Centrum NASA pro simulaci klimatu

Satelity, vesmírné závody a superpočítače:
Jak se Goddardův počítač Beowulf Cluster od NASA
stal oceněnou vesmírnou technologií

Dne 7. dubna 2022 byla Beowulf Cluster Computing uvedena do Síně slávy vesmírných technologií během 37. výročního Space Symposium pořádaného Space Foundation v Colorado Springs, Colorado. Stanoveným účelem síně slávy je „rozpoznat technologie, které mění životy, vycházející z globálních vesmírných programů; ctít odpovědné vědce, inženýry a inovátory; a sdělit veřejnosti význam těchto technologií jako návratnost investic do průzkumu vesmíru.“

Během slavnostního uvedení byli počítačoví vědci James Fischer, bývalý projektový manažer projektu NASA Earth and Space Sciences (ESS) a Thomas Sterling, bývalý koordinátor hodnocení ESS, oceněni a oceněni za své klíčové role při vývoji prvního Beowulfa. počítačový cluster v NASA Goddard Space Flight Center v roce 1994. Projekt NASA ESS byl součástí programu NASA High-Performance Computing and Communications (HPCC). Fischer se po desetiletí podílel na výzkumu vysoce výkonné počítačové architektury NASA Goddard a Sterling se k týmu připojil v roce 1992, aby pomohl vědcům NASA lépe využívat inovativní paralelní počítačové architektury projektu. Počítačový cluster Beowulf byl pro tým projektu ESS zásadním průlomem: nastavil nový standard pro škálovatelné paralelní výpočty využívající pole levných, síťově propojených osobních počítačů.

Mike Little, dlouholetý odborník na počítačové systémy NASA, který v 90. letech pracoval v ústředí NASA (HQ) a řídil jinou část superpočítačového programu agentury v Code R (bývalé ředitelství výzkumu a inženýrství), připomněl, že věděl o práci Fischera a Sterlinga a zúčastnil se hodnocení programu HPCC v ústředí NASA. Little si vzpomněl: „Byl jsem si plně vědom toho, co dělali na projektu ESS, a byl jsem z toho nadšený.

Little si všiml dopadu projektu ESS, který změnil život, a poznamenal: „Počítačový cluster Beowulf byl průlomem v NASA, který umožnil mnoho dalších inovací, včetně přesných, daty řízených numerických předpovědí počasí a vývoje konstrukce letadel bez využití aerodynamických tunelů. Prakticky všechny ostatní oblasti vědy, matematiky a biologie nadále přímo těží z této průkopnické práce.“

Co však bylo původním impulsem pro NASA k vývoji rychlejších počítačů? Jaká technická a společenská prostředí podnítila tyto inovace? Podle Jima Fischera jde o příběh, který sahá až do Vesmírného závodu v polovině 50. let, kdy Spojené státy a bývalý Sovětský svaz během historické studené války soupeřily o nadvládu v raketové technologii a schopnostech vesmírných letů.

V roce 1955 Eisenhowerova administrativa veřejně oznámila záměr vypustit americkou vědeckou družici na oběžnou dráhu během Mezinárodního geofyzikálního roku (IGY), který trval od července 1957 do prosince 1958. Toto společné globální vědecké výzkumné úsilí bylo navrženo tak, aby studovalo několik fenoménů vědy o Zemi, shromažďovat data a sdílet výsledky výzkumu mezi desítkami zúčastněných zemí. Bylo také založeno několik světových datových center pro ukládání sdílených dat IGY. Mezi pozoruhodné výsledky průzkumů IGY patří potvrzení teorie deskové tektoniky, polární průzkum, objev Van Allenových radiačních pásů v magnetosféře Země a vývoj vědeckých satelitů.

Poté, co Sovětský svaz v říjnu 1957 úspěšně vypustil první satelit Sputnik a dosáhl tohoto milníku vesmírných letů dříve, než to dokázaly Spojené státy, začala takzvaná „krize Sputniku“ se šokujícím dojmem, že USA zaostávaly za Sovětským svazem v technologickém a přírodovědném vzdělávání. V reakci na to americká vláda zdvojnásobila své úsilí o pokrok v kosmických letech.

