OGS e TeRABIT: un passo avanti nella valutazione dello scuotimento sismico in tempo quasi reale

Chiara Scaini ed Elisa Zuccolo di OGS illustrano i progressi nel calcolo urgente per la valutazione dello scuotimento sismico nel Nord-Est Italia in tempo quasi reale. In evidenza il supporto del progetto TeRABIT che permette di ridurre drasticamente i tempi di elaborazione da giorni a minuti, migliorando la precisione e la tempestività delle analisi per una gestione più efficace delle emergenze.

Elisa Zuccolo (in alto) e Chiara Scaini (in basso), rispettivamente ricercatrice e tecnologa presso l’OGS.

Ad un anno e mezzo dall’avvio del progetto, il 25 giugno si è tenuta a Bologna la Conferenza TeRABIT, in cui i protagonisti hanno presentato scenari applicativi e contributi sull’evoluzione delle infrastrutture di ricerca nazionali e dei servizi federati, evidenziando l’impatto significativo sulle comunità di ricerca. TeRABIT (Terabit Network for Research and Academic Big Data in Italy) è infatti un progetto ambizioso gestito da INFN, OGS, GARR e CINECA, finanziato con fondi PNRR. Il suo obiettivo è federare e potenziare tre infrastrutture di ricerca italiane (GARR-T, Prace-Italy ed HPC-BD-AI). Entro il 2025 intende sviluppare una rete digitale di ultima generazione basata su fibra ottica dedicata, che permetterà uno scambio di dati ultra-veloce nell’ordine del Terabit al secondo, fornendo ai ricercatori in tutta Italia accesso alle risorse di calcolo ad alte prestazioni quali il sistema Leonardo.

Nell’ambito di questo progetto, l’Istituto Nazionale di Oceanografia e di Geofisica Sperimentale (OGS) sta lavorando ad una ambiziosa iniziativa, realizzata anche grazie al contributo della comunità HPC-TRES (HPC Training and Research for Earth Sciences), coordinata da OGS e CINECA con il supporto del Ministero dell’Università e della Ricerca che coinvolge un network nazionale di istituzioni, tra cui CNR, INGV, CMCC, Politecnico di Torino e ICTP, oltre a varie università e istituti di ricerca.

L’applicazione pratica proposta da OGS riguarda l’utilizzo delle risorse HPC in modalità “urgent computing” per la valutazione dello scuotimento sismico nel Nord-Est Italia in tempo quasi reale. Approfondiamo l’argomento in questa intervista alla tecnologa Chiara Scaini e la ricercatrice Elisa Zuccolo di OGS sui risultati raggiunti e le prospettive future.

Da quale esigenza nasce lo use case e qual è l’obiettivo principale?

Scaini: I terremoti di grandi dimensioni possono avere conseguenze devastanti, causando ingenti perdite umane ed economiche. Una valutazione rapida e accurata dei danni è fondamentale per una risposta efficace all’emergenza. Attualmente, OGS gestisce il sistema di monitoraggio terrestre dell’Italia Nord-Orientale (SMINO), che consente di localizzare i terremoti e, utilizzando approcci semplificati, stimare rapidamente lo scuotimento e i potenziali danni nelle prime fasi post-sisma. Tuttavia, l’accuratezza di queste stime è proporzionale alla complessità dei modelli di simulazione utilizzati.

Zuccolo: Il progetto propone lo sviluppo di un nuovo modulo per la valutazione dello scuotimento sismico basato sulla fisica del processo di rottura alla sorgente e della propagazione delle onde sismiche. Questo approccio si pone come un complemento al metodo attuale delle Shakemaps, che utilizza relazioni empiriche per determinare una misura rappresentativa dello scuotimento sismico in modo rapido, ma approssimativo. L’innovazione consiste nel combinare una aumentata velocità di elaborazione con algoritmi per ottenere una maggiore accuratezza, sfruttando le capacità di calcolo avanzate offerte da TeRABIT per migliorare significativamente la risposta all’emergenza sismica.

Scaini: Questa iniziativa mira a valutare come le risorse di supercalcolo e i servizi nell’ambito del progetto TeRABIT possano migliorare la stima dello scuotimento sismico, fondamentale per valutare i danni da terremoto. L’obiettivo è fornire stime più precise per ottimizzare la gestione delle emergenze, la definizione delle priorità e l’invio di aiuti, richiedendo l’accesso immediato a risorse di calcolo avanzate, noto come “urgent computing”. Per il test delle infrastrutture sono stati scelti scenari realistici, tra cui il forte terremoto del Friuli del 6 maggio 1976 (magnitudo 6.4), con danni documentati, poche registrazioni e numerosi studi sismologici, e il terremoto di Socchieve del 27 marzo 2024 (magnitudo 4.2), registrato recentemente e utilizzato come limite inferiore (lower bound) degli scenari esaminati.

