Gabriella Scipione - kosmomagazine.it
Abbiamo incontrato Gabriella Scipione, responsabile dell’area Data Management e Analytics del dipartimento HPC presso CINECA, cioè il maggiore centro di calcolo in Italia, uno dei più importanti a livello mondiale (un Consorzio Interuniversitario senza scopo di lucro formato da 112 Enti pubblici: 2 Ministeri, 70 Università italiane, 40 Istituzioni pubbliche Nazionali). Il CINECA ospita e gestisce il supercomputer Leonardo nel nuovo data center, situato nel Tecnopolo di Bologna. Leonardo, inaugurato il 24 novembre 2022 dal Presidente della Repubblica Sergio Mattarella, è il 4° supercomputer più potente al mondo.
Qual è l’utilità del supercomputer Leonardo? A cosa serve la sua enorme potenza?
Innanzitutto, per capire cos’è un supercalcolatore come Leonardo e quali sfide scientifiche può affrontare, dobbiamo immaginarlo come un’infrastruttura di ricerca, dove i ricercatori vanno per fare gli esperimenti scientifici. Leonardo è un pò come il CERN, solo che gli esperimenti dei nostri ricercatori sono in silico, cioè sono fatti al computer. Il vantaggio di Leonardo è che tutti i ricercatori, di qualsiasi ambito scientifico, possono venire a fare degli esperimenti (dal settore meteo alla medicina, anche alla Fisica delle alte energie, all’astrofisica, ecc…). In altre parole, Leonardo è pensato per soddisfare le esigenze di tutti i campi disciplinari.
Il supercalcolatore Leonardo contribuirà, ad esempio, alla mitigazione e alla gestione dei rischi dovuti a eventi naturali estremi: alluvioni improvvise, ondate di calore ma anche simulazioni di tsunami, i quali possono nascere a seguito di un terremoto o di eventi vulcanici. Leonardo ci aiuterà anche a combattere le nuove pandemie, epidemie ed agenti patogeni.
Partiamo da alcuni esempi nel settore meteo/clima, per capire nel dettaglio l’utilità di un supercomputer come Leonardo. Una parte delle risorse computazionali di Leonardo (10%) verranno assegnate, attraverso un accordo tra EuroHPC, il CINECA e il Centro europeo per le previsioni meteorologiche a medio termine (ECMWF), al progetto Destination Earth (DestinE). L’obiettivo del progetto è creare un gemello digitale della Terra.
Ma cosa vuol dire creare il gemello digitale della Terra? Fondamentalmente, attraverso questo progetto, verranno messe a disposizione simulazioni meteo globali basate su modelli realistici e su risoluzioni molto alte. In questo momento, il modello globale del centro meteo europeo ha una risoluzione di 9 km; grazie al supercomputer Leonardo arriveremo ad una risoluzione di circa 1 km. Facciamo un esempio per capire l’importanza di raggiungere elevate risoluzioni.
Immaginate una griglia che ingloba il pianeta Terra (quasi come le coordinate geografiche di latitudine e longitudine), e ogni quadrato di questa griglia al momento ha una lunghezza di circa 9 km, cioè ho un punto di previsione meteo (ad esempio temperatura) ogni 9 km. Aumentando in maniera significativa le risorse di calcolo messe a disposizione grazie a Leonardo, sarà possibile eseguire modelli in cui si ha una previsione meteo ogni 1 km.
Perché è importante tutto questo? Perché gli eventi estremi, come le alluvioni che si sono verificate nelle Marche lo scorso 15 settembre, si abbattono sempre più spesso su aree geografiche di modeste dimensioni spaziali (1 km o meno), e con una brevissima durata temporale. In altre parole, in poche ore giunge una pioggia con un’intensità mai vista prima (200/400 mm di pioggia in 6 ore). Pertanto, se si riesce ad avere un modello meteo ad altissima risoluzione, è possibile usare una modellistica che permette di individuare questi fenomeni.
