INGV: “con ChEESE l’Europa entra nell’era exascale”, elevate capacità di calcolo aiuteranno anche nel campo delle Scienze della Terra

Nel futuro avremo sempre più bisogno di elevate capacità di calcolo, anche nel campo delle Scienze della Terra, per risolvere problemi specifici e gestire applicazioni come simulazioni numeriche di eventi, stime probabilistiche, sistemi di allerta rapida

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“Negli ultimi decenni abbiamo assistito ad una incredibile accelerazione tecnologica nel calcolo ad elevate prestazioni o supercalcolo (HPC – High Performance Computing), che ha permesso di raggiungere prestazioni un tempo impensabili, sia per quanto riguarda la complessità delle elaborazioni possibili, sia per la velocità con cui vengono eseguite.

Prendiamo la velocità di calcolo, generalmente espressa in numero di operazioni che una macchina può effettuare in un secondo (in inglese FLOPS – FLoating Point Operations Per Second). Se il 2010 ha visto l’avvento del calcolo petascale, dell’ordine di 1015 FLOPS – cioè un milione di miliardi di operazioni in un secondo – il 2020 ha segnato l’inizio dell’era exascale, con macchine in grado di raggiungere 1018 FLOPS, cioè un miliardo di miliardi di FLOPs.

Gli sforzi tecnologici dietro questi numeri non risiedono solo nello sviluppo dell’hardware, ma anche in quello del software. Un’infrastruttura di calcolo in grado di sostenere prestazioni elevate è inutile se gli algoritmi utilizzati sono inefficienti o, peggio ancora, incapaci di gestire le specifiche caratteristiche del supercalcolo”. Lo si legge in un articolo pubblicato sul blog INGVvulcani, a cura di Angela Stallone, Emanuele Casarotti, Lorenzo Cugliari, Tomaso Esposti Ongaro, Stefano Lorito, Laura Sandri, Manuela Volpe.

“Ma perché abbiamo bisogno di una capacità di calcolo così elevata? Per due ragioni fondamentali: 1) l’attuale capacità di calcolo non è sufficiente per risolvere determinati problemi scientifici; 2) i tempi di computazione attuali sono incompatibili con alcune applicazioni specifiche. Nel seguito di questo articolo vedremo alcuni esempi delle sfide scientifiche per cui abbiamo bisogno di macchine exascale”, si legge nell’articolo, che riportiamo di seguito.

Il sistema di supercalcolo europeo

“Mentre Stati Uniti e Cina si contendono lo scettro per il supercomputer più veloce al mondo, l’Italia ricopre, a marzo del 2021, una posizione di tutto rispetto con due supercomputer tra i primi 11 classificati (TOP500 List): l’HPC5 dell’ENI, collocato all’8° posto, e il Marconi-100 del CINECA, il più grande centro di calcolo italiano,  all’11° posto (figura 2).

L’Unione Europea è determinata ad avere in futuro un ruolo sempre più importante nello sviluppo del calcolo ad alte prestazioni. Per questo sviluppa strategie comunitarie ambiziose  e investimenti considerevoli. Nel 2018 è stata istituita l’EuroHPC, l’Impresa comune europea per il calcolo ad alte prestazioni, che ha il duplice obiettivo di sviluppare un’infrastruttura di supercalcolo e di finanziare attività di ricerca e innovazione. Il budget destinato a questa impresa per il biennio 2019-2020 è pari a 1400 milioni di euro, una somma ingente che testimonia l’interesse dell’Unione Europea in questa sfida tecnologica.

L’infrastruttura di supercalcolo europea al momento include 7 sistemi HPC. Verrà ampliata includendo 3 macchine petascale di cui una in Italia (al CINECA) e 2 macchine exascale entro il 2023 (la prima è prevista per il 2022). Infrastruttura e tecnologia non sono però i soli pilastri su cui si fonda questa scommessa europea: un terzo e fondamentale pilastro è quello delle applicazioni, rappresentato da 14 Centri di Eccellenza Europei, i veri protagonisti del progresso tecnologico e del consolidamento della leadership europea nel campo del supercalcolo. Uno di questi centri coinvolge anche l’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, nell’ambito del progetto ChEESE.

ChEESE 

ChEESE è un consorzio di 13 partner provenienti da 7 Paesi europei ed afferenti sia al mondo accademico che a quello industriale. L’Italia partecipa con INGV e CINECA, il più grande centro di calcolo in Italia ed uno dei più importanti a livello mondiale. L’obiettivo del progetto ChEESE è quello di creare un Centro di Eccellenza Europeo per il supercalcolo nell’ambito delle Scienze della Terra Solida, in grado di recepire e implementare le nuove tecnologie di calcolo petascale ed exascale. Vietato arrivare impreparati, dunque.

Nell’ambito delle Scienze della Terra Solida, sono diverse le sfide scientifiche che richiedono prestazioni di calcolo molto elevate, che permettano di migliorare la nostra comprensione circa fenomeni estremamenti complessi e caratterizzati da un’elevata variabilità intrinseca, quali i terremoti, i vulcani e gli tsunami.

Nello specifico, ChEESE si è posto i seguenti obiettivi:

  • Preparare 10 codici europei per la simulazione di fenomeni naturali, che siano adatti all’architettura exascale emergente e che ci permettano di sfruttare la nuova potenza di calcolo;
  • Affrontare 15 sfide scientifiche nello studio della Terra che necessitano di calcolo ad alte prestazioni;
  • Realizzare 12 esempi pilota per illustrare quali risultati sono possibili applicando il  supercalcolo allo studio delle Scienze della Terra e nella costruzione di servizi utili alla società come la stima della pericolosità sismica, o vulcanica, o da tsunami; Favorire la collaborazione fra istituzioni, mondo accademico, quello della ricerca e l’industria privata individuando obiettivi condivisi.

Le sfide scientifiche che ChEESE affronta possono avere un grande impatto sulla società. Sono relative allo studio dei terremoti, degli tsunami, dei vulcani e del campo geomagnetico, organizzate nei seguenti servizi:

1) Simulazioni numeriche in condizioni di emergenza, per cui è necessario ridurre drasticamente i tempi di computazione al fine di fornire servizi tempestivi (urgent computing);

2) Stima probabilistica della pericolosità di un fenomeno in atto o possibile nel futuro, a breve o a lungo termine;

3) Allerta rapida (Early warning);

4) Tomografia sismica per la caratterizzazione del sottosuolo.

Il ruolo dell’INGV

Nell’ambito del progetto ChEESE, l’INGV ricopre un ruolo di primo piano, con più di 20 ricercatori coinvolti e attività che riguardano i due dipartimenti di Terremoti e Vulcani. Le attività comprendono lo  sviluppo di codici di simulazione numerica e di applicazioni a problemi della Terra Solida, la creazione di un portale web che funga da archivio per codici e dati. Obiettivi di lungo termine sono la realizzazione di servizi operativi per utenti specifici, come per esempio il Dipartimento di Protezione Civile, e l’inclusione di prodotti, software e servizi in EPOS-ERIC, l’infrastruttura europea di ricerca che fornisce libero accesso a dati, prodotti e servizi nel campo delle scienze della Terra solida. Questi contributi potranno migliorare significativamente i servizi di sorveglianza sismica e vulcanica e di monitoraggio e allerta tsunami, nonché le stime di pericolosità di breve e lungo termine che l’INGV fornisce alla Protezione Civile”.

Vulcani

“In ambito vulcanologico, l’INGV si occupa di due aspetti. In primo luogo, INGV si concentrerà sullo sviluppo del codice di simulazione ASHEE per la dinamica di eruzioni esplosive. ASHEE, in particolare, viene ottimizzato per migliorarne le prestazioni e le procedure di esecuzione sui supercalcolatori. Ciò consentirà di simulare in tempi più brevi e con una risoluzione spaziale maggiore la dinamica della colonna eruttiva e il processo di dispersione atmosferica delle ceneri e dei gas vulcanici prodotti durante le eruzioni esplosive (Figura 4). D’altra parte, la diminuzione dei tempi di calcolo permetterà di utilizzare anche i modelli tridimensionali in modo probabilistico, utilizzando insiemi di simulazioni per la valutazione dell’incertezza nelle previsioni (ensembles).

