División de Supercomputación Avanzada de la NASA

A mediados de la década de 1970, un grupo de ingenieros aeroespaciales del Centro de Investigación Ames comenzó a explorar la posibilidad de trasladar la investigación y el desarrollo aeroespacial , pasando de las costosas y prolongadas pruebas en túneles de viento al diseño y la ingeniería basados ​​en simulaciones, utilizando modelos de dinámica de fluidos computacional (CFD) en supercomputadoras más potentes que las disponibles comercialmente en aquel momento. Este proyecto se denominó posteriormente Proyecto de Simulador Aerodinámico Numérico (NAS, por sus siglas en inglés), y la primera computadora se instaló en el Centro de Computación Central del Centro de Investigación Ames en 1984.

El 14 de marzo de 1985 se colocó la primera piedra de un centro de supercomputación de última generación con el fin de construir un edificio donde expertos en dinámica de fluidos computacional (CFD), científicos informáticos, especialistas en visualización e ingenieros de redes y almacenamiento pudieran trabajar juntos en un entorno colaborativo. En 1986, el NAS se convirtió en una división de pleno derecho de la NASA y, en 1987, el personal y el equipo del NAS, incluyendo un segundo superordenador, un Cray-2 llamado Navier, se trasladaron a las nuevas instalaciones, que se inauguraron el 9 de marzo de 1987. ^{[ 3 ]}

En 1995, NAS cambió su nombre a División de Simulación Aeroespacial Numérica, y en 2001 al nombre que conserva en la actualidad.

NAS ha sido uno de los principales innovadores en el mundo de la supercomputación, desarrollando muchas herramientas y procesos que se popularizaron en la supercomputación comercial. Algunos de estos logros incluyen: ^{[ 4 ]}

• Instaló la primera supercomputadora basada en UNIX de Cray ^{[ 5 ]}
• Se implementó un modelo cliente/servidor que conecta las supercomputadoras y las estaciones de trabajo para distribuir el cálculo y la visualización.
• Desarrollé e implementé una red de área amplia (WAN) de alta velocidad que conecta recursos de supercomputación con usuarios remotos (AEROnet).
• Participó en el desarrollo del primer método de la NASA para la distribución dinámica de cargas de producción entre recursos de supercomputación ubicados en lugares geográficamente distantes (NASA Metacenter).
• Implementación de redes TCP/IP en un entorno de supercomputación.
• Desarrolló un sistema de colas por lotes para supercomputadoras (NQS).
• Desarrollé un sistema de almacenamiento masivo jerárquico basado en UNIX (NAStore).
• Desarrolló conjuntamente (con SGI) las primeras supercomputadoras IRIX de imagen de sistema único con 256, 512 y 1024 procesadores.
• Desarrolló conjuntamente (con SGI) las primeras supercomputadoras de 512 y 1024 procesadores con imagen de sistema único basadas en Linux .
• Un entorno de memoria compartida de 2048 procesadores

NAS desarrolla y adapta software para "complementar y mejorar el trabajo realizado en sus supercomputadoras, incluyendo 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). ^{[ 6 ]}

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 las aplicaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) a gran escala.
• Portable Batch System (PBS) fue el primer software de gestión de colas por lotes para sistemas paralelos y distribuidos. Se lanzó 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 aún 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 importante jamás otorgado por el Programa de la Ley Espacial de la NASA por el desarrollo de su software, que revolucionó la visualización y el análisis científico de soluciones CFD 3D. ^{[ 3 ]}
• FAST (Flow Analysis Software Toolkit) es un entorno de software basado en PLOT3D que se utiliza para analizar datos de simulaciones numéricas. Si bien está diseñado para la visualización de dinámica de fluidos computacional (CFD), puede utilizarse para visualizar prácticamente cualquier dato escalar o vectorial . Fue galardonado con el premio al Software del Año de la NASA en 1995. ^{[ 7 ]}
• INS2D e INS3D son códigos desarrollados por ingenieros de la NAS para resolver las ecuaciones de Navier-Stokes incompresibles en coordenadas generalizadas bidimensionales y tridimensionales, respectivamente, para flujos estacionarios y variables en el tiempo. En 1994, INS3D ganó el premio al Software del Año de la NASA. ^{[ 3 ]}
• Cart3D es un paquete de análisis de alta fidelidad para el 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 aeronaves y naves espaciales. ^{[ 8 ]} El equipo de Cart3D ganó el premio al Software del Año de la NASA en 2002.
• OVERFLOW (Overset grid flow solver) es un paquete de software desarrollado para simular el flujo de fluidos alrededor de cuerpos sólidos mediante ecuaciones CFD de Navier-Stokes promediadas por Reynolds. Fue el primer código CFD de propósito general de la NASA para sistemas de malla superpuesta (Chimera) y se lanzó fuera de la NASA en 1992.
• Chimera Grid Tools (CGT) es un paquete de software que contiene diversas herramientas para el enfoque de malla superpuesta Chimera para resolver problemas de CFD de generación de mallas de superficie y volumen; así como manipulación, suavizado y proyección de mallas.
• HiMAP Un proceso de análisis multidisciplinario paralelo de alta fidelidad de tres niveles (intra/interdisciplinario, multicaso) (fluidos, estructuras, controles), ^{[ 9 ] [ 10 ]}

