piccole. Queste leggi non hanno alcun senso nella nostra vita quotidiana. Per noi un oggetto o c’è o non c’è. Nel mondo dei quanti, invece, le particelle possono essere qui e contemporaneamente in molti altri luoghi oppure assumere caratteristiche opposte nello stesso momento. Come questo sia possibile va ben oltre la nostra immaginazione.

Il mondo dei computer «normali» è binario, vale a dire che è composto soltanto da zeri e uno. I nostri PC traducono tutte le informazioni in bit. Un bit può avere solo due valori: 1 (la corrente scorre) e 0 (la corrente non scorre). I computer quantistici invece funzionano con i qubit (bit quantistici), che – come le microparticelle – possono trovarsi contemporaneamente nello stato 1 e 0. E anche in un numero infinito di stati intermedi. Per questo motivo il computer quantistico può (in teoria) eseguire in contemporanea un numero enorme di fasi di calcolo, che i supercomputer dovrebbero eseguire uno dopo l’altro. Il fisico Rolf Allenspach, dell’istituto di ricerca IBM di Rüschlikon, spiega cosa significa:

Rolf Allenspach: Finora i computer quantistici sono presenti solo in maniera limitata nei laboratori di ricerca e sono ancora molto soggetti a errori. Ma quando effettivamente ci sarà un calcolatore quantistico che funziona bene, la maggior parte dei metodi di crittografia utilizzati oggi non sarà più sicura. Ecco perché la ricerca e anche gli eserciti sono così interessati ai calcolatori quantistici. Tuttavia, nel nostro laboratorio di ricerca IBM sono già stati sviluppati e standardizzati algoritmi di crittografia che un computer quantistico non riuscirebbe a decifrare.

«Il computer quantistico, invece, è in grado di esaminare tutte le possibilità in parallelo e quindi di trovare in pochi secondi ciò per cui i computer convenzionali hanno bisogno di migliaia di anni.»

Perché i computer quantistici potrebbero decifrare qualsiasi crittografia?

Le tecnologie di crittografia si basano sulla scomposizione di grandi numeri in numeri primi. Una procedura estremamente dispendiosa: un computer convenzionale – e anche un supercomputer! – impiega moltissimo tempo per calcolare tutte le varianti. Per contro, il computer quantistico è in grado di esaminare tutte le possibilità in parallelo e quindi di trovare in pochi secondi ciò per cui i computer convenzionali hanno bisogno di migliaia di anni. In realtà non è più veloce, ma affronta il problema in modo completamente diverso. E oltre a ciò, cosa è in grado di fare un computer quantistico?

Poiché funziona secondo le leggi dei quanti, sarà in grado di calcolare con molta più precisione le proprietà dei sistemi che provengono anch’essi dal nanocosmo, ad esempio strutture molecolari o reazioni chimiche complesse. Questo potrebbe accelerare la scoperta di nuovi medicamenti o lo sviluppo di nuovi materiali. Infine, esegue meglio compiti di ottimizzazione che prevedono molte variabili, vale a dire quando si tratta di trovare l’opzione migliore tra un gran numero di opzioni. Dunque, il computer quantistico è il prossimo supercomputer?

No, il computer quantistico non è un supercomputer e non lo sostituirà. I computer quantistici e i supercomputer si completeranno a vicenda e lavorando in tandem daranno il meglio di sé in termini di potenza di calcolo.

I supercomputer presto renderanno superflui noi esseri umani? Chilo (103), mega (10 6) e persino giga (109) sono unità di misura che ci risultano abbastanza familiari. Tera (1012), peta (1015), exa (1018), zetta (1021) e yotta (1024), invece, sono numeri talmente grandi che risultano difficili da immaginare. Il nuovo record di exaFLOPS è quindi certamente impressionante – in fin dei conti, i computer che utilizziamo tutti i giorni, di solito, hanno al massimo una potenza di calcolo dell’ordine dei gigaFLOPS, dunque sono ben un miliardo di volte meno performanti. Per spiegare a quanto ammonta un exaFLOPS possiamo fare un ulteriore paragone da capogiro: si stima che l’età della terra sia di circa 1018 secondi. Se qualcuno dal momento in cui è avvenuto il big bang avesse eseguito ogni secondo un calcolo avrebbe fatto un lavoro che un calcolatore exascale completerebbe in appena un secondo. Ma la velocità non è tutto. Esiste un computer estremamente efficiente dal punto di vista energetico, le cui prestazioni nessuna macchina, per quanto grande la sua velocità di calcolo, è riuscita finora a eguagliare: il nostro cervello.