Kongres USA rychle schválil Národní zákon o letectví a kosmonautiku z roku 1958 a z krize ve Sputniku se zrodily dvě nové vládní agentury: civilně orientovaný Národní úřad pro letectví a vesmír (NASA) a vojensky orientovaný Defence Advanced Research Projektová agentura (DARPA). NASA se stala nástupcem svého předchůdce, bývalého Národního poradního výboru pro letectví (NACA), civilní skupiny založené v roce 1915, aby během první světové války dohnala tehdejší špičkovou evropskou leteckou technologii. Výbor NACA prezidentem jmenovaných, jehož součástí byl průkopnický letec Orville Wright, založil Langley Research Center (LaRC) v Hamptonu ve Virginii v roce 1920 a začal stavět sérii aerodynamických tunelů pro testování nových letadel, což je klasický příklad komerčních a veřejných výhod. technologií odvozených od NASA.

V květnu 1959 NASA zřídila své první zařízení pro lety do vesmíru v Greenbeltu v Marylandu, Goddard Space Flight Center. Námořní výzkumná laboratoř Spojených států vyvinula projekt Vanguard s cílem vypustit vědecký satelit během IGY pomocí 3stupňové rakety Vanguard a sledovat kosmickou loď. Po startu Sputniku byli zaměstnanci NRL z Project Vanguard převedeni z laboratoře ve Washingtonu, DC do NASA Goddard. Projekt Vanguard byl poté řízen NASA a zaměstnanci satelitu se stali prvními obyvateli nového zařízení NASA.

Tři z jedenácti startů satelitů Vanguard byly úspěšné, včetně posledního satelitu vypuštěného v září 1959, Vanguard III. Na palubě byly čtyři různé experimenty, které měřily magnetické pole Země; rentgenové emise ze Slunce; horní hustoty atmosféry; a dopad mikrometeoritů na vnější plášť malé kosmické lodi (průměr 50,8 cm). Družice Vanguard III je i po 62 letech stále na oběžné dráze Země a může pokračovat na oběžné dráze dalších 200 let.

Počáteční počítačový výzkum v NASA Goddard byl reakcí na vesmírný závod v polovině 20. století. Bývalý manažer projektu NRL Vanguard Jack Townsend se stal asistentem ředitele pro vesmírnou vědu a satelitní aplikace v NASA Goddard a David Schaefer, fyzik, který byl součástí původního týmu NRL, který pracoval na telemetrickém systému satelitů Vanguard, přešel z NRL do NASA. ve stejnou dobu.

Schaefer byl odborníkem na magnetické zesilovače. V NRL vyvinul radiotelemetrii pro družice Project Vanguard, umožňující přenos počtu zásahů mikrometeoritů v reálném čase zpět do přijímačů na Zemi. V NASA Goddard převzal Schaefer roli vývoje výpočetní techniky pro vesmír.

S každým novým satelitem, který byl vyvinut v NASA Goddard, bylo postupně přidáváno více palubních počítačů, přičemž Schaefer létal s prvním tranzistorem a prvním integrovaným obvodem ve vesmíru. Fischer připomněl: „Přidání palubních počítačů se stalo něčím, co vědci ocenili, protože kdyby měli na palubě nějaký druh inteligence, mohli by získat zpět více vědeckých dat díky práci s lidmi, kteří pracují na počítači. Postupem času se Schaeferova pozornost rozšířila také na zlepšování schopnosti tehdejších pozemních počítačů zachytit vědecká data přenášená každým novým satelitem.

Počáteční rychlost přenosu dat byla jeden bit za sekundu, ale když se rychlost přenosu dat v 70. letech zvýšila, data se v NASA Goddard začala hromadit v obrovských místnostech plných kulatých úložných pásek, které bylo nutné indexovat, namontovat a požádat o přístup. . Celý proces byl neefektivní, časově náročný a drahý. V 70. letech 20. století manažeři NASA předpokládali potřebu výrazně zvýšit rychlost stahování pro nové družice Landsat pro pozorování Země. Vzhledem k tomu, že družice Landsat vytvoří kompletní snímek zemského povrchu za něco málo přes dva týdny, nárůst objemu dat si vyžádal efektivnější přenos dat a také rychlejší a výkonnější výpočetní schopnosti. NASA potřebovala přijít s novým způsobem, jak provádět více zpracování dat na palubě nebo nějak snížit objem dat shromážděných satelity.

