Supercalcolo per le scienze della Terra

Quali sono i principali obiettivi di PRACE-Italy?

Stefano Salon, ricercatore OGS e Responsabile dell’infrastruttura di ricerca nazionale PRACE-Italy

PRACE-Italy è il nodo italiano di PRACE, l’infrastruttura europea del calcolo ad alte prestazioni (HPC), e agisce in linea con le roadmap delle principali iniziative HPC europee, ovvero PRACE stessa ed EuroHPC Joint Undertaking, che mira a sviluppare un ecosistema HPC di classe mondiale mettendo in sinergia le risorse europee pubbliche e private.

PRACE-Italy, inclusa nel PNIR, Piano Nazionale delle Infrastrutture di Ricerca 2021/2027 al livello di alta priorità, è coordinata da OGS, con il ruolo strategico di CINECA che ospita e gestisce l’infrastruttura di calcolo.

I principali obiettivi di PRACE-Italy sono la promozione della collaborazione con i principali gruppi di ricerca e le industrie nazionali, al fine di realizzare un Data-Centric Exascale Lab aperto alle comunità scientifiche, e il supporto alla crescita delle competenze dei giovani ricercatori, soprattutto per quanto riguarda le applicazioni del supercalcolo nelle Scienze della Terra. In particolare, PRACE-Italy contribuisce alla formazione e al capacity building tramite le azioni del programma “HPC Training and Research for Earth Sciences” (HPC-TRES), coordinato da OGS assieme a CINECA e con la collaborazione di un network nazionale che coinvolge i principali istituti di ricerca impegnati negli studi di modellistica del Sistema Terra. Dal 2015 a oggi, HPC-TRES ha co-finanziato più di 50 grant (dottorati, assegni di ricerca, borse di studio) in diversi gruppi di ricerca afferenti a istituti e università nazionali.

Il sistema di calcolo Galileo100 costituisce il cuore di PRACE-Italy, si trova nella sede CINECA di Bologna, e conta quasi 600 nodi di calcolo, oltre 20 petabyte di storage, ed una potenza di calcolo di due Petaflops.

La comunità di utenti di PRACE-Italy è in continua crescita negli ultimi 10 anni, e oggi raccoglie oltre 4000 ricercatori appartenenti a tutte le discipline scientifiche. Gli utenti possono accedere ai servizi di PRACE-Italy (risorse di supercalcolo, storage, cloud computing, e user support), attraverso convenzioni e call nazionali ed europee quali ISCRA, PRACE, ICEI, EuroHPC.

La crescita degli utenti va in parallelo con la crescita della produzione di dati. In particolare, nell’ambito delle Scienze della Terra i dati possono essere prodotti dai modelli numerici per le previsioni del tempo o per l’elaborazione di scenari climatici, oppure da sistemi osservativi come i satelliti, i radar o “in situ”, ovvero nel sito specifico dove avviene la misurazione, come per esempio una centralina meteo, una boa oceanografica, o una rete di sensori sismici.

Qual è il ruolo di OGS nell’infrastruttura?

OGS, come responsabile di PRACE-Italy, è orientato al potenziamento dell’infrastruttura all’interno del progetto TeRABIT, ma rimane soprattutto un utente, con attività di ricerca nell’ambito dell’oceanografia fisica, chimica, biologica e geologica, della geofisica sperimentale e di esplorazione, della sismologia e della sismologia applicata all’ingegneria. I ricercatori di OGS utilizzano il supercalcolo per sviluppare modelli in grado di simulare gli effetti del cambiamento climatico sugli ecosistemi marini, costieri e lagunari, per comprendere la dinamica del ciclo del carbonio, per processare in tempi rapidi i dati provenienti dalle reti di monitoraggio sismico, per simulare la propagazione di onde sismiche e produrre scenari di danno sempre più affidabili, fondamentali per la gestione delle emergenze. La convergenza fra sistemi modellistici, produzione di dati e impatti sulla società si concretizza nello sviluppo dei Digital Twin, le repliche digitali dei sistemi naturali che permettono di monitorarli in tempo reale e di interagire con essi.

