HPC Academy - Aprende sobre Supercomputadoras

1. Arquitectura General de una Supercomputadora

Haz clic en cada componente del esquema interactivo para examinar sus especificaciones técnicas.

Usuario / Cliente SSH

Acceso mediante Putty/OpenSSH

Nodo Maestro (Head Node)

Login, Slurmctld, Compilación

Interconexión de Alta Velocidad

InfiniBand / RoCE
(200-400 Gbps, latencia < 1µs)

Nodos de Cómputo (node01-node04)

Ejecución paralela intensiva

Almacenamiento Paralelo

Sistemas Lustre / GPFS / BeeGFS

Nodo Maestro (Head Node / Login Node)

Es la puerta de entrada a la supercomputadora. Aquí te conectas por SSH, compilas tus ejecutables y envías tareas. Regla fundamental: NUNCA ejecutes código pesado directamente aquí; podrías saturar el sistema para todos los usuarios.

Rol: Login & Control Slurmctld

2. Modelos de Programación Paralela en HPC

Para aprovechar la potencia de una supercomputadora, el software debe dividirse en tareas simultáneas utilizando diferentes paradigmas según la arquitectura física.

OpenMP Memoria Compartida

Utiliza múltiples hilos (Threads) ejecutándose dentro de un mismo nodo físico. Todos los hilos leen y escriben en el mismo espacio de memoria RAM.

#pragma omp parallel for

for (int i=0; i<N; i++) {

c[i] = a[i] + b[i];

}

Alcance: Max 1 Nodo (ej. 64 o 128 cores).

MPI (Message Passing) Memoria Distribuida

Crea procesos independientes que se comunican mediante paso de mensajes explícitos a través de la red InfiniBand entre múltiples nodos.

MPI_Init(&argc, &argv);

MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &rank);

MPI_Send(data, count, MPI_INT, dest...);

MPI_Finalize();

Alcance: Cientos o miles de Nodos.

CUDA / ROCm Aceleración GPU

Descarga cálculos matemáticos masivos a miles de núcleos pequeños de la GPU (NVIDIA/AMD) para lograr aceleraciones de hasta 50x.

__global__ void vectorAdd(...) {

int idx = threadIdx.x + ...;

c[idx] = a[idx] + b[idx];

}

Alcance: Ideal para IA, matrices y simulación.

3. Sistemas de Archivos Paralelos y Buenas Prácticas

En una supercomputadora, el almacenamiento no funciona como en un disco duro común. El mal uso de la I/O puede ralentizar el clúster entero.

Directorio `/home/usuario`

Almacenamiento Permanente / Con Cuota

Diseñado para código fuente, scripts `.slurm` y resultados finales comprimidos.
Cuenta con respaldos periódicos (*backups*).
NO apto para escribir millones de archivos temporales durante ejecuciones.

Directorio `/scratch` (Lustre / GPFS)

Almacenamiento Temporario Alta Velocidad

Sistema de archivos paralelo de alta velocidad de lectura/escritura (TB/s).
Ideal para datos de entrada de simulaciones y archivos intermedios de trabajo.
Purga Automática: Los archivos no modificados por 30 días se eliminan.

4. Planificadores de Tareas (Slurm / SGE / OpenPBS)

Los planificadores gestionan la cola de trabajos para asignar procesadores de manera equitativa mediante políticas de Fair-share y prioridades.

--partition

Selecciona la cola según el tipo de hardware (ej: `standard`, `gpu`, `express`).

--time (Walltime)

Límite máximo de tiempo. Si la tarea sobrepasa este valor, Slurm la cancelará automáticamente.

Fair-share Priority

Si un usuario ha consumido muchos recursos recientemente, sus nuevas tareas tendrán menor prioridad temporal.

5. Contenedores en Supercomputadoras: Singularity / Apptainer

En HPC no se utiliza Docker estándar por motivos de seguridad (requiere privilegios de `root`). En su lugar, el estándar es Apptainer / Singularity.

Seguridad sin Root: Corre completamente con los permisos del usuario sin escalar privilegios.

Soporte Nativo InfiniBand y GPUs: Pasa directamente las tarjetas GPU NVIDIA y la red de alta velocidad dentro del contenedor.

¿Cómo Funciona una Supercomputadora?

1. Arquitectura General de una Supercomputadora

Usuario / Cliente SSH

Nodo Maestro (Head Node)

Interconexión de Alta Velocidad

Nodos de Cómputo (node01-node04)

Almacenamiento Paralelo

Nodo Maestro (Head Node / Login Node)

2. Modelos de Programación Paralela en HPC

3. Sistemas de Archivos Paralelos y Buenas Prácticas

Directorio `/home/usuario`

Directorio `/scratch` (Lustre / GPFS)

4. Planificadores de Tareas (Slurm / SGE / OpenPBS)

5. Contenedores en Supercomputadoras: Singularity / Apptainer

Simulador de Planificador de Tareas (Slurm)

Configurar Trabajo (`sbatch`)

Nodos de Cómputo de la Supercomputadora (4 Nodos / 32 Cores)

Cola de Trabajos (`squeue`)

Salida del Trabajo (`slurm-output.out`)

Linux HPC Sandbox / CLI

Quiz de Autoevaluación HPC (10 Preguntas)