In che modo TeRABIT consente a OGS di eseguire simulazioni sismiche più avanzate?

Zuccolo: Grazie all’infrastruttura TeRABIT, OGS potrà accedere alle nuove infrastrutture di calcolo ad alte prestazioni (HPC) e, unendo le capacità di urgent compunting, potrà eseguire simulazioni numeriche più sofisticate in tempi ridotti, migliorando significativamente la qualità delle informazioni da fornire alla protezione civile per la gestione dell’emergenza.

Scaini: Anche la rete GARR gioca un ruolo fondamentale. Per effettuare delle simulazioni numeriche di terremoti accurate, la rete deve garantire affidabilità, capillarità e velocità. Il fattore tempo è fondamentale soprattutto nei primi minuti subito dopo un terremoto, e la velocità risulta essere determinante. Oltre a ridurre la latenza nei collegamenti, l’obiettivo è quello di riuscire a portare le risorse di calcolo sempre più vicine geograficamente al ricercatore in modo da abbattere ancor di più i tempi nell’elaborazione e trasferimento dati.

Una delle stazioni OGS

Cos’è RAPIDS e come migliora il processo di valutazione sismica?

Zuccolo: Il primo passo verso il near real-time è stato lo sviluppo del codice RAPIDS (RApid input for PhysIcs-baseD ground motion Simulations), scritto in Python e progettato per velocizzare la modellazione dei terremoti e il post–processing mediante l’automatizzazione della generazione di tutti gli input e output. RAPIDS consente di preparare rapidamente gli input necessari ai codici di calcolo utilizzati partendo da pochi parametri iniziali, come magnitudo e localizzazione.

Quali sono state le principali sfide affrontate nell’implementazione di questo sistema su larga scala?

Zuccolo: La prima sfida è stata la necessità di operare in tempo quasi reale. La Protezione Civile, nostro utente finale, richiede aggiornamenti rapidi affinché siano utili nell’immediato post-sisma. Per rispondere a questa esigenza, abbiamo pensato di progettare il sistema in modo da eseguire diversi calcoli contemporaneamente, così da fornire prima risultati rapidi e meno accurati, seguiti da analisi più precise che richiedono più tempo. Un’altra sfida è stata l’ottimizzazione delle risorse per il calcolo. È stato fondamentale determinare quante risorse fossero necessarie per i diversi scenari considerati. Ad esempio, per un terremoto di piccola magnitudo servono meno risorse rispetto ad uno di grande magnitudo. Questo ha richiesto l’ottimizzazione dei codici e l’effettuazione di test di scalabilità. Un problema tecnico significativo è stato la parallelizzazione di alcuni codici. Inizialmente, una parte della catena di calcolo richiedeva tra gli 8 e i 9 giorni, rendendo impossibile completare la simulazione su Galileo100 (PRACE-Italy), che ha un limite di tempo di calcolo di 24 ore. Abbiamo quindi parallelizzato il codice, riducendo il tempo a soli 30 minuti.

Quali sono i prossimi sviluppi previsti per il progetto TeRABIT e per OGS?

Zuccolo: Ad oggi, l’intero sistema software e la procedura sono installati su Galileo100, l’infrastruttura HPC ospitata da CINECA. I prossimi passi prevedono lo sviluppo di un’interfaccia per ricevere i parametri iniziali del terremoto dal server OGS e la creazione di un web server per restituire le mappe di scuotimento calcolate al server OGS. In seguito, l’intero sistema dovrà essere migrato sulla nuova infrastruttura in fase di sviluppo nel progetto TeRABIT che offrirà anche dei server HPC di calcolo locali (Bubble HPS) attraverso l’infrastruttura HPC-BD-AI dell’INFN.

Scaini: Questo caso d’uso dimostra il potenziale dell’evoluzione dei servizi HPC con TeRABIT nel migliorare significativamente la risposta alle emergenze sismiche, fornendo stime più accurate e tempestive dello scuotimento sismico e, di conseguenza, dei potenziali danni. L’integrazione di risorse di calcolo avanzate, reti ad alta velocità e modelli fisici sofisticati promette di trasformare la gestione delle crisi sismiche, contribuendo a salvare vite e mitigare l’impatto economico di questi eventi naturali devastanti.