Medicine personalizzate basate sull’analisi del genoma, modelli climatici precisi al minuto, nuovi algoritmi che renderanno sicure auto e navi “self driving”. Cose impossibili, fino a ieri, perché richiedono l’analisi di immense moli di dati. Ma dalla primavera del 2021, tutto è destinato a cambiare: entrerà in funzione LUMI, il supercomputer più veloce del mondo. Il “Large unified modern infrastructure” avrà prestazioni di picco pari all’enorme cifra di 552 petaflop. Lo strumento sarà realizzato da Hewlett Packard Enterprise, multinazionale americana di information technology guidata a livello globale dal ceo Antonio Neri.
L’80% della potenza di calcolo sarà riservato ai ricercatori di atenei e organizzazioni scientifiche private; ma un quinto sarà a disposizione di industrie e Pmi europee, ad esempio per la definizione di nuovi business “data driven”. I protagonisti dell’operazione sono HPE e EuroHPC JU (European high performance computing joint undertaking), un partenariato pubblico-privato nel calcolo ad alte prestazioni che ha lo scopo di mettere in comune le risorse e gli sforzi a livello europeo. Le parti hanno siglato, il 21 ottobre, un contratto del valore di 160 milioni di dollari, in base al quale il colosso di San Jose si impegna a installare l’elaboratore nel data center a Kajaani, in Finlandia, dell’istituto statale di ricerca CSC- IT Center for Science.
LUMI è la pietra miliare di una più vasta strategia di EuroHPC JU, che prevede la realizzazione altri due supercomputer: uno in Italia e uno in Spagna. L’obiettivo è quello fare dell’Europa il leader mondiale dei supercomputer per la ricerca. Il consorzio LUMI, formato da 10 Paesi (Finlandia, Belgio, Repubblica Ceca, Danimarca, Estonia, Islanda, Norvegia, Polonia, Svezia e Svizzera) supporterà invece gli utenti nei servizi di gestione dati. Peraltro, l’architettura di LUMI è quella di HPE CRAY EX, modello “data centric” in grado di gestire, al contempo, modellazione, simulazione, intelligenza artificiale e analisi dei workload. Inoltre, il supercomputer sarà green, con emissioni zero e funzionamento ad energia totalmente rinnovabile. L’articolo trae spunto dalla conferenza virtuale di presentazione di LUMI, promossa giorni fa dal CSC – IT Center for Science.
Con il supercomputer LUMI si può ottenere un salto quantico in più settori della ricerca
Grazie a LUMI, sia i centri di ricerca che le industrie europee potranno affrontare questioni scientifiche e di innovazione attualmente in tutto o in parte inesplorate, come affermato dal managing director di CSC Kimmo Koski, perché richiedono l’analisi di volumi straordinari di dati. Ad esempio, si potranno conseguire dei modelli climatici molto più precisi, incrociando paradigmi matematici e fisici diversi; pertanto, si potranno presagire i cambiamenti dello stile di vita in rapporto all’incremento del global warming. Poi, con il sequenziamento e l’analisi dei genomi completi e correlando queste operazioni con i dati clinici, sarà possibile fare luce sulle cause di molte patologie e migliorare la “medicina personalizzata”, con pratiche e prodotti su misura per il paziente. Quest’ultimo campo ha enormi potenzialità e riflessi importanti sull’industria farmaceutica, perché le caratteristiche molecolari possono fare la differenza in rami della medicina come l’oncologia.
Ancora, grande impulso è atteso per le auto e per le navi “self-driving”. Questi mezzi autonomi devono essere in grado di rilevare l’ambiente e la navigazione senza l’intervento umano, scandagliando il contesto con radar, lidar e visione artificiale, e individuando gli ostacoli e il percorso più appropriato con l’analisi delle informazioni provenienti dai sensori. Il punto è che occorrono nuovi algoritmi correlati tra di loro, che possono essere sviluppati grazie alla capacità di computing senza precedenti di LUMI. Inoltre, anche le scienze sociali potranno trarre beneficio dall’attività del supercomputer. Per modellare i complessi fenomeni della società contemporanea, infatti, potranno essere utilizzati data set analitici di larga scala derivanti da network come Facebook, Instagram, LinkedIn, Twitter, Snapchat, Tik Tok e altri.
Infine, saranno riservate corsie preferenziali per esigenze informatiche urgenti: si pensi a simulazioni relative alla sicurezza di una Nazione aderente o dell’Unione Europea, o a quelle concernenti crisi di livello globale, come quella derivante dalla pandemia di Coronavirus, o infine a quelle inerenti a fattori mission-critical di una organizzazione, l’interruzione dei quali può comportare gravi impatti o disordini sociali. Il 20% della capacità di LUMI sarà riservato all’industria e alle Pmi europee, per sviluppare l’innovazione e business “data driven” in aree come la platform economy o come l’intelligenza artificiale.
