HPC e BigData: una nuova digitalizzazione per il New Green Deal
←
→
Trascrizione del contenuto della pagina
Se il tuo browser non visualizza correttamente la pagina, ti preghiamo di leggere il contenuto della pagina quaggiù
FOCUS ENEA_
HPC e BigData: una nuova
digitalizzazione per il New Green Deal
L’Europa individua nelle ICT un ruolo chiave di enabling technology per raggiungere gli obiettivi del Green
Deal per il clima e l’ambiente. Calcolo ad alte prestazioni, Intelligenza artificiale, 5G, cloud, IoT, possono
contribuire ad accelerarne la realizzazione. L’ENEA con la Divisione ICT è attiva nella ricerca in questo
settore, come evidenziano le esperienze e i risultati ottenuti in progetti europei e nazionali.
DOI 10.12910/EAI2020-046
di Andrea Quintiliani, Massimo Celino, Marta Chinnici, Francesco Iannone, Angelo Mariano, Giovanni Bracco, Silvio Migliori,
Dipartimento Tecnologie Energetiche e Fonti Rinnovabili, Divisione ICT, ENEA (*)
L
’Europa pone al centro delle e come questo insieme di tecnologie puter, nuova in termini di componenti
proprie strategie di sviluppo il possa consentire l’elaborazione di mo- ed architetture, ma anche per il ridotto
nuovo Green Deal, inteso come delli ad alta precisione, l’analisi di siste- impatto ambientale.
programma per rispondere alla mi di dati eterogenei, la regolazione ed Il notevole miglioramento dell’hardwa-
sfida di disaccoppiare la crescita eco- il management di sistemi complessi. re comporta un ripensamento di molti
nomica e l’uso delle risorse, e promuo- Per quanto concerne il supercalcolo, aspetti del ciclo di vita di una infrastrut-
vere la transizione energetica verso le il programma di sviluppo mondiale è tura HPC, che comprende la riscrittura
fonti rinnovabili. Anche le tecnologie molto intenso. Si prevede un incremen- del software, l’utilizzo di nuovi algo-
digitali sono individuate come uno dei to di potenza di un ordine di grandezza ritmi, l’adozione di nuove architetture
fattori prioritari per il raggiungimen- nel giro di un paio d’anni. La prossima del software (container) e lo sviluppo
to di questo obiettivo e, contempora- generazione di supercomputer, i cosid- di nuovi modelli di programmazione
neamente, per il rilancio dell’econo- detti computer exascale, potranno ese- che permettono di rilasciare software
mia. La recente comunicazione della guire un miliardo di miliardi di opera- in maniera più veloce, più economica
Commissione riconosce alle ICT un zioni al secondo (1018, pari a 1 exaflops) e con una scalabilità senza precedenti.
ruolo di enabling technology per il già a partire dal prossimo anno. È no- Molti, nell’ecosistema HPC, sostengo-
raggiungimento degli obiettivi del tizia recente che il sistema giapponese no un cambiamento rivoluzionario, in
Green Deal europeo. Intelligenza ar- Fugaku ha raggiunto prestazioni pari a contrapposizione a quello evolutivo, in
tificiale, 5G, cloud computing, Inter- 0,4 exaflops. cui gli approcci tradizionali sono sosti-
net of Things, sono fra le tecnologie In questa fase di forte crescita e di svi- tuiti da pratiche più moderne di pro-
che possono contribuire ad accelera- luppo di tecnologie di nuova generazio- gettazione coordinata (co-design). La
re le politiche legate al cambiamento ne, la Commissione Europea ha deciso richiesta di servizi HPC è in continuo
climatico e alla protezione dell’am- di investire in modo molto massiccio, aumento, poiché accanto alla tradizio-
biente. In questo contesto giocano un per mettere a disposizione di ricercato- nale area della simulazione numerica
ruolo di primo piano anche le grandi ri, imprese e organismi pubblici europei è sopraggiunta la nuova richiesta di
infrastrutture di calcolo ad alte pre- l’accesso a risorse computazionali del analizzare velocemente le quantità
stazioni (HPC). In particolare, viene più alto livello. Oggi l’Europa dipende enormi di dati resi disponibili dalle
messa in primo piano la combinazione fortemente nel settore ICT da tecnolo- reti di comunicazione. Questa nuova
fra infrastrutture digitali, quali super- gie e strumentazione prodotta all’estero. area per l’ecosistema HPC è l’analisi
computer e sistemi cloud, reti ad altis- