Qué es un superordenador: guía completa, historia y aplicaciones

¿Te has preguntado alguna vez qué es exactamente un superordenador y por qué se habla tanto de ellos cuando se trata de innovación, tecnología y ciencia? Hoy es el día de disipar todas esas dudas: te vamos a contar, con lenguaje natural y de tú a tú, cómo funcionan estos gigantes de la computación, en qué se diferencian de los ordenadores comunes, para qué sirven concretamente, cuáles son los modelos más famosos y cómo su evolución ha impactado (y sigue impactando) nuestro día a día, incluso aunque no seas consciente de ello.

Desde simular el clima global hasta acelerar el desarrollo de medicamentos o procesar millones de datos en segundos, los superordenadores son los auténticos motores silenciosos de la ciencia moderna. Pero tras esa palabra imponente y casi de ciencia ficción, hay muchísima tecnología, historia e ingeniería que merece la pena conocer. Quédate para descubrir cómo han cambiado el mundo y por qué cada vez se habla más de ellos.

¿Qué es realmente un superordenador?

Un superordenador es, en esencia, un sistema informático que lleva la potencia de cálculo a un nivel extraordinario. Hablamos de máquinas capaces de ejecutar millones de millones de operaciones matemáticas por segundo, gracias al trabajo conjunto de miles (incluso millones) de procesadores.

Para que te hagas una idea, estos equipos pueden ser desde la suma de múltiples ordenadores convencionales conectados entre sí en sofisticados clústeres, hasta máquinas monstruosas diseñadas expresamente para alcanzar velocidades y eficiencias que parecen imposibles. Su objetivo principal no es enviar emails ni navegar por internet, sino resolver problemas tan complejos o tan colosales que los ordenadores normales ni siquiera podrían empezar a abordarlos.

La diferencia clave entre un superordenador y un PC doméstico está en la arquitectura y en el número de procesadores que trabajan paralelamente. Mientras que tu portátil del día a día normalmente tiene una CPU con unos pocos núcleos, un superordenador actual puede sumar cientos de miles o incluso millones de núcleos, trabajando todos a la vez para resolver tareas distribuidas.

Historia de los superordenadores: pioneros y evolución

La aventura de los superordenadores comenzó en los años 60 y 70, con la aparición de las primeras máquinas que superaban ampliamente el rendimiento de los ordenadores comerciales de la época. Uno de los primeros hitos fue el IBM 7030 Stretch y el UNIVAC LARC. Sin embargo, el nombre propio más celebrado en este mundo es el de Seymour Cray – conocido como el «padre de la supercomputación».

Cray, trabajando primero en Control Data Corporation (CDC) y luego en su propia empresa Cray Research, diseñó máquinas como el CDC 6600 y el Cray-1 que marcaron el inicio de la era dorada de la supercomputación. El CDC 6600, lanzado en 1964, era ya diez veces más rápido que los ordenadores más potentes disponibles entonces, alcanzando las 3 mega-operaciones de coma flotante por segundo (FLOPS).

Durante los años 70 y 80, la evolución fue vertiginosa. Cray, IBM y otras firmas como NEC o Fujitsu construyeron máquinas cada vez más rápidas y eficientes. Aparecieron conceptos clave como el procesamiento vectorial y, poco después, la computación paralela masiva, es decir, sistemas que dividían las tareas en pequeños “pedazos” para que cada procesador o nodo hiciera su parte al mismo tiempo.

En los años 90, la llegada de internet, el abaratamiento del hardware y el auge de sistemas operativos como UNIX y más tarde Linux, permitieron que la supercomputación diera un salto brutal, democratizándose paulatinamente en el ámbito académico, empresarial y científico. Hoy, la carrera alcanza una nueva frontera: los exaflops, es decir, millones de billones de operaciones matemáticas por segundo.

¿Cómo funciona un superordenador?

