La computación de alto rendimiento potencia el desarrollo de nuevos formatos de memoria

En los últimos años el panorama de la computación de alto rendimiento (HPC) ha recibido un fuerte impulso por parte de las empresas y los organismos públicos, que demandan plataformas más potentes para albergar aplicaciones de alta exigencia, como las diferentes formas de inteligencia artificial, la analítica en tiempo real, el big data o la administración de datos de grandes despliegues IoT.

Todas estas tecnologías emergentes están encontrando su lugar en diferentes ámbitos, como la investigación científica, la innovación tecnológica, la inteligencia de negocio, la administración de grandes volúmenes de datos, la mejora de la experiencia del cliente o la gestión de activos en grandes empresas. Pero los clásicos superordenadores han llegado ya a su tope, por lo que en los últimos años se ha instalado una corriente que persigue la evolución hacia nuevos paradigmas de computación de alto rendimiento, impulsada tanto por los gobiernos como por las empresas privadas.

Ejemplos de ello se están dando en regiones como Europa o Norteamérica, conde las autoridades han lanzado proyectos para potenciar la investigación y el desarrollo de las plataformas HPC, considerando que se trata de tecnologías clave para el desarrollo digital, el avance científico, la ciberseguridad y la gestión de la creciente cantidad de datos que deben afrontar las grandes organizaciones.

Procesadores diseñados para potenciar las plataformas HPC

Desde hace unos tres años, aproximadamente, la industria informática ha dado varios saltos tecnológicos que han permitido elevar las capacidades de los superordenadores. Por un lado, la alta exigencia de aplicaciones como la inteligencia artificial ha motivado una línea de desarrollo de CPU de alto rendimiento, capaces de desenvolverse mejor con las complejas tareas de cálculo de los algoritmos de IA. Un ejemplo de ello son las nuevas generaciones de procesadores escalables de Intel, que permiten configurar plataformas más potentes que las versiones Xeon anteriores, y que están encontrando su lugar en el universo del machine learning, el Deep learning y en las aplicaciones de analítica en tiempo real.

Pero Intel no es el único fabricante de procesadores que ha puesto sus miras en cubrir las necesidades de estas plataformas, sino que los fabricantes de chips de procesamiento gráfico (GPU) como Nvidia también están apostando fuerte por construir sistemas específicos para los entornos HPC, incluso con propuestas de pequeña escala específicamente diseñadas para la inteligencia artificial. A pesar de las dificultades de abrirse camino en este mercado restringido, sus soluciones están expandiéndose por en ecosistema de centros de datos de alto rendimiento y están dispuestos a conquistar su propia parcela dentro del mercado HPC.

Las tendencias que se están siguiendo en la parte de computación son aumentar la densidad de procesadores en cada plataforma y el número de núcleos de procesamiento, algo en lo que los fabricantes de GPU están demostrando ser muy solventes. Aunque todavía no alcanzan la gran escala de las plataformas HPC basadas en CPU, que agrupan numerosos nodos, los impulsores de la GPU como procesador para IA están avanzando rápidamente para crear computadoras más grandes.

Almacenamiento SSD de nueva generación

El otro avance que está revolucionando la computación de alto rendimiento se ha dado en el campo del almacenamiento. En los últimos años la industria ha realizado un gran santo evolutivo con el desarrollo de las nuevas memorias 3D NAND flash de alto rendimiento, que han elevado enormemente la capacidad de acceder a los datos. Esta es una cuestión vital para alcanzar la velocidad de cálculo que demanda la computación de alto rendimiento, y el almacenamiento en HDD tradicionales no cumple los elevados requisitos de las nuevas aplicaciones, por lo que la industria de HPC se está moviendo hacia los nuevos formatos de SSD.

Gracias a la popularización de los discos de estado sólido para el entorno de consumo los fabricantes han obtenido importantes recursos que han contribuido a sostener los programas de I+D enfocados a mejorar los chips de alto rendimiento. El resultado es que determinados fabricantes han lanzado nuevas generaciones de chips de memoria diseñados específicamente para los requisitos más elevados. Un ejemplo es la memoria Z-NAND de Samsung, que compite con fuerza con las versiones de Optane dedicadas al almacenamiento.

Pero este tipo de memoria solo se puede destinar a guardar datos, y el rendimiento de la mayoría sigue siendo insuficiente para ciertas aplicaciones, lo que genera un cuello de botella que la industria HPC debe resolver con ingenio, y con más o menos éxito. Esto está motivando nuevos desarrollos de memorias más rápidas y resistentes, tanto en el campo del almacenamiento como en la memoria de trabajo, el otro pilar del rendimiento en cualquier equipo informático.