Al suo interno ci sono un migliaio di cellule nervose collegate in spazi ridottissimi che formano una rete da molti considerata una delle strutture più complesse dell’universo. La ricerca non ha ancora del tutto capito come queste cellule elaborano e scambiano informazioni, apprendono, ricordano oppure si uniscono e specializzano, come percepiscono l’ambiente attraverso gli occhi, le mani e le orecchie. Ci sta lavorando, ma ad oggi non è ancora riuscita a ricreare completamente al computer il cervello umano. Per contro, sempre più applicazioni di intelligenza artificiale emulano l’apprendimento umano e sono di conseguenza in grado di elaborare autonomamente determinati problemi.

La sfera di cristallo della scienza

I supercomputer possono quindi eseguire calcoli molto veloci su ingenti quantità di dati. La loro gigantesca potenza di calcolo può contribuire a risolvere le principali sfide scientifiche con cui è confrontato il nostro mondo. Lì dove la teoria raggiunge i propri limiti o gli esperimenti non sono possibili, i supercomputer calcolano potenziali scenari e varianti partendo da un numero enorme di dati. Aiutano a rispondere a domande quali, ad esempio: che cosa succederebbe se...? Qual’è l’effetto di questa o quella variante? Quanto è probabile che un determinato processo si sviluppi in una direzione o in un’altra? In quali circostanze ci si può aspettare quale risultato?

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Veloce, più veloce, il più veloce

Swiss TecLadies è il programma nazionale di promozione delle nuove leve dell’Accademia Svizzera delle Scienze Tecniche. È composto da un programma di mentoring per ragazze* di età compresa tra i 12 e i 18 anni e dalla sua organizzazione di alumni, il Swiss TecLadies Network. Per ulteriori informazioni e possibilità di registrazione, visitare il sito tecladies.ch

Con l’aiuto di simulazioni al supercomputer i ricercatori possono, ad esempio: Simulare le conseguenze del cambiamento

Nella ricerca meteorologica e climatica i supercomputer simulano ciò che accade nell’atmosfera: aiutano a prevedere con maggiore precisione le condizioni meteorologiche nonché a comprendere meglio i modelli climatici e le conseguenze del riscaldamento globale.

Esplorare l’universo dalla Terra Una supernova non può essere riprodotta in laboratorio. Ma con l’aiuto di simulazioni al computer, i ricercatori potrebbero chiarire l’origine dell’universo.

Combattere le malattie e sviluppare nuovi medicamenti Durante la lotta al coronavirus i supercomputer hanno calcolato gli scenari di diffusione del Covid-19, hanno creato modelli precisi del virus, hanno verificato l’efficacia dei medicamenti già disponibili e sono stati impiegati per sviluppare i vaccini contro il coronavirus.

Sviluppare materiali più sostenibili

Con il supercomputer è possibile testare le proprietà di nuovi materiali ancora prima che questi esistano nella realtà.

La piccola Svizzera che calcola in grande Vale a dire?

Anche la Svizzera ha supercomputer ultramoderni. Si trovano in Ticino, nel Centro Svizzero di Calcolo Scientifico (CSCS), inaugurato nel 1991. Il centro nazionale di calcolo ad alte prestazioni, con sede a Lugano-Cornaredo, è gestito dal Politecnico federale di Zurigo (ETH Zurigo) ed è a disposizione di tutti gli atenei e i centri di ricerca svizzeri. Finora la superstar del CSCS è «Piz Daint», un calcolatore della classe di prestazioni petaFLOPS e per molto tempo l’unico computer in Europa nella top ten mondiale. «Piz Daint» è tuttavia giunto alla fine del ciclo di vita e quest’anno verrà sostituito da «Alps», un sistema con una potenza di calcolo fino a dieci volte superiore. Il nuovo computer ad alte prestazioni sarà non soltanto estremamente veloce, ma anche il cuore di un’infrastruttura di ricerca completamente nuova e innovativa, come spiega la vicedirettrice del CSCS Maria-Grazia Giuffreda.

Technoscope: Quali vantaggi offrirà il passaggio ad «Alps»?

Maria Grazia Giuffreda: Finora al CSCS abbiamo gestito diversi sistemi informatici per soddisfare differenti esigenze. MeteoSvizzera, ad esempio, per le sue previsioni del tempo aveva a disposizione un calcolatore tutto per sé. La nuova infrastruttura è molto più flessibile e in grado di fornire contemporaneamente a diversi utenti esattamente i servizi di cui necessitano. È inoltre specializzata nell’apprendimento automatico.

«In Svizzera la ricerca sul clima è estremamente forte, anche a livello internazionale.»

Nell’apprendimento automatico, spesso definito anche intelligenza artificiale, il computer viene addestrato con un grande insieme di dati a riconoscere determinati modelli e correlazioni, ad esempio in cosa consiste la differenza tra un cagnolino con gli occhi rotondi neri e un muffin ai mirtilli. Dopo aver appreso le regole per riconoscere un cane, il computer sarà in grado di applicarle in modo autonomo a dati completamente nuovi continuando così a perfezionarsi. Per quali scopi viene impiegato l’apprendimento automatico?