La arquitectura de un superordenador se basa en la computación paralela. En lugar de resolver las tareas una detrás de otra (como un PC normal), el trabajo se divide y se procesa simultáneamente en miles de procesadores o nodos interconectados.

Cada «nodo» suele contar con su propia CPU (o grupo de CPUs), una cantidad enorme de memoria RAM y acceso a redes ultrarrápidas para compartir información al instante con los demás nodos. La clave está en que el sistema operativo y las aplicaciones estén programados para sacar rendimiento a este paralelismo, de manera que el problema se distribuye eficientemente y se recojan los resultados en tiempo récord.

La velocidad no lo es todo: la eficiencia energética, la capacidad de almacenamiento y la conectividad de red también son cruciales. Estos sistemas pueden manejar desde bases de datos de millones de terabytes hasta simulaciones en tiempo real de fenómenos astronómicos, climáticos o biológicos extremadamente sofisticados.

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¿Cómo se mide la potencia de un superordenador?

La unidad de medida de referencia es el FLOPS (acrónimo de «Floating Point Operations Per Second» o «operaciones de coma flotante por segundo»). No es casualidad: las aplicaciones científicas requieren una precisión numérica mucho mayor que la suma y resta sencillas, y el cálculo en coma flotante es el más exigente para las máquinas.

En los años 80 un «gigaflop» (mil millones de operaciones por segundo) era la cima. En los 2000 se pasó a los «teraflops» (millones de millones), luego a los «petaflops» (mil billones) y actualmente los «exaflops» (un millón de billones por segundo) marcan la frontera de la excelencia. Los superordenadores actuales pueden superar continuamente la barrera del exaflop en entornos controlados.

Características técnicas fundamentales

• Procesamiento paralelo masivo: miles o millones de núcleos de CPU/GPU trabajando juntos.
• Gran capacidad de memoria: sistemas con varios petabytes de RAM.
• Redes de interconexión ultrarrápidas entre nodos, fundamentales para evitar cuellos de botella.
• Almacenamiento de datos a escala monstruosa: cientos de petabytes en muchos casos, especialmente para procesar macrodatos (big data).
• Altísima eficiencia energética, gracias a sistemas avanzados de refrigeración (muchos ya usan refrigeración líquida) y arquitectura optimizada para consumo moderado.
• Funcionamiento sobre sistemas operativos de código abierto, mayoritariamente Linux, con versiones muy personalizadas y adaptadas a cada máquina y aplicación.

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Diferencias entre superordenadores y ordenadores personales

Mientras que un ordenador personal se orienta a tareas generales (ofimática, navegación web, juegos, etc.), un superordenador se diseña y optimiza para cálculos científicos, simulaciones a gran escala, análisis de datos masivos y procesamiento de tareas muy específicas.

Aquí van las diferencias clave:

• Escalabilidad: un superordenador puede sumar decenas de miles de procesadores, mientras que un PC se limita normalmente a unas pocas CPU o GPU.
• Especialización del hardware: los superordenadores usan componentes seleccionados y diseñados para trabajar ininterrumpidamente a máxima carga, con sistemas de refrigeración y alimentación únicos.
• Software y sistemas operativos: Linux, UNIX y otros sistemas de código abierto altamente personalizados, dejando fuera los sistemas operativos comerciales convencionales.
• Tamaño y coste: puede requerir una sala completa con sistemas avanzados de ventilación, electricidad y seguridad.

