I Calcolatori Paralleli APE100 dell' INFN
L' universita' e gli enti di ricerca di Pisa sono stati tradizionalmente molto attivi nello sviluppare calcolatori con caratteristiche innovative. Le macchine realizzate nei laboratori pisani, in quanto prototipi sperimentali, non hanno certamente raggiunto il mercato, ma hanno spesso precorso i tempi, proponendo soluzioni tecniche che sono poi state riprese da realizzazioni di tipo industriale.
Quest'attivita' di sviluppo ha avuto un suo primo momento di massima attivita' verso la fine degli anni 50 con la realizzazione della CEP (Calcolatrice Elettronica Pisana). La tradizione nata dalla CEP e' stata ripresa 25 anni piu' tardi con il progetto APE (di cui un esemplare e' presente in questa mostra) e con la sua evoluzione, APE100.
La storia di APE100 inizia intorno al 1988, quando il progetto APE era ancora in corso. I primi prototipi del nuovo calcolatore sono stati realizzati nel 1990, ed al momento parecchie macchine sono state istallate presso le Sezioni INFN di Parma, Pisa e Roma. Altre macchine APE100 sono in costruzione e saranno messe in funzione entro la fine del 1993.
La struttura di APE100 e' una naturale evoluzione di quella di APE. Anche in questo caso si utilizza la potenza di calcolo globale fornita da numerosi processori che lavorano insieme. Rispetto ad APE, il numero di processori e' cresciuto notevolmente ed e' dell' ordine di 1000 per le configurazioni piu' grandi. A differenza di APE, in cui solo poche configurazioni di nodi di calcolo erano realizzabili, e' possibile realizzare macchine APE100 con una amplissima gamma di potenze di calcolo, permettendo di scegliere il sistema piu' adatto alla particolare esigenza.
Un'altra caratteristica fondamentale di APE100 e' il ricorso massiccio e sistematico a circuiti integrati realizzati appositamente per la macchina. Mentre APE era stata assemblata a partire da circuiti integrati disponibili commercialmente, APE100 usa come suo mattone fondamentale un chip disegnato appositamente, che contiene al suo interno tutti e soli i circuiti che servono per il funzionamento della macchina. Lo sviluppo di questo chip ha permesso di ridurre notevolmente l'ingombro, il consumo e, in definitiva, il costo di questo calcolatore, permettendo quindi di raggiungere potenze di calcolo circa 100 volte piu' elevate del suo predecessore.
La prima fotografia mostra l'istallazione di APE100 presso il Dipartimento di Fisica dell' Universita' di Pisa. Sono visibili due unita' APE100, di cui la piu' potente comprende 128 unita' di calcolo, con una potenza complessiva di circa 6 GFlops (cioe', sei miliardi di operazioni al secondo). E' curioso notare che la stanza che ospita APE100 e' nello stesso edificio (addirittura distante pochi metri) dal luogo in cui venne montanta trenta anni fa la CEP.
La seconda fotografia mostra una scheda elettronica contenente 8 nodi di calcolo di APE100. Sedici schede uguali a quella qui mostrata sono contenute nel calcolatore APE100 illustrato in fig. xx. Si vedono chiaramente in figura gli otto circuiti integrati descritti in precedenza (i quadrati con il coperchio dorato) e i relativi banchi di memoria (i moduli rettangolari) su cui vengono immagazzinati i dati su cui APE100 esegue le sue operazioni. La scheda raffigurata ha le stesse dimensioni fisiche di quelle utilizzate nel vecchio APE, ma la sua potenza di calcolo e' estremamente piu' elevata. Infatti, i circuiti raffigurati in questa fotografia hanno da soli una potenza di calcolo quasi due volte superiore a tutta la vecchia macchina APE, presente alla mostra.
La terza fotografia mostra invece l'interno di uno dei chip visti nella precedente figura. Si vedono chiaramente la piastrina di silicio su cui si intravedono le strutture elettroniche dei circuiti. Il chip illustrato in questa figura e' costituito da circa 120000 transistor, ed e' in grado di eseguire 50 milioni di operazioni aritmetiche ogni secondo.
APE100 e' stato utilizzato non solo per lo studio delle interazioni tra le particelle elementari che costituiscono i nuclei degli atomi, ma anche in diversi altri campi della fisica e dell'ingegneria. L'animazione mostra il risultato di una simulazione di un sistema convettivo realizzata con APE100(Per una animazione piu' completa cliccare qui ). Si tratta semplicemente dello studio di un fluido (ad esempio l'aria) costretto a muoversi tra due pareti, di cui la inferiore e' a temperatura piu' alta di quella superiore. Questo modello descrive situazioni comunissime, come ad esempio il moto dell' atmosfera, a contatto con la superficie terrestre, calda, e gli strati alti dell' atmosfera, freddi. Se la differenza di temperatura e' sufficientemente elevata, si formano delle "piume" convettive (visibili in figura) che trasportano e rimenscolano gli strati d'aria. Lo studio di un sistema di questo tipo riveste importanza teorica, nello studio della turbolenza, ma anche pratica, in quanto descrive i moti atmosferici responsabili ad esempio del trasporto delle sostanze inquinanti nell' aria.