LUMI sarà innervato da Intelligenza artificiale e deep learning, per analisi incrociate dei dati
Si conta molto sull’apporto dell’intelligenza artificiale e del deep learning. La prima è un processo che porta un computer a risolvere un problema secondo un ragionamento razionale, tipico della mente umana. Tutti i progetti di AI iniziano con grandi quantità di dati non strutturati con l’obiettivo di trasformarli rapidamente in informazioni utili. Servono poi algoritmi, elenchi finiti di istruzioni, che risolvono ciascuno un determinato problema attraverso un certo numero di passi elementari. I “problemi” che si considerano sono quasi sempre caratterizzati da dati di ingresso variabili, su cui l’algoritmo stesso opererà per giungere fino alla soluzione.
Il secondo è un metodo di apprendimento che rientra nel più vasto concetto di AI. Si basa su diversi livelli di rappresentazione, corrispondenti a gerarchie di caratteristiche di concetti, dove quelli di alto livello sono definiti sulla base di quelli di basso rango. In pratica, l’output del livello precedente viene utilizzato come input per quello successivo. L’intelligenza che emerge in procedimenti di questo tipo è il frutto di un movimento “diffuso”, e non centralizzato in una singola unità. Una delle architetture tipiche dell’apprendimento profondo è quella che utilizza le reti neurali. Queste sono funzioni matematiche che imitano il meccanismo del cervello umano. I neuroni artificiali replicano il funzionamento di quelli biologici, piccole componenti del cervello che ci consentono di ragionare. Come nel caso del cervello umano, il modello artificiale è costituito da interconnessioni di informazioni. Ora, in un normale contesto informatico, le informazioni vengono immagazzinate in una memoria centrale ed elaborate in un luogo definito: con la rete neurale, invece, si cerca simulare il comportamento delle cellule con connessioni analoghe alle sinapsi di un neurone biologico tramite una funzione di attivazione, che stabilisce quando inviare un segnale. In pratica, le informazioni sono distribuite in tutti i nodi della rete. Come accade nel cervello umano.
Le prestazioni di LUMI lo porranno sul podio dei supercomputer più veloci al mondo
LUMI sarà uno degli strumenti scientifici più conosciuti al mondo per i cinque anni di durata della sua vita, dal 2021 al 2026. I numeri del supercomputer, del resto, sono impressionanti. Anzitutto, sarà l’elaboratore più veloce del mondo: il citato dato di 552 petaflop di prestazioni di picco significa che sarà in grado di eseguire in un secondo 552 per 10 alla quindicesima operazioni in virgola mobile (metodo di rappresentazione dei numeri reali usato dai processori). Sotto questo profilo, LUMI si troverà sulla piazza più alta del podio, seguito dal modello di Fugaku, in Giappone, che raggiunge i 513 petaflop, e dallo statunitense Summit, cha fa segnare i 200 petaflop. Per fare un esempio, occorrerebbe mettere insieme 1,5 milioni di normali laptop per conseguire gli stessi risultati in termini di potenza; e questi device, impilati l’uno sopra l’altro, formerebbero una torre alta 23 km!
Sempre quanto alle caratteristiche tecniche, l’elaborazione dei dati viene realizzata grazie a Cpu di ultima generazione, nonché “dividendo” le operazioni tra Gpu, che sono unità di elaborazione grafica e cioè i processori visivi, tipologia particolare di coprocessori che si contraddistinguono per essere specializzata nel rendering di immagini. Sono nate essenzialmente per i videogiochi, ma ci si è resi conto che sono assai performanti per fare lavorare l’AI. Un’altra cifra considerevole riguarda la capacità di archiviazione: quella di LUMI sarà pari a di 117 petabyte, e cioè 117 per 10 alla quindicesima dati. La larghezza di banda tra le interfacce messe a disposizione dal sistema operativo, poi, sarà equivalente a 2 terabyte al secondo. Per l’esattezza, il sistema di storage è composto da tre componenti: innanzitutto, ci sarà una parte da 7 petabyte di memoria flash ultraveloce; questa sarà combinata con una più tradizionale capacità di archiviazione di 80 petabyte, nonché da un servizio di gestione dei dati da 30 petabyte di volume. LUMI, visto da fuori, avrà l’aspetto di un’opera architettonica contemporanea. Peserà 159 tonnellate, e avrà dimensioni pari a 150 metri quadrati, paragonabili a quelle di un campo da tennis. Sarà operativo nel secondo quadrimestre del 2021.