Quando abbiamo sviluppato «Alps» abbiamo prestato particolare attenzione al clima. In Svizzera la ricerca sul clima è estremamente forte, anche a livello internazionale. Ma per comprendere davvero le conseguenze del cambiamento climatico e generare le conoscenze di cui il mondo ha urgentemente bisogno per affrontare la crisi climatica, deve essere in grado di creare simulazioni molto più precise. Ciò richiede, da un lato, una potenza di calcolo sempre maggiore e, dall’altro, anche un’infrastruttura capace di elaborare e analizzare delle quantità di dati enormi. Stiamo parlando di volumi di dati dell’ordine dei petabyte, al giorno e per ogni simulazione.

orientation.ch Barbara Guggenbühl Orientatrice professionale, negli studi e nella carriera, BSLB San Gallo

Gentile signora Guggenbühl, mi manca un anno e mezzo per conseguire la maturità e ho fatto alcune ricerche sulle opportunità di studio in informatica presso il centro di informazione professionale «BIZ» (Berufsinformationszentrum). Ho appreso che, oltre all’informatica, esistono anche altri indirizzi di studio nel mondo professionale dei computer, dei supercomputer e della tecnologia dell’informazione. Ha qualche consiglio da darmi su come procedere nella scelta del corso di studio? Caro Naim, ti sei informato correttamente: esistono materie di studio «imparentate» con l’informatica, quali l’elettrotecnica e la tecnologia dell’informazione o le scienze e la fisica assistite da computer. Fra tutte le scienze, l’informatica (la scienza di ciò che è formalmente realizzabile, ossia ciò che può essere elaborato dalle macchine) è quella che sembra essere più vicina alla matematica (la scienza di ciò che è formalmente pensabile). Le specialiste e gli specialisti di elettrotecnica si occupano, tra l’altro, della produzione di computer, mentre le persone specializzate in fisica lavorano in team interdisciplinari ed effettuano simulazioni e modellazioni al computer. Che cosa potrebbe aiutarti per scegliere il corso di studio che fa al caso tuo? Impara a

conoscere meglio gli indirizzi di studio e professionali che rientrano nella tua scelta: partecipa a eventi informativi, parla con studenti e studentesse e chiedi a professioniste e professionisti di condividere con te le loro esperienze professionali. Frequenta le lezioni delle materie che ti interessano (primo o secondo semestre!). Iscriviti al «Buddy Program» della SUPSI per diventare studente per un giorno. Valuta i differenti istituti di studio: università, Politecnico federale o SUP? Fissa un appuntamento con il servizio di consulenza per gli studi, il quale ti porrà domande quali: «Ci sono persone che ti ispirano?» oppure «In quale campo ti piacerebbe vincere il premio Nobel?». Tutto questo ti aiuterà a definire il percorso da seguire per poter realizzare la tua visione...

Riquadro informativo Buddy Program della SUPSI | Informazioni sulle scienze tecniche Informazioni su università e politecnici

Il computer più veloce del mondo in cifre

Pe su r e s Fro r o ll a T e g u m o nt i e t t a e r ir e nd r, i m ra ial l su en do lo st e: e te v p e s erc p e reb sso eg om b r ue qu e ri s nu m 1 0puter at olve ero d 0 0 d e ll ’ tr re o i o Fro o a gn p er Oa nt i 0 0 0 k Ri er n n i s az i èp ec dg i. o n o ni , 0 iù e 0 ve N do o g at 0 lo c ion un ni ed 0 0 0 al L ei c a s in g set l co o ab 0 te lo la p or 0 su Fro a m 0 pe to at e r s o nt i r co ry 0 em n er , 0 m ri e at a c h pu 0 d n e gl mp i co te r e ie 7 i io U , in viv p iù p e SA 4 ar e i v , r n elo az d ma te ion eti ci d di , re og e ll i d ne nu aT ic no op a l c il nu dei 50 olo ov qu 0m a li al o r e Son pes se c ess o co co o r d a qu i in ll e g co rr nd a a sie nt o i sp o t o. me ndo i tramit un no p e1 . p i 4 c iù o k-u m e n 5 c h il o p. m o al l a d e t ri d i cav ist a Per ev nz a itar fra Wi di rete nel sis e che i chip ,c i nt e te ma d i F rontie r t hu h e di raf r s i su fr e d d reB rrisca amen e rna ldino, to olt . re 22 3 000 lit50 pompe im ri di a m e t to cqua no al min u to.

Potete ordinare gratuitamente singole copie o un set per la vostra classe scolastica. Scriveteci all’indirizzo di posta elettronica technoscope@satw.ch. Tutti i numeri della rivista Technoscope sono disponibili su https://mint.satw.ch/it/technoscope.

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