SIPACTLI: sistema paralelo computacional de trabajo en laboratorios de ingeniería

Abstract

RESUMEN: En la actualidad, la computación y el constante procesamiento de datos se han convertido en una parte fundamental de diversos campos profesionales al momento de lograr objetivos planteados. El procesamiento de datos ha sufrido una evolución al igual que la computación misma, lo cual ha permitido un avance significativo en el rendimiento de las computadoras en comparación con los primeros equipos de cómputo. Un ejemplo de dicha evolución se observa en el desarrollo de los microprocesadores, que han pasado de ser chips electrónicos de unos cuantos bits a convertirse en circuitos integrados que poseen miles de millones de transistores en su interior, característica que permite una mayor cantidad de instrucciones procesadas por segundo. No obstante, la mejora de los microprocesadores no implica necesariamente una mejora en el aprovechamiento de las computadoras. Si bien en el año 2022 la humanidad posee máquinas con una capacidad de procesamiento miles de veces mayor a los dispositivos que permitieron al ser humano llegar a la luna, estos no aprovechan el 100% de su capacidad en todo momento, generando un potencial desaprovechado al ser utilizados. Para sentar las bases del problema que esto representa hay que analizar ciertos puntos que influyen en la capacidad de procesamiento de los equipos de cómputo. El primero tiene que ver con la cantidad de transistores que conforman a un microprocesador, los cuales establecen la cantidad de combinaciones de bits posibles que pueden crear. Una mayor cantidad de transistores se traduce entonces como una mayor cantidad de datos que pueden representarse, por ende, una mayor capacidad de procesamiento. Otro punto relevante para el rendimiento de los microprocesadores es su frecuencia de trabajo, la cual revela la cantidad de instrucciones que un procesador es capaz de realizar en un segundo, cuantificándose en Hertz (Hz). Una mayor cantidad de Hz implica que se realizan más tareas en un segundo, lo que quiere decir que entre mayor sea la frecuencia de trabajo de un microprocesador éste realiza las tareas de una forma más rápida. Por último, se analiza la estructura conformada por núcleos en un microprocesador. En las generaciones modernas se recurre a esta estructuración por núcleos para aumentar la cantidad de instrucciones realizadas, repartiendo las tareas entre los núcleos libres y generando un mayor aprovechamiento de los recursos del microprocesador. Ahora, al analizar los puntos que influyen en el rendimiento de los equipos de cómputo se encuentran tres posibles soluciones: aumentar el número de transistores de un microprocesador, aumentar la frecuencia de trabajo de un microprocesador, y aumentar la cantidad de núcleos de un microprocesador. Abarcando la primer posible solución de aumentar el número de transistores se encuentra un impedimento: el tamaño de los transistores. Para el año 2022, los microprocesadores de última generación cuentan con transistores de un tamaño alrededor de los 7 nanómetros, menos de treinta veces el tamaño de un átomo de hidrógeno. Aumentar la cantidad de transistores en un microprocesador significaría realizar transistores más pequeños, lo cual es especialmente complicado cuando se han alcanzado las escalas atómicas, por lo que no resulta la solución más factible. La posibilidad de aumentar la frecuencia de trabajo también se encuentra con una limitante, la cual tiene relación con la temperatura. Recordando que los transistores son dispositivos por los cuales viajan electrones, aumentar la frecuencia de trabajo provoca que los electrones viajen más rápido a través de los transistores. La velocidad de un electrón en un medio conductor está directamente relacionada con la fricción provocada, y aumentar la fricción también aumenta la temperatura del medio. Al ser los transistores un análogo de interruptores, aumentar su temperatura causaría la pérdida de dicho comportamiento, por lo que aumentar la frecuencia de trabajo tampoco es la solución factible.

El último punto manipulable consiste en la cantidad de núcleos del microprocesador, y es también el punto central del presente trabajo para encontrar una solución al aprovechamiento de los recursos de procesamiento de los equipos de cómputo. A pesar de que el número de núcleos de un microprocesador está definido y no es posible aumentarlo, sí es posible optimizar su rendimiento e incluso formar un procesador virtual a mayor escala a partir de núcleos disponibles en distintos equipos. El aprovechamiento de núcleos disponibles se realiza a través de la implementación de la computación paralela y distribuida, que permite no sólo la optimización de un equipo de procesamiento multinúcleo, sino de un conjunto completo de ellos interconectados por medio de una red.

Diagrama general de la estructura de un procesador multinúcleo. La interconexión de los equipos de cómputo conforma la creación de una supercomputadora que es capaz de realizar tareas de forma más rápida que un equipo de cómputo común, además de ejecutar instrucciones de manera simultánea y precisa que no serían posibles empleando procesamiento lineal, todo esto sin interferir en las tareas que se encuentren realizando los usuarios de los equipos que la conforman. Es así como se plantea la posible solución al problema del aprovechamiento de los recursos de un conjunto de computadoras que consumen energía independientemente de si son explotadas al 100% o no, reflejando una optimización energética a comparación de no implementar el sistema de cómputo paralelo. Además de aprovechar las computadoras en su rendimiento energético, no genera un gasto extra como se hace para un centro de datos con servidores dedicados. En la mayoría de estos centros de datos o sites de servidores es necesario contar con sistemas de refrigeración para un flujo de aire fresco, ya que, al contar con varios servidores en un mismo sitio y al estar en racks de servidores producen calor que perjudica el rendimiento y la salud del servidor. Por otro lado, el utilizar computadoras de oficina convencionales no requiere utilizar sistemas de refrigeración sofisticados, ya que cada computadora tiene su propio sistema de refrigeración que le permite trabajar a una temperatura óptima y el uso computacional de cada una de ellas es respecto a las tareas que el usuario necesite. Es importante destacar que la mayoría de estas tareas no requieren todo el rendimiento de la computadora. Otro recurso que se requiere para los sites de servidores o los centros de datos es la seguridad física del lugar, al contar con datos de una o varias empresas permitir el acceso debe ser restringido a personas de confianza, para evitar que los servidoressean dañados con software malicioso mediante el uso de dispositivos físicos. Los datos que son procesados en las computadoras de uso general comparten el procesamiento con las aplicaciones que el usuario esta usando, sin embargo, estos datos no son visibles para el usuario y solo se procesa una fracción de la información en la computadora. Además, no se requiere de seguridad física específica para proteger las computadoras porque la seguridad es proporcionada por la institución que contenga las computadoras y además los usuarios pueden ser alumnos, profesores o administrativos que son parte de la comunidad. Por otro lado, tener fuentes de energía independientes a la red eléctrica local es indispensable para los centros de datos ya que deben tener los servicios activos la mayor cantidad de tiempo y tener los sistemas de seguridad operativos en todo momento para evitar robo de información, por ello, es común encontrar plantas de energía diésel, energías renovables, entre otros. En cambio, para computadoras de oficina solo se usan cuando es requerido

por algún miembro de la comunidad, en caso de que no sean usadas se mantienen apagadas. Por ello, en estas computadoras es útil aprovechar la mayor cantidad del rendimiento mientras sean ocupadas por un usuario, por lo tanto, no requiere de un sistema que mantenga encendido las computadoras en todo momento ya que solo un nodo es necesario mientras un usuario lo necesite.