L’architettura di LUMI sarà basata su quella di HPE CRAY EX
Abbiamo visto che LUMI sarà fornito da HPE. D’altra parte l’architettura sarà quella di HPE CRAY EX, a sua volta frutto di una progettazione più che decennale. Rappresenta, secondo HPE, una innovazione radicale nel mondo del supercalcolo. Ci si era resi conto che erano cambiate le “domande” che tecnici ed esperti ponevano al computer: sempre più, i sistemi di high-performance computing dovevano essere in grado di gestire, al contempo, modellazione, simulazione, intelligenza artificiale e analisi dei workload. Di qui HPE CRAY EX, che nasce “data centric” e che può svolgere tante operazioni molto diverse tra di loro nello stesso momento, gestendo colli di bottiglia e problemi di completamento, e incorporando l’AI su larga scala. Si è data vita ad un’unica architettura di sistema, senza cluster, che abbina e “miscela” l’attività di più processori.
HPE CRAY EX rappresenta uno sviluppo dell’exascale computing, tecnologia che mira al raggiungimento di almeno un exaflop, e cioè di 10 alla 18esima operazioni in virgola mobile. Nessun computer, da solo, ci è mai riuscito, ma la strada è stata intrapresa. Ha conseguito questo risultato, per ora, solo una rete di calcolo distribuito, la Folding@home. Peraltro, nel marzo dell’anno in corso, il dipartimento dell’energia degli Usa ha annunciato un contratto con Hewlett Packard Enterprise e Amd per la costruzione del supercomputer El Capitan al costo di 600 milioni di dollari, da installare presso il Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Dovrebbe essere utilizzato principalmente (ma non esclusivamente) per la modellazione di armi nucleari. El Capitan sarà operativo all’inizio del 2023 e avrà una performance di 2 exaflop.
Il supercomputer finlandese è un tassello fondamentale nella strategia di HPE per aiutare l’Europa a raggiungere l’exascale computing
Con la sua collaborazione con EuroHPC JU, HPE sta diffondendo le risorse di supercalcolo per accelerare la roadmap europea con la quale si vuole raggiungere l’exascale computing, di cui si è detto: il prossimo passo significativo nel supercalcolo fornirà prestazioni 5-10 volte più veloci rispetto ai sistemi di oggi. Secondo una dichiarazione al di fuori della conferenza di Peter Ungaro, vicepresidente senior e direttore generale, calcolo ad alte prestazioni (HPC) e soluzioni mission critical (MCS) di HPE, non si tratta solo di rafforzare la ricerca scientifica, ma anche «di sbloccare la crescita economica e di aiutare il modo in cui le persone vivono e lavorano».
HPE sta peraltro realizzando anche un altro supercomputer, in Repubblica Ceca. Si chiamerà Euro_IT4I e verrà utilizzato per rendere più accurate le previsioni meteo, per sviluppare nuovi farmaci e nuove infrastrutture più sostenibili dal punto di vista ambientale.
LUMI utilizzerà energie rinnovabili al 100%
Non è un caso che per il supercomputer sia stato scelto il sito di Kajaani, una cittadina di 36mila abitanti nel cuore della Finlandia centrale fondata nel Seicento accanto ad una antica fortezza. Anzitutto, il clima aiuta. Per elaborare miliardi e miliardi di dati, le complesse strumentazioni di LUMI si surriscaldano, e necessitano di una considerevole quantità di energia per il raffreddamento. Dove fluiscono i bit, scorrono gli elettroni, producendo calore. Per sei mesi all’anno, Kajaani è nella morsa del freddo, con temperature abbondantemente al di sotto dello zero. Quella minima registrata è stata di meno 41 gradi Celsius. E soprattutto la città si trova a sud del lago Oulujärvi e sul fiume Kajaaninjoki, il quale si versa nel lago Oulujärvi; da quest’ultimo nasce il fiume Oulujoki che si versa direttamente nel Golfo di Botnia.
C’è abbondanza di acqua e di energia idroelettrica, che sarà utilizzata sia per il funzionamento che per il raffreddamento. CSC’s data center proprio due settimane fa ha stretto un accordo con Vattenfall, storica società elettrica appartenente allo stato svedese operativa in diversi paesi del Nord Europa, tra cui la Finlandia. Il footprint del supercomputer sarà dunque minimale, con costi molto limitati e free cooling. Peraltro, il calore di scarto generato dal raffreddamento ad acqua sarà utilizzato nella rete di teleriscaldamento comunale, e ciò aiuterà a ridurre ulteriormente i costi. «Il supercomputer – ha affermato Khalil Rouhana, vicedirettore generale della direzione generale per le reti di comunicazione, i contenuti e la tecnologia (DG Connect) della Commissione Europea – sarà pertanto in grado di allineare le politiche Digital e Green Deal della Commissione Europea, utilizzando energia rinnovabile al 100% a emissioni zero».
