La Universidad de La Laguna (ULL) ha acogido la defensa de una tesis doctoral que aborda reducir el impacto energético y mejorar la eficiencia energética en los procesos computacionales, necesarios para la mayoría de los avances científicos. El trabajo analiza el rendimiento y la eficiencia energética del programa de simulación Vienna Ab initio (VASP). La tesis destaca que ajustes precisos en la configuración de los programas pueden traducirse en ahorros importantes de energía, tiempo y recursos.
El trabajo lo ha desarrollado Isidoro Nieves Pérez bajo la dirección de Vicente Blanco. Su disertación se enmarca dentro del Programa de Doctorado en Ingeniería Industrial, Informática y Medioambiental. La investigación surge de una inquietud por el impacto energético del VASP, que requiere de computación de alto rendimiento (HPC, de sus siglas en inglés) para solventar la complejidad de sus cálculos. Con este programa se puede entender y predecir el comportamiento de los materiales, por ejemplo, para el diseño de nuevos componentes, desarrollo de fármacos o avances en la electrónica. Sin embargo, su utilización requiere un alto coste energético.
Un aspecto clave es la falta de conexión entre el uso científico del software y el aprovechamiento de los recursos en entornos de supercomputación. El fin es proponer estrategias que faciliten al personal investigador la selección de los mejores recursos HPC para sus estudios.
El investigador indaga en el tipo de configuración más eficiente a través de los niveles de paralelización que permite VASP, es decir, en las diferentes maneras en las que se puede distribuir la carga de cómputo entre los múltiples procesadores de la máquina para mejorar las simulaciones. Entre las técnicas de paralelización empleadas se encuentran el estándar de comunicación entre procesos MPI, la programación de memoria compartida OpenMP y la aceleración mediante unidades de procesamiento gráfico (GPU). Al mismo tiempo, también analiza la integración de diferentes arquitecturas CPU y GPU en el consumo energético.
Optimización energética en supercomputación científica
Una de las contribuciones clave de la tesis doctoral fue la implementación de una interfaz para conectar Fortran, el lenguaje de programación de VASP, con la librería de medición de energía (EML, de sus siglas en inglés), desarrollada en la Universidad de La Laguna por el grupo de Computación de Altas Prestaciones en código C. La EML fue una herramienta importante para medir el consumo energético y el tiempo de cómputo de forma detallada sin instrumentación externa, pues permite comunicarse con procesadores Intel y tarjetas NVIDIA dentro de los HPC.
Las pruebas se dividieron en dos etapas que se ejecutaron en el Clúster de computación de altas prestaciones Verode de la institución académica. En la fase de experimentación preliminar, se estudiaron diferentes librerías matemáticas, versiones y parámetros del programa para determinar cuál de ellos resultaba más eficiente. La segunda etapa fue el análisis de escalabilidad, donde se puso a prueba cómo se comportaba el sistema y qué opciones resultaban más recomendables dependiendo del tamaño de la muestra de trabajo.
La defensa de la tesis evidenció que no existe una única configuración óptima para la ejecución de VASP. Si bien la versión más actualizada del programa (6), y la librería Intel MKL presentaron mejor eficiencia, el rendimiento y el consumo energético dependen en gran medida del tamaño de la simulación y el tipo de cálculo. En este sentido, las técnicas de paralelización son las que juegan un papel fundamental. Para sistemas pequeños, las CPUs multinúcleo con MPI pueden ser suficientes, en cambio, para las simulaciones más complejas, las GPUs o enfoques híbridos GPU-OpenMP ofrecen mejoras sustanciales.
Las conclusiones de la investigación subrayan que ajustes precisos en la configuración de los programas pueden traducirse en ahorros importantes de energía, tiempo y recursos, lo que refuerza la idea de que la sostenibilidad también se puede construir desde el código.