"Janus II": a new generation application-driven computer for spin-system simulations

Abstract

En este trabajo se describe la arquitectura, el desarrollo y la implementación de Janus II, una aplicación impulsada número uno para la nueva generación optimizada de simulaciones de Monte Carlo en sistemas espín (principalmente, vidrio de espín). Este dominio de la física computacional es un gran reto de la computación reconocida como de alto rendimiento: los recursos necesarios para estudiar en detalle los modelos teóricos que pueden hacer contacto con los datos experimentales son, con mucho, los productos básicos disponibles, más allá de los sistemas informáticos que utilizan. Por otro lado, varias características específicas de los algoritmos asociados sugieren que las arquitecturas de computación no convencionales --que pueden ser implementadas con tecnologías de electrónica disponibles-- conducen al principal orden de magnitud de aumentos en el rendimiento, lo que reduce a valores aceptables en la escala humana el tiempo necesario para llevar a campañas de simulación que tardarían siglos en las máquinas disponibles en el mercado. Janus II es una máquina de este tipo, recientemente desarrollada y puesta en marcha, que se basa en mejoras puntuales en la máquina exitosa JANUS, que se ha utilizado para la física desde el año 2008 y que todavía está en funcionamiento. En este trabajo se describe en detalle las motivaciones del proyecto, los requisitos computacionales, la arquitectura y la implementación de esta nueva máquina y compara sus actuaciones esperadas con las de los sistemas comerciales disponibles en la actualidad.

This paper describes the architecture, the development and the implementation of Janus II, a new generation application-driven number cruncher optimized for Monte Carlo simulations of spin systems (mainly spin glasses). This domain of computational physics is a recognized grand challenge of high-performance computing: the resources necessary to study in detail theoretical models that can make contact with experimental data are by far beyond those available using commodity computer systems. On the other hand, several specific features of the associated algorithms suggest that unconventional computer architectures --that can be implemented with available electronics technologies-- may lead to order of magnitude increases in performance, reducing to acceptable values on human scales the time needed to carry out simulation campaigns that would take centuries on commercially available machines. Janus II is one such machine, recently developed and commissioned, that builds upon and improves on the successful JANUS machine, which has been used for physics since 2008 and is still in operation today. This paper describes in detail the motivations behind the project, the computational requirements, the architecture and the implementation of this new machine and compares its expected performances with those of currently available commercial systems.