Gli Stati Uniti d’America possiedono il supercomputer più potente al mondo. Quindi, loro potrebbero aumentare la risoluzione ancora di più, rispetto a Leonardo?
A livello globale si vogliono raggiungere risoluzioni del chilometro. Invece, se si effettua una previsione su una città, spesso si vogliono raggiungere risoluzioni ancora più piccole, dell’ordine di poche centinaia di metri. Questo è l’obiettivo del progetto Destination Earth, in cui siamo coinvolti con Leonardo. La creazione del gemello digitale della Terra, come dicevo prima, ha lo scopo di mettere a disposizione le simulazioni ad altissima risoluzione e le previsioni di eventi estremi, su una piattaforma informatica che fornisce l’accesso a tutti questi dati.
Per quanto riguarda i terremoti, cosa può fare Leonardo?
Chiaramente non si possono prevedere i terremoti. Quello che può fare è migliorare i modelli di simulazione, per la previsione di quello che può succedere dopo il terremoto. Ad esempio, l’altro giorno c’è stato un terremoto a Stromboli, che ha provocato un’onda di tsunami alta circa un metro e mezzo. Attraverso la potenza di calcolo di Leonardo, e grazie anche alle conoscenze dei ricercatori, i modelli di previsione di uno tsunami, a seguito di un terremoto, si possono migliorare notevolmente. E non solo: possiamo migliorare anche i rischi associati ad una eruzione vulcanica.
Ricapitolando, Leonardo può calcolare la quantità di roccia che potrebbe cadere in mare e, successivamente, calcolare le altezze delle onde dello tsunami?
Si, certo. Possiamo prevedere l’impatto che un terremoto può generare intorno a sé. In questo modo è possibile fornire uno strumento di prevenzione a coloro che prendono le decisioni, affinché si possa mettere in sicurezza il territorio e gli abitanti.
Chi ha progettato, costruito e finanziato il supercomputer Leonardo?
Il ruolo che ha CINECA (come centro di supercalcolo nazionale) è quello di capire quali sono le tecnologie più avanzate sul mercato e, successivamente, realizzare il design del prossimo supercalcolatore che vorremmo avere tra tre/quattro anni, tenendo conto delle esigenze dei ricercatori che le useranno. Attraverso una gara pubblica, viene identificato il vendor che dovrà realizzarla rispettando i nostri criteri di progettazione. Infine, dopo la consegna della macchina, il personale CINECA provvede alla sua gestione.
Qual è il compito di EuroHPC?
EuroHPC (European High-Performance Computing Joint Undertaking) è un’iniziativa congiunta tra l’Unione Europea, i paesi firmatari e partner privati creata nel 2018 per aprire la strada al supercalcolo europeo. Il suo scopo è di portare l’Europa agli stessi livelli competitivi di Stati Uniti, Cina e Giappone, nel settore del supercalcolo. Inoltre, ha lo scopo di finanziare, insieme ai paesi membri, nuove infrastrutture di supercalcolo. Infatti, Leonardo è il frutto di un finanziamento tra la Comunità Europea (50%) e il Ministero dell’Università e della Ricerca (50%).
Potresti dirci qualche caratteristica del supercomputer Leonardo?
Leonardo ha bisogno di essere ospitato in un ambiente adatto alle sue esigenze. Il data center che abbiamo costruito, ha un’area di circa 700 metri quadri di dimensione (poco meno di due campi da basket), e ha un’altezza di circa 4 metri. Questa stanza è stata progettata senza pilastri intermedi, quindi è una stanza enorme. Il pavimento, invece, è stato progettato per sostenere il peso di 155 rack (degli armadi che contengono il cuore computazionale di Leonardo). Per essere precisi 155 rack corrispondono a 340 tonnellate di peso, cioè a circa 5.000 persone.