S ohledem na tyto potřeby a s přísunem finančních prostředků na řešení požadavků mise Landsat vedl Dave Schaefer svůj tým k vývoji masivního paralelního procesoru (MPP), prvního svého druhu. V roce 1974 najal Jima Fischera, aby pracoval na nápadech pro implementaci MPP. V roce 1978 nastoupil George Rumney, nyní v NASA Center for Climate Simulation (NCCS), aby pracoval na softwaru MPP. Když Schaefer odešel v roce 1981, Fischer se stal vedoucím týmu. Masivně paralelní výpočty se uchytily ve vědecké komunitě NASA a byly komercializovány společnostmi jako Digital Equipment Corporation a MasPar Computer Corporation. Goddardovo úspěšné použití počítače MasPar zajistilo týmu vedoucí roli v projektu ESS programu HPCC od roku 1992.

Jedním z technických cílů ESS bylo vyvinout masivně paralelní pracovní stanici pro použití vědci z Goddardu. S tímto cílem přišel Sterling s nápadem zkombinovat nově dostupný operační systém Linux s otevřeným zdrojovým kódem se špičkovými osobními počítači a ethernetovými kabely pro vytváření sítí a integrovat tyto technologie do počítačových clusterů nazývaných Beowulf. Sterling přivedl na palubu Dona Beckera, aby pomohl s projektem, protože Becker byl linuxový guru, který vyvinul užitečné ovladače Ethernetu a dokázal integrovat prototyp Beowulfa. John Dorband, vedoucí ESS pro systémový software, přijal tuto novou myšlenku a začal pro ni hledat uplatnění mezi sítí vědeckých výzkumníků ESS.

Inženýr počítačových systémů NASA Mike Little, který se stejně jako Fischer a Schaefer již několik desetiletí zabývá špičkovými počítači, poznamenal dopad prvního počítačového clusteru Beowulf a důležitost těchto technologií jako návratnost investic. v průzkumu vesmíru: "Na počátku 90. let, kdy NASA stále více a více závisela na superpočítačích při vytváření modelů založených na fyzice, rozlišení nabývalo na důležitosti." Aby bylo možné tyto modely provozovat, byly zapotřebí větší vektorové superpočítače, ale jejich vysoká cena omezovala to, co si agentura mohla dovolit. Přístup Beowulf nabízel srovnatelný výkon, ale byl desetkrát levnější.

Počítačový cluster Beowulf, vynalezený týmem projektu ESS v NASA Goddard, je základem dnešních špičkových výpočetních systémů. Původní Beowulf byl nový model umožňující efektivní ukládání a získávání masivních datových sad a škálovatelné paralelní výpočty a nastavil nový standard v NASA pro experimentální integraci nových technologií pro urychlení výpočetního výzkumu a přizpůsobení se neustále se měnícímu měřítku vědeckých datových sad. S relativně malým financováním projektu a spoustou vynalézavosti, vášně a kreativity urychlil oceněný projekt Goddardova týmu NASA, který je nyní uveden do Síně slávy vesmírných technologií, globální odklon od drahých proprietárních superpočítačových systémů k přijetí. počítačových clusterů a softwaru s otevřeným zdrojovým kódem vědeckou komunitou.

Kromě dopadu na vědecký výzkum mají výhody této revoluce v clusterovém počítání v NASA Goddard přímý, každodenní dopad na životy Země a jejích obyvatel, protože špičková výpočetní technika neustále experimentuje, vyvíjí se a umožňuje přesné , komplexní, podrobné modely zemského systému používané k pochopení a předpovídání důležitých jevů, jako je arktické zesílení, bouřkové systémy, ozónová klimatologie, sluneční erupce a věda o klimatu.