¿Cuántos petaflops se necesitan para aterrizar en la luna? ¿Qué necesita Artemis con un Aitken?

Las cinco respuestas principales a The Martian: ¿Realmente se necesita una supercomputadora para calcular las maniobras de los vuelos espaciales? son esencialmente "no, la mecánica orbital no es ciencia espacial". De acuerdo, he usado alguna licencia artística allí, pero en estos días incluso las computadoras portátiles hacen gigaflops, y eso ni siquiera cuenta la GPU; la optimización de trayectorias como un vuelo de la Tierra a la Luna probablemente no necesitará supercomputadoras por lo que puedo decir.

Así que me sorprendió leer lo siguiente:

Aitken constará de 1150 nodos, y cada nodo utilizará dos procesadores escalables Intel Xeon de segunda generación de 20 núcleos e interconexiones Mellonox InfiniBand. Las cifras totales de Aitken llegan a 46 080 núcleos y 221 TB de memoria en 1150 nodos para 3,69 petaflops de rendimiento máximo teórico.

Aitken residirá en la nueva instalación de supercomputación modular Ames de la NASA, que tuvo su gran inauguración el jueves pasado. La nueva instalación se basa en un diseño de centro de datos modular (MDC) y puede acomodar 16 módulos, con Aitken reclamando el primero. Aitken ayudará a aterrizar astronautas en la región del Polo Sur de la luna para 2024, como parte del programa Artemis de la NASA.

La nueva supercomputadora será utilizada por más de 1500 científicos e ingenieros de todo el país, incluso en proyectos como el desarrollo de un cuadricóptero más eficiente o la simulación del interior de nuestro sol. El trabajo en la parte superior de la lista de prioridades será ejecutar modelos y simulaciones de la entrada, el descenso y el aterrizaje en la luna para el proyecto Artemis.

Pregunta: ¿El "modelado y las simulaciones de la entrada, el descenso y el alunizaje" realmente necesitan más de 46 000 núcleos, 3,69 petaflops y 221 TB de memoria?

¿Qué significa "entrada" al aterrizar en la Luna?

si aceptan cumplir con nuestro horario, les daremos esta computadora nueva y reluciente...
Si está modelando el comportamiento de la estructura de la nave espacial (vibración, por ejemplo), podría consumir fácilmente toda esa CPU
Espero que la entrada no signifique una entrada atmosférica a la Luna. Tal vez una entrada en una órbita lunar.
Pueden simular 46000 variaciones de la trayectoria desde el cabo en Florida hasta el polo sur de la Luna a la vez en menos de un minuto. Encontrar la ventana de lanzamiento óptima calculando la trayectoria cada 15 minutos dentro de un año completo necesitaría 35040 variantes.
Imagen filtrada de la simulación de Aitken: fictionphile.com/wp-content/uploads/2019/06/…
Hace años, Jack Ganssle despotricó que desde el momento en que su nueva y brillante computadora portátil Vaio se encendió hasta que Windows le permitió iniciar sesión, su CPU podría haber ejecutado cada sim que ejecutó en su carrera de Apollo... un millón de veces.
En respuesta a la pregunta del título, aterrizar en la Luna no requiere matemáticas de punto flotante .
@Mark true, el AGC usó un punto fijo, pero la planificación de la trayectoria en la Tierra se realizó utilizando máquinas IBM 7000-series y System / 360, que ciertamente tenían flotadores.
No solo GFLOP/s. Cientos de GFLOP/seg la iGPU en una computadora portátil/de escritorio Intel i3 a i7 de gama media - 6/7/8xxx chip hace ~400GFLOP/s (precisión simple). En el lado de la CPU, un matmul denso en un Haswell o posterior o Zen2 puede llegar a saturar las unidades de ejecución SIMD de ancho de 256 bits FMA (2 por reloj de 4x doble o 8x flotante). Así que tenemos 16 DP FLOP/ciclo/núcleo de 3 a 4 GHz = 96 GFLOP/s de doble precisión en un doble núcleo de 3 GHz. (máximo teórico)
De hecho, es necesario para los gráficos cuando se ejecuta Kerbal Space Program.

Respuestas (4)

En primer lugar, puede requerir mucha potencia informática para calcular trayectorias si involucran múltiples tirachinas gravitacionales para reducir el uso de combustible. Esto no se debe a que calcular cada segmento sea difícil, sino a que el espacio de búsqueda es al menos potencialmente exponencial en el número de tirachinas gravitacionales. Estoy bastante seguro de que esto es a lo que se refería la cosa en The Martian . (Puede haber trucos inteligentes para reducir el espacio de búsqueda que no conozco).

¡Sin embargo, una trayectoria Tierra-Luna probablemente no incluya muchas hondas!

Pero computar trayectorias no es todo en los vuelos espaciales: ni siquiera es la mayor parte. Por ejemplo, es muy posible que desee saber cómo se comporta su diseño en la atmósfera, o cómo se comportan sus motores bajo carga, o qué modos de vibración van a ser un problema en la estructura de su vehículo y cómo puede minimizar la masa. mientras que la cosa no sufra pogo o alguna otra vibración desafortunada, aún menos fallará por completo. ¿Es lo suficientemente fuerte como para soportar impactos de varios tipos? ¿Cómo falla su elegante material cuando es golpeado por pedazos de espuma, por ejemplo? Y hay muchas, muchas otras preguntas de ingeniería para las que necesita respuestas.