Nell’ambito del progetto TeRABIT, OGS mira quindi ad aumentare la capacità di calcolo di PRACE-Italy, potenziando l’ambiente cloud e i servizi agli utenti in sinergia con le altre infrastrutture coinvolte nel progetto. Lo scopo è ottimizzare l’esecuzione di simulazioni ensemble ad alto parallelismo, la realizzazione di porting di codici numerici su architetture ibride CPU/GPU, l’utilizzo dell’intelligenza artificiale e del machine learning per l’integrazione di dati e modelli in sistemi Digital Twin, la riduzione dei tempi di calcolo per processare grandi quantità di dati sismologici, modellare la propagazione delle onde sismiche e migliorare la valutazione del danno, passando da un paradigma “slow but reliable” o “rapid but simpified” ad uno “rapid and reliable” per migliorare la risposta alle emergenze. Con il progetto, inoltre, i ricercatori potranno accedere ai servizi ancora più velocemente grazie alle connessioni ad alta capacità della rete GARR.

L’evoluzione di PRACE-Italy in TeRABIT sarà un’infrastruttura ibrida HPC/cloud con una forte attenzione all’efficienza energetica, che si concretizzerà nel monitoraggio delle emissioni di CO2 in tutto il suo ciclo di vita. Il potenziamento si quantificherà in un aumento della potenza di calcolo, che passerà da 2 a 5 Petaflop. Il sistema di calcolo di TeRABIT sarà complementare a quello del Centro Nazionale di Ricerca in High Performance Computing, Big Data e Quantum Computing, realizzato e gestito dalla Fondazione ICSC, con la caratteristica di agire come scale-up enabler, dando agli utenti la possibilità di testare le proprie applicazioni e di utilizzare la capacità di calcolo pre-exascale del sistema Leonardo. PRACE-Italy utilizzerà soluzioni innovative sia in ambito hardware che software, in linea con le prospettive europee di EuroHPC.

Come rappresentanti di una comunità scientifica nazionale vasta ed eterogenea siamo consapevoli della sfida, e identificheremo specifici casi studio per testare i servizi che verranno poi resi disponibili da TeRABIT. A tal fine ci affideremo alla partnership del progetto, e in particolare valorizzeremo il network HPC-TRES, coordinato da OGS con il supporto di Cineca, al quale partecipano diversi gruppi di ricerca che afferiscono ai principali istituti di ricerca e università italiane che si occupano di applicazioni HPC per le Scienze della Terra. Questa attività si concretizzerà da un lato sostenendo l’alta formazione, attraverso il co-finanziamento di borse di dottorato e di master HPC, dall’altro con l’organizzazione di due workshop per i primi utenti dell’infrastruttura TeRABIT, seguiti da un Hackathon aperto a tutta la comunità nazionale.

Cineca e il progetto TeRABIT

di Mirko Cestari, CINECA

Il progetto Terabit porterà un notevole avanzamento ed una significativa diversificazione delle risorse computazionali rese disponibili ai ricercatori, attraverso un consistente potenziamento dell’infrastruttura di calcolo ed elaborazione dati a supporto di PRACE-Italy.
Cineca con TeRABIT procederà ad un rinnovo dell’infrastruttura di calcolo Galileo100 che eroga i servizi cloud, di analisi e visualizzazione dati. L’obiettivo per Cineca è quello di fornire all’utenza un nuovo sistema – di scala nazionale e europea – con a disposizione oltre 100.000 processori fisici e virtuali e servizi computazionali componibili per la realizzazione di piattaforme dedicate alle varie comunità scientifiche. In questo modo verranno sensibilmente potenziati i servizi di virtualizzazione e di analisi dati, attraverso un vero e proprio cloud nazionale della ricerca, integrando i servizi computazionali erogati dai principali sistemi di supercalcolo, (Leonardo, Marconi100 e i Tier-1 nazionali)