Principales usos y aplicaciones de los superordenadores

Las aplicaciones reales de los superordenadores son tan apasionantes como diversas. Aquí tienes una selección donde realmente marcan la diferencia:

• Investigación científica: desde el modelado de la evolución del universo, la dinámica de fluidos en astrofísica, hasta estudios sobre el genoma humano y el plegamiento de proteínas para enfermedades como el alzhéimer o el cáncer.
• Predicción meteorológica y climatología: simular el clima global, anticipar tormentas, ciclones y cambios del clima en décadas futuras, lo que resulta vital para la agricultura, la gestión de recursos y la seguridad civil.
• Simulación de estructuras físicas y materiales: estudios de aerodinámica para automoción y aviación, diseño de nuevos materiales, análisis de resistencia bajo distintas condiciones extremas, etc.
• Química, biología y farmacología computacional: simulaciones moleculares para descubrir medicamentos, entender mutaciones genéticas, optimizar terapias y reducir drásticamente el tiempo de desarrollo de fármacos.
• Criptografía y seguridad: análisis matemático y prueba de fortaleza de algoritmos criptográficos, así como el desarrollo de nuevos estándares de seguridad para proteger comunicaciones y datos.
• Gobierno, defensa y ciberseguridad: gestión de comunicaciones cifradas, desarrollo de sistemas de alerta temprana y simulaciones estratégicas.
• Big Data y macrodatos: procesado y análisis de volúmenes ingentes de información para aplicaciones en ciencia, negocios, estudios sociales, etc.
• Industria del entretenimiento: generación de animaciones complejas y efectos especiales en películas, videojuegos y simulaciones virtuales.
• Inteligencia Artificial y aprendizaje automático: entrenamiento de modelos avanzados, optimización de redes neuronales profundas, generación de nuevos algoritmos más eficientes y eficaces.

Ejemplos de superordenadores más potentes: el Top 5 mundial

Cada seis meses, la comunidad internacional publica el ranking TOP500 de los superordenadores más veloces del planeta. Estos son los líderes actuales:

1. Frontier (EE.UU.): Instalado en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (Tennessee), es el primer sistema a exaescala de la historia, superando el exaflop/s sostenido. Utiliza arquitectura HPE Cray EX235a, procesadores AMD EPYC y casi 9 millones de núcleos.
2. Fugaku (Japón): Desarrollado por Fujitsu y el Centro de Ciencias de la Computación RIKEN en Kobe, basado en arquitectura ARM, utiliza el sistema operativo Red Hat Enterprise Linux y ha sido esencial para investigaciones de la COVID-19.
3. LUMI (Finlandia): Es el sistema europeo más potente, con 362.496 núcleos capaces de alcanzar más de 375 petaflops sostenidos.
4. Leonardo (Italia): Instalado en el centro de datos CINECA, este monstruo combina ordenadores Atos BullSequana con casi 14.000 GPU Nvidia para tareas científicas de alto nivel.
5. Summit (EE.UU.): Creado por IBM para el Oak Ridge National Laboratory, combina más de 9.000 procesadores y puede almacenar 250 petabytes de información.

Otros sistemas icónicos en la historia han sido el IBM Roadrunner, el Tianhe 1A chino, o el Jaguar estadounidense, que dominaron las listas en diferentes momentos.

Distribución geográfica de los superordenadores

Tradicionalmente, Estados Unidos y China han liderado el ranking de los países con mayor número de superordenadores en el TOP500, aunque Europa y Japón han avanzado mucho en los últimos años.

En la última década, la tendencia muestra una presencia creciente de superordenadores en Asia (China, Japón, Corea del Sur), en América (EE.UU., Brasil, Canadá), y también en Europa (Alemania, Francia, Reino Unido, Italia, Finlandia, entre otros). España, por ejemplo, cuenta con la Red Española de Supercomputación liderada por el Barcelona Supercomputing Center.

Sistemas operativos y software en supercomputación

Si bien los primeros superordenadores funcionaban con sistemas operativos específicos a medida para cada modelo, desde finales de los 80 y especialmente durante los 90, UNIX y, sobre todo, Linux, han conquistado la supercomputación.