Nuevas memorias de trabajo para elevar el rendimiento

La creciente demanda de potencia de computación ha llevado a desarrollar una serie de tecnologías de memoria innovadoras, que se han denominado memorias de próxima generación, y en otros casos memorias de clase de almacenamiento. Aunque la realidad es que se trata de un conjunto de tecnologías muy diversas.

Algunas tienen muchas similitudes, como la RAM magnetoresistiva (MRAM), la RAM Resistiva (ReRAM) y la memoria ferroeléctrica (FeRAM), y otras son completamente diferentes en su concepto básico, como las memorias de cambio de fase (PCM). Las primeras se encuentran en una fase de desarrollo bastante avanzada, pero son las segundas las que ya han dado lugar a productos finales.

El principal ejemplo es el de las memorias Intel Optane, compuestas por chips 3D XPoint que están basados en la tecnología de cambio de fase. Estos productos llevan tiempo en el mercado y han logrado superar las capacidades de la memoria 3D NAND más rápida, acercándose poco a poco al desempeño de la DRAM, con un menor consumo eléctrico. La segunda ventaja de esta memoria es que se puede usar para el almacenamiento de alta velocidad, como caché para acelerar las plataformas de almacenamiento convencionales y como complemento a la DRAM. En este sentido, ofrecen una interesante posibilidad, que es la de elevar la capacidad total de memoria de trabajo muy por encima de los límites que tiene la DRAM, lo que permite agilizar enormemente la entrega de datos a los procesadores, algo clave en las plataformas HPC.

Además del fabricante Intel, único fabricante de Optane, la empresa que colaboró con ella en el desarrollo de los chips 3d XPoint, Micron, va a lanzar sus propias memorias de cambio de fase. Y otra gran firma del sector DRAM, SK Hynix, también está trabajando en esta tecnología, con previsión de que podría lanzar la producción masiva para algún momento del año 2020. Cabe destacar que Intel ha lanzado sus Optane en formato DIMM, y que proporciona placas base en las que se puede intercambiar la memoria Optane entre las funciones de memoria de trabajo y de almacenamiento, flexibilizando las opciones para los clientes.

Pero, aunque la producción de Optane es más barata que la de los clásicos módulos de DRAM, su rendimiento todavía se encuentra por debajo del que ofrecen los nuevos formatos de DRAM, y existen dudas acerca de si realmente esta es la solución hacia una memoria de uso universal, capaz de sustituir a las viejas arquitecturas. Aunque lo cierto es que su base de clientes está creciendo, y la empresa va a seguir apostando por su desarrollo hasta lograr que se convierta en un estándar en los centros de datos y, muy especialmente, en las plataformas de computación HPC.

El declive del mercado impacta en la memoria de nueva generación

Actualmente, los mercados de memoria DRAM y NAND Flash se encuentran en una grave situación de sobreoferta que lleva impulsando los precios a la baja desde el año pasado. Y los expertos todavía no vislumbran claramente cuándo se logrará revertir esta tendencia, por lo que los precios de estos formatos de memoria se han vuelto muy atractivos para las empresas dedicadas a la supercomputación. Esto hace que el precio superior de los formatos de memoria emergente, como 3D XPoint, siga siendo un factor limitador de la mayor adopción de estas tecnologías.

Pero sus desarrolladores están evolucionando sus productos a la espera de que los precios de las memorias DRAM y NAND vuelvan a subir, haciendo mucho más atractiva su oferta. Esto apoyará el resto de ventajas que proporcionan estas memorias y, aunque sus características de rendimiento todavía no igualan a las de la DRAM, ya se pueden usar indistintamente para el almacenamiento y para la memoria de trabajo, ya sea de forma independiente o como complemento para acelerar el funcionamiento general en infraestructuras HPC.

Además, los fabricantes están enfocando sus nuevos productos al grupo de clientes más importantes que hay en el sector tecnológico, que son los operadores de centros de datos hiperescala, que también pueden sacar partido de las mejoras de rendimiento que proporcionan las memorias emergentes. Además, su modelo de infraestructuras suele ser bastante personalizado, lo que abre las puertas a integrar diseños específicos para sacar el mejor partido a estas tecnologías, algo que es más complicado y costoso en las instalaciones modulares o basadas en plataformas convencionales, que no tienen el diseño más óptimo para aprovechar memorias como Optane DC.