En 1987, NAS se asoció con la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) y la Universidad de California, Berkeley, en el proyecto RAID ( Redundant Array of Inexpensive Disks ), cuyo objetivo era crear una tecnología de almacenamiento que combinara múltiples componentes de unidades de disco en una sola unidad lógica. Completado en 1992, el proyecto RAID dio lugar a la tecnología de almacenamiento de datos distribuidos que se utiliza en la actualidad. ^{[ 3 ]}

Actualmente, el sistema NAS alberga almacenamiento masivo en disco en un clúster DMF paralelo de SGI con software de alta disponibilidad, compuesto por cuatro sistemas front-end de 32 procesadores, conectados a las supercomputadoras y al sistema de almacenamiento de cintas de archivo. El sistema cuenta con 192 GB de memoria por front-end ^{[ 31 ] y 7,6 petabytes (PB) de caché en disco [ 1 ]} . Los datos almacenados en disco se migran periódicamente a los sistemas de almacenamiento de cintas de archivo del sistema para liberar espacio para otros proyectos de usuario que se ejecutan en las supercomputadoras.

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. ^{[ 3 ]}

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 del mayor número de usuarios y los crecientes tamaños de archivo de los conjuntos de datos de cada proyecto . ^{[ 32 ]} En 2009, NAS incorporó sistemas de cinta robótica Spectra Logic T950 que aumentaron la capacidad máxima en la instalación a 16 petabytes de espacio disponible para que los usuarios archiven sus datos de las supercomputadoras. ^{[ 33 ]} A partir de marzo de 2019, la instalación de NAS aumentó la capacidad total de almacenamiento de archivo de las bibliotecas de cinta Spectra Logic a 1048 petabytes (o 1 exabyte) con una compresión del 35 %. ^{[ 31 ]} La Instalación de Migración de Datos (DMF) de SGI y OpenVault gestionan la migración de datos de disco a cinta y la desmigración de cinta a disco para la instalación de NAS.

A marzo de 2019, hay más de 110 petabytes de datos únicos almacenados en el sistema de almacenamiento de archivo NAS. ^{[ 31 ]}

En 2002, los expertos en visualización de NAS desarrollaron un sistema de visualización llamado "hiperpared", que incluía 49 paneles LCD interconectados que permitían a los científicos visualizar conjuntos de datos complejos en una gran matriz dinámica de siete por siete pantallas. Cada pantalla tenía su propia capacidad de procesamiento, lo que permitía a cada una mostrar, procesar y compartir conjuntos de datos, de modo que una sola imagen podía mostrarse en todas las pantallas o configurarse para que los datos se mostraran en "celdas" como una hoja de cálculo visual gigante. ^{[ 34 ]}

La segunda generación de "hyperwall-2" fue desarrollada en 2008 por NAS en asociación con Colfax International y está compuesta por 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 la convierte en el sistema de visualización científica de mayor resolución del mundo. ^{[ 35 ]} Contiene 128 nodos, cada uno con dos procesadores AMD Opteron ( Barcelona ) de cuatro núcleos y una unidad de procesamiento gráfico (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 hyperwall original. ^{[ 36 ]} 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 del sistema de archivos sin necesidad de copiar archivos en la memoria del hyperwall-2.

En 2014, el Hyperwall se actualizó con nuevo hardware: 256 procesadores Intel Xeon "Ivy Bridge" y 128 GPU NVIDIA Geforce 780 Ti. La actualización aumentó la potencia de procesamiento máxima del sistema de 9 teraflops a 57 teraflops, y ahora cuenta con casi 400 gigabytes de memoria gráfica. ^{[ 37 ]}

En 2020, el hiperwall 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 de procesamiento máxima del sistema de 57 teraflops a 512 teraflops. ^{[ 38 ]}

Una característica importante de la tecnología Hyperwall desarrollada en NAS es que permite la "visualización concurrente" 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 la monitorización, la dirección y la finalización en tiempo de ejecución, sino que también "permite una visualización con mayor resolución temporal en comparación con el posprocesamiento, ya que se eliminan en gran medida los requisitos de E/S y espacio de almacenamiento... [y] puede mostrar características en una simulación que de otro modo no serían visibles". ^{[ 39 ]}

El equipo de visualización de NAS desarrolló una canalización concurrente configurable para su uso con un modelo de pronóstico masivamente paralelo ejecutado en la supercomputadora Columbia en 2005, con el fin de ayudar a predecir la temporada de huracanes del Atlántico para el Centro Nacional de Huracanes . Debido a los plazos de entrega de cada pronóstico, era importante que el proceso de visualización no obstaculizara significativamente la simulación ni provocara su fallo.

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