Nauka w XXI wieku w coraz większym stopniu opiera się na symulacjach procesów fizycznych, chemicznych czy biologicznych. Niezbędne do takich obliczeń są superkomputery zbudowane z dziesiątków tysięcy wydajnych wielordzeniowych procesorów. Aby tyle maszyn mogło współpracować, spina się je ultraszybką siecią o przepustowości 10–100 Gbit/s oraz wyposaża w pamięć RAM o pojemności setek terabajtów. Niestety, takie urządzenia są drogie. Superkomputery z pierwszej dziesiątki listy Top 500 kosztują od 200 do 400 mln dolarów. Na takie systemy mogą sobie pozwolić nieliczne narodowe ośrodki obliczeniowe, które zajmują się prognozowaniem pogody, poszukiwaniem surowców naturalnych, badaniami nuklearnymi czy modelowaniem makroekonomicznym.
Obliczenia rozproszone
Obejściem problemu kosztów jest stworzenie maszyny rozproszonej, która pozwala na uzyskanie mocy obliczeniowej porównywalnej z największymi superkomputerami bez milionowych inwestycji w sprzęt. Jest to możliwe dzięki internetowi, który pozwala na połączenie w sieć wielu komputerów rozsianych po całym świecie i korzystanie z nich jak z jednej maszyny. Systemy rozproszone można zbudować na bazie zasobów przydzielonych w centrach superkomputerowych w różnych krajach, jak również z domowych pecetów należących do wolontariuszy, którzy „przekazują” moc obliczeniową swojego procesora na rzecz badań naukowych w czasie, gdy komputer jest w stanie bezczynności.
Zalew danych z CERN-u
Możliwości obliczeń rozproszonych (ang. distributed computing) są na tyle duże, że zastosowano je w jednym z najbardziej zaawansowanych projektów badawczych XXI wieku, jakim jest Wielki Zderzacz Hadronów (Large Hadron Collider, LHC) – akcelerator cząstek w laboratorium CERN pod Genewą. Także Polska współfinansuje badania i wysyła fizyków do pracy przy obsłudze eksperymentów. W owalnym tunelu o długości 27 km naukowcy rozpędzają m.in. wiązki protonów do prędkości zbliżonej do prędkości światła, a następnie zderzają je ze sobą. W efekcie powstają rozmaite cząstki elementarne, m.in. bozon Higgsa, ważny składnik materii, którego istnienie potwierdzono właśnie dzięki LHC.
Aby zarejestrować aktywność cząstek elementarnych, w kilku miejscach zainstalowane są potężne detektory: ALICE (A Large Ion Collider Experiment), ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) czy CMS (Compact Muon Solenoid). Każdy z nich generuje potężny strumień surowych danych. Najwięcej, bo 4 GB/s, pochodzi z czujnika ALICE, który rejestruje dane ze zderzeń ciężkich jonów ołowiu. Z detektora ATLAS, który śledzi zderzenia protonów, informacje spływają z szybkością 1 GB/s, zaś podobny detektor CMS dostarcza kolejne 600 MB/s.
Największy system rozproszony
Dane z czujników zainstalowanych w LHC, podobnie jak informacje z matrycy aparatu cyfrowego, która również jest detektorem cząstek elementarnych (fotonów), bez komputerowej obróbki nie dostarczają czytelnego materiału do badań. Podobnie jak procesor w aparacie cyfrowym, komputery zaplecza informatycznego CERN muszą przekształcić sygnały z sensorów w obraz zdarzenia, który może zostać poddany naukowej interpretacji. Biorąc pod uwagę, że ze wszystkich detektorów w akceleratorze łącznie spływa aż 25 GB informacji na sekundę, CERN – mimo że ma do dyspozycji superkomputer – nie jest w stanie poradzić sobie z analizą danych. Naukowcy, którzy nie mają do dyspozycji wystarczającej mocy na miejscu, muszą więc polegać na obliczeniach rozproszonych. W tym celu powstał Worldwide LHC Computing Grid, najpotężniejszy rozproszony system obliczeniowy na świecie. Obecnie w jego skład wchodzą maszyny ze 170 lokalizacji w 41 krajach, także z Polski (m.in. w Świerku i Krakowie).
Aby zarejestrować aktywność cząstek elementarnych, w kilku miejscach zainstalowane są potężne detektory: ALICE (A Large Ion Collider Experiment), ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) czy CMS (Compact Muon Solenoid). Każdy z nich generuje potężny strumień surowych danych. Najwięcej, bo 4 GB/s, pochodzi z czujnika ALICE, który rejestruje dane ze zderzeń ciężkich jonów ołowiu. Z detektora ATLAS, który śledzi zderzenia protonów, informacje spływają z szybkością 1 GB/s, zaś podobny detektor CMS dostarcza kolejne 600 MB/s.