Puede resolver estos problemas de varias maneras:

  • sobredimensione la cosa para que esté bastante seguro de que no sufrirá ninguno de los anteriores;
  • construir muchas cosas experimentales, volarlas y ver qué sale mal, refinando el diseño sucesivamente;
  • construir modelos de la cosa, en una computadora, y simular su comportamiento.

El último de estos es mucho más barato que los dos primeros: le permite explorar una gran cantidad de opciones y da como resultado algo que puede ser casi óptimo, sin tener que construir físicamente muchos vehículos experimentales y partes de ellos.

Así que compra (tiempo en) un sistema HPC y lo hace.

Un poco fuera de tema, pero aquí hay un buen documento sobre cómo limitan el espacio de búsqueda de trayectorias de asistencia gravitacional y optimizan los algoritmos para encontrarlas. Es una lectura realmente densa, pero en última instancia genial. En inteligencia artificial, a menudo es importante especificar lo que sabe que es incorrecto si lo que está buscando no es perceptiblemente finito para acelerar los algoritmos.
Si mal no recuerdo, la situación en The Martian era una honda alrededor de la Tierra , ya que la nave ya estaba en camino de regreso allí y esa era en realidad la forma más rápida de revertir la trayectoria y regresar a Marte (después de un reabastecimiento apresurado en medio de la maniobra). Ha pasado un tiempo y recuerdo más el libro que la película, por lo que puede haber diferencias entre ellos.
@MagicOctopusUrn: gracias, leeré eso: tengo algo de historia en la IA de búsqueda a la antigua, así que estoy interesado en esto.
@DarrelHoffman: Creo que eso también sucedió en la película, y me parece que algo así no puede requerir grandes recursos para computar, pero tal vez me equivoque.
En otras palabras, no necesita una supercomputadora para calcular la trayectoria, pero sí la necesita si está investigando, por ejemplo, las propiedades de varios materiales considerados como escudos térmicos.
En cuanto a The Martian , también hay otro factor en juego: su objetivo era llegar a Marte lo antes posible dado el delta-v disponible. AFIAK no existe una solución simple para el problema, debe buscar en todo el espacio del problema. Dado que una vida estaba en juego, no se arriesgará a quedar atrapado en un óptimo local, simulará todo en lugar de intentar converger en la respuesta correcta. No es que cualquier proyección sea tan difícil, es que ejecutas muchas de ellas.

Todo ese poder de cómputo no está dedicado al proyecto Artemis. Como cita en el cuerpo de su pregunta,

La nueva supercomputadora será utilizada por más de 1500 científicos e ingenieros de todo el país, incluso en proyectos como el desarrollo de un cuadricóptero más eficiente o la simulación del interior de nuestro sol.

No todo este poder de cómputo se utiliza para el proyecto Artemis, por lo que está claro que no necesita todo para simular un alunizaje. Sin saber más acerca de las simulaciones reales que están ejecutando, es casi imposible decir cuánta potencia informática se necesita realmente. Diablos, puedo iniciar el Programa espacial Kerbal en mi computadora portátil de 5 años y simular un alunizaje, pero tengo que asumir que las simulaciones de la NASA son un poco más detalladas que eso.

El problema con "No se usa toda esta potencia de cómputo..." es que incluye "se usa cero de esta potencia de cómputo". Creo que una buena respuesta debería explicar si Artemis necesita una fracción razonable, como 5% o 20%, o no.
HPE construye una supercomputadora para la NASA, destinada a futuras misiones lunares es un error de empalme de coma. La NASA está dirigida a la luna, no a la computadora, que a diferencia de este título de clickbait sugeriría, la nueva supercomputadora de alunizaje de la NASA es más poderosa y más ecológica , no aterrizará en la luna. - Si necesita más de 1.500 razones para la justificación, supongo que es la capacidad de realizar cualquier cálculo concebible en tiempo real.
@uhoh Bueno, presumiblemente parte del poder se está utilizando para Artemisa, a menos que la afirmación citada en la pregunta sea simplemente falsa. Y, como explica la respuesta, es imposible estimar la proporción real a partir de la información disponible. Su pregunta es como "¿Hablar con su abuela realmente requiere gigabytes de almacenamiento y más potencia de CPU y resolución de gráficos que una PC de escritorio recientemente?" "No. La gente también usa sus teléfonos celulares para otras cosas". "Pero, ¿qué proporción de tiempo pasa la gente hablando con sus abuelas?"

¿El "modelado y las simulaciones de la entrada, el descenso y el alunizaje" realmente necesitan más de 46 000 núcleos, 3,69 petaflops y 221 TB de memoria?

No. Una máquina con la potencia de una Raspberry Pi es lo suficientemente buena para resolver algunos problemas de simulación. Una buena máquina de escritorio tendrá empuje más que suficiente para resolver muchos, muchos más problemas de simulación. Por otro lado, hay una pequeña cantidad de problemas que requieren grandes cantidades de potencia computacional.