Leonardo è una macchina estremamente complessa, è costituita da circa 9 file di rack (ogni fila è formata da più o meno 10 rack). Ogni rack, cioè ogni armadio, può contenere fino a 32 schede, e ogni scheda corrisponde ad un nodo di Leonardo. Questi nodi devono essere raffreddati (un pò come accade su un normale PC, che viene raffraddato grazie ad una ventolina ). Per raffreddare Leonardo si utilizza l’acqua temperata: attraverso un sistema entra acqua a 35/37° Celsius, e poi dopo essersi riscaldata assorbendo calore ai nodi della macchina, esce ad una temperatura di 45° Celsius.
Leonardo è una macchina che possiede in totale 5.000 nodi, di cui 3.500 sono del modulo Booster (il modulo accelerato, cioè quello che ha la massima potenza). Poi c’è un altro modulo, che deve essere ancora installato, che ha circa 1.500 nodi. Il modulo Booster, che è stato installato ad ottobre 2022, ha una potenza di calcolo pari a 240 milioni di miliardi di operazioni al secondo. Facciamo un esempio per capire tutta questa potenza: immaginate di far compiere ad ogni abitante della Terra (8 miliardi di persone) una operazione al secondo lungo un intero anno, il numero di queste operazioni compiute da 8 miliardi di persone Leonardo lo fa in un secondo!
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Il supercomputer Leonardo, oltre al settore meteo/clima, sarà utile anche ad altri settori?
Sarà utile anche nella progettazione di farmaci e nella ricerca farmaceutica. Leonardo, attraverso delle simulazioni, potrà mostrarci il modo in cui le molecole di un farmaco nuovo, possono interagire con le proteine di un virus, come ad esempio quello del Covid. E questo ci fornisce uno strumento efficace per la lotta contro le pandemie. Grazie ad un supercalcolatore come Leonardo, sarà sempre più veloce ed economico scoprire nuovi farmaci, aumentando la probabilità di trovare molecole efficaci, e minimizzando i rischi di effetti collaterali. Per esempio, l’azienda biofarmaceutica italiana Dompé è il primo utente del nostro supercomputer Leonardo. La collaborazione con Dompé prevede di dare un milione di ore di calcolo, da destinare alla ricerca contro le pandemie e, al contempo, allo sviluppo di nuovi farmaci.
Secondo te come sarà il futuro? Sarà tutto gestito da un super cervello artificiale?
Sono abituata a pensare al futuro prossimo, cioè a quello che noi possiamo fare. Quello che possiamo fare come CINECA è supportare la ricerca scientifica. Stiamo già cominciando a progettare il supercalcolatore che sostituirà Leonardo fra 5 anni. E non solo: abbiamo anche avuto i finanziamenti per un’estensione di Leonardo. Nel 2024 Leonardo sarà affiancato da un altro supercalcolatore più piccolo, chiamato Lisa (come la Monna Lisa di Leonardo da Vinci). Lisa sarà un’estensione che potenzierà Leonardo.
Inoltre, abbiamo avuto l’ok e i finanziamenti europei e italiani per la progettazione di un computer quantistico (quantum computer), con lo scopo di fare degli esperimenti, su come un computer quantistico può accelerare un supercalcolatore come Leonardo. Nel 2024, oltre a Leonardo che è già operativo in questo momento, avremo anche Lisa e un computer quantistico. Stiamo lavorando per ottenere nel 2027 i finanziamenti per il sostituto di Leonardo, che avrà una potenza di 1 miliardo di miliardi di operazioni al secondo (quattro volte la potenza di calcolo di Leonardo).
Questo significa che i supercomputer vengono sostituiti ogni 5 anni?
Si, a volte anche ogni 3 anni. I costi energetici legati al raffreddamento di un supercalcolatore sono notevoli, perciò c’è una continua ricerca per realizzare supercomputer che consumano sempre meno. Per questo motivo non è conveniente tenere un supercalcolatore per più di 3/5 anni.
Quando un supercomputer viene smontato, per essere sostituito, dove va?
I supercalcolatori vengono smontati e parti di esso possono essere dati, ad esempio, alle università per realizzare dei cluster necessari ai vari dipartimenti.