¿Por qué Linux? Hay varias razones clave:

• Es un sistema abierto y personalizable, lo que permite a los ingenieros y desarrolladores modificar el código fuente para optimizar el rendimiento y adaptarlo a los requisitos de cada superordenador.
• Permite una gestión eficiente de recursos, ya que se puede afinar el sistema para que sólo se utilicen los procesos estrictamente necesarios.
• Su arquitectura modular permite añadir o quitar componentes (drivers, módulos, etc.) sin interferir en el resto del sistema.
• Excelente soporte comunitario y bajo coste, lo que facilita la innovación, la escalabilidad y la seguridad.
• Flexibilidad para todo tipo de cargas de trabajo: desde simulaciones tradicionales hasta inteligencia artificial o manejo de macrodatos.

Enfriamiento, consumo energético y sostenibilidad

Al trabajar con millones de operaciones por segundo, los superordenadores generan grandes cantidades de calor. Por ello, sistemas avanzados de refrigeración son imprescindibles. Muchos centros han migrado a la refrigeración líquida, y en algunos casos incluso se recicla el calor desprendido para climatizar edificios.

El consumo energético es igualmente relevante: los superordenadores más modernos tratan de maximizar la eficiencia por watt, logrando cifras de cientos de gigaflops (o más) por vatio consumido. De ahí la importancia de arquitecturas optimizadas y la innovación hacia tecnologías sostenibles.

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Supercomputación e Inteligencia Artificial

Uno de los campos donde más rápidamente se están aplicando los superordenadores es la inteligencia artificial. Gracias a su capacidad para procesar y entrenar modelos con enormes volúmenes de datos, los algoritmos de machine learning y deep learning se benefician enormemente.

Las GPU (unidades de procesamiento gráfico) tienen un papel fundamental, ya que son especialmente eficientes en cálculos paralelos como los que requieren los modelos de IA. Además, el uso de sistemas híbridos con CPU y GPU, y la arquitectura flexible de Linux, acelera la investigación en este sector puntero. Así, áreas como la teoría cósmica, la física de partículas, o la gestión de datos complejos, encuentran soluciones que antes eran impensables.

Ejemplos de proyectos y consorcios internacionales

• Top500: Lista global que evalúa y publica el rendimiento de los superordenadores cada seis meses.
•  Red Española de Supercomputación (RES): Proyecto puntero en España para impulsar el uso de la supercomputación en ciencia e industria.
• PRACE (Partnership for Advanced Computing in Europe): Alianza europea para acelerar proyectos científicos y tecnológicos mediante el acceso a superordenadores de última generación, por ejemplo, durante la pandemia de COVID-19.

¿Qué futuro le espera a la supercomputación?

La carrera por la velocidad y la eficiencia en la supercomputación está más viva que nunca. La próxima frontera es la exaescala: sistemas capaces de realizar más de un exaflop (un millón de billones de operaciones por segundo). Al mismo tiempo, crecen las aplicaciones en inteligencia artificial, medicina personalizada, tecnologías emergentes como la computación cuántica o la simulación climática de mayor resolución.

Europa, Asia y América están invirtiendo como nunca en sus propios ecosistemas de supercomputación, conscientes de que es una infraestructura crítica para la ciencia, la seguridad y la economía del futuro. La cooperación internacional y la sostenibilidad serán claves en la próxima década.

Un papel invisible, pero esencial, en el avance humano

Quizá nunca entres físicamente en una sala de supercomputación, ni tengas uno en casa, pero lo cierto es que su influencia nos toca de cerca: desde los modelos de predicción meteorológica que ves en la tele hasta el desarrollo de nuevos medicamentos, la optimización de la energía, la seguridad informática y un largo etcétera. Son auténticos laboratorios digitales donde el futuro se prueba a máxima velocidad.

La supercomputación es el músculo digital que mueve el progreso científico y tecnológico global. Entender qué es, cómo funciona y para qué sirve es asomarse a la trastienda de los mayores avances de la humanidad. En un mundo cada vez más dominado por los datos y la ciencia, seguir el pulso de los superordenadores es, en el fondo, ver de cerca el futuro que nos espera.

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