Combinando la simulación de varios kilohercios que se necesita para investigar los problemas de flexión y chapoteo con el modelo de gravedad terrestre 2159x2159 EGM2008, el modo de rotación terrestre más alto, el modelo de atmósfera terrestre de mayor precisión, y luego usarlo para realizar decenas de miles de carreras de Monte Carlo desde el lanzamiento para aterrizar, y sí, es posible que necesite una supercomputadora. Pero hacerlo es más que estúpido.

Dicho esto, algunas partes de la NASA aman la exageración y tienen una mentalidad de talla única. Esto conduce a una sola simulación capaz de modelar flex, slosh, usa una gravedad terrestre de 2159x2159 y usa un modelo de atmósfera terrestre ridículamente costoso con un modelo de placa del vehículo. En este caso, uno bien podría necesitar una supercomputadora para resolver los problemas más simples. O uno podría obtener cualitativamente los mismos resultados utilizando una simulación mucho más simple que funciona bastante bien en una Raspberry Pi.

Los científicos computacionales, por regla general, intentan utilizar el modelo computacionalmente más eficiente disponible que reproduzca con precisión el fenómeno de interés. A veces esto es difícil de hacer y los científicos se equivocan por el lado de la precisión. Sin embargo, parece dar a entender que la NASA está perdiendo el tiempo de la supercomputadora usando modelos que son innecesariamente caros para ese propósito. ¿Tiene alguna evidencia de que se hayan realizado estas simulaciones supuestamente "excesivas" (publicaciones de científicos de la NASA)? ¿Han señalado esto otros científicos en la literatura?
@WaterMolecule esto probablemente proviene de un conocimiento directo y de primera mano. Puede consultar los perfiles de las personas y, a veces, descubrir cosas.

Ayudarán a Artemisa, pero no como crees

La experiencia con el programa Apolo nos dice cuánta potencia informática se necesita para llegar a la luna. La nave espacial en sí estaba controlada por la computadora de guía Apollo , que tenía un conjunto de instrucciones, velocidad de instrucción y espacio de memoria algo comparable al microcontrolador dentro de un horno de microondas en la actualidad.

Así que no necesitas una supercomputadora para operar la nave espacial.

Parece haber una idea errónea de que la AGC era autónoma. De hecho, la mayoría de los programas requerían que se calcularan previamente docenas de parámetros en Houston y luego se ingresaran en el AGC. Estos cálculos de parámetros fueron realizados por mainframes de IBM en Houston. Según el Informe resumido del programa Apollo , sección 7.3.1 "Sistemas de mando":

La computadora había madurado, al igual que el uso de las comunicaciones digitales. Si bien la modulación de radiofrecuencia permaneció igual, las computadoras 642B modificadas reemplazaron el sistema de comando digital. Los comandos de enlace ascendente ya no se transmitían directamente desde Houston. Cada computadora de la estación remota se programó con palabras de comando únicas, y la decisión de ejecución del Centro de control de la misión se convirtió en solicitudes de palabras de comando preprogramadas. Además, el Centro de control de la misión ya no estaba limitado a la ejecución de comandos a través de tres estaciones porque 13 estaciones de primer rango dentro de la Red de vuelos espaciales tripulados estaban conectadas a una computadora 494 en Houston por una computadora 494 similar en el Centro de vuelos espaciales Goddard en Greenbelt, Maryland. .

Aunque los teléfonos tontos de hoy son más poderosos que esos mainframes, en ese momento eran lo último en tecnología. Houston no tenía una ventaja sobre la nave espacial en términos de mejores computadoras, pero también tenía más experiencia y un mejor seguimiento de la posición y la velocidad de la nave espacial.

Por lo tanto, no necesita una supercomputadora para calcular la trayectoria de la nave espacial.

Entonces, ¿por qué la NASA tiene supercomputadoras ? Como expliqué en mi respuesta de Retrocomputing a "¿El lanzamiento de un transbordador tomó la mayor parte de la potencia informática del mundo?",

La división realiza cálculos de dinámica de fluidos, diseño de aeronaves, modelado meteorológico y predicción de corrientes oceánicas. También cuentan con recursos para visualización de datos y almacenamiento masivo de datos. Todo esto es para investigación, y en realidad no es necesario para el lanzamiento de un transbordador.

Artemis necesitará motores de cohetes. Si se están diseñando nuevos, querrá simular los flujos dentro del motor. Necesitarás una supercomputadora para eso.

Artemis necesitará un vehículo para volver a entrar en la atmósfera de la Tierra. Querrá simular el reingreso de varias formas y tamaños. Necesitarás una supercomputadora para eso. (De hecho, la forma final del transbordador espacial se desarrolló a través de simulaciones de supercomputadoras).

Los lanzamientos y aterrizajes necesitan conocer el clima, con muchos días de anticipación. Necesitarás una supercomputadora para eso.

Así que necesitarás una supercomputadora, pero no de la forma que esperabas.

¿Cuántos petaflops se necesitan para aterrizar en la luna? ¿Qué necesita Artemis con un Aitken?
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