In secondo luogo, nell’ambito della stima della pericolosità vulcanica, l’INGV ha illustrato l’utilità del calcolo exascale per le stime di impatto delle ceneri vulcaniche (cadute al suolo o in sospensione in atmosfera) simulate con il codice FALL3D. I vulcani scelti come esempio sono stati i Campi Flegrei a Napoli (per il grado di potenziale esplosività e per la collocazione all’interno di una zona urbana densamente popolata) e Jan Mayen, una sperduta isola vulcanica norvegese che si trova nel Nord Atlantico e una cui potenziale eruzione potrebbe interferire con le rotte aeree polari che collegano Europa e Nord America.

Le stime di pericolosità da caduta di ceneri vengono calcolate per il breve termine, ossia considerando la previsione meteorologica del vento per i pochi giorni a seguire ma variando le condizioni eruttive legate alla entità dell’eruzione. Una dimostrazione del successo di ChEESE nel calcolo della pericolosità da caduta di ceneri nel breve termine è stata data di recente, in occasione dell’esercitazione svoltasi il 4 novembre 2021 ed organizzata da ChEESE assieme a PLINIVS, un centro di competenza del Dipartimento della Protezione Civile, e Aristotle, un progetto europeo che fornisce pareri scientifici alla Emergency Response Coordination Centre (ERCC) della Commissione Europea.

Nel corso dell’esercitazione è stata simulata una crisi vulcanica ai Campi Flegrei, caratterizzata da sismicità ed emissioni geochimiche superiori alla norma. Di conseguenza, grazie alle risorse HPC rese disponibili sulla macchina MareNostrum del Barcelona Supercomputing Centre (capofila del progetto ChEESE) sono state realizzate valutazioni probabilistiche della pericolosità di accumulo di ceneri al suolo sul territorio nazionale ad alta risoluzione, che sono state comunicate a PLINIVS e Aristotle nell’arco di qualche ora dall’inizio della crisi simulata. PLINIVS ha poi utilizzato queste valutazioni per eseguire una stima dell’impatto dell’eventuale eruzione sulle reti autostradale, ferroviaria, portuale, aeroportuale ed elettrica di tutta Italia.

Per il lungo termine (cioè per i prossimi decenni), si tiene conto sia della statistica climatologica del vento che della variabilità delle condizioni eruttive. In entrambi i casi, il calcolo exascale permette di eseguire le simulazioni in un tempo ragionevole e, nel caso del breve termine, di eseguirle in un tempo utile affinché la stima di pericolosità possa essere utilizzata nella pratica per mitigare il rischio legato alla dispersione e alla caduta di ceneri vulcaniche. Inoltre, il calcolo exascale permette di eseguire le simulazioni su un’area molto estesa, di migliaia di km, ad una risoluzione di circa 2 km (si veda ad esempio la Figura 5). Questo si traduce nella capacità di simulare, e quindi di valutare, la pericolosità associata anche ad eventi molto rari ma di impatto altamente disastroso”, concludono i ricercatori INGV.

Figura 5 – Esempio di stima della pericolosità relativa all’accumulo di ceneri al suolo, dovuta ad un’eruzione altamente esplosiva ai Campi Flegrei, calcolata utilizzando le previsioni del vento del 7 dicembre 2019 per le 48 ore successive, su un’area di 2000 km x 2000 km. La scala di colori indica il cosiddetto “carico di cenere al suolo”, ossia la massa di cenere accumulata per metro quadrato, che ha una probabilità del 5% di essere osservata con un’eruzione altamente esplosiva ai Campi Flegrei ed un vento come quello del 7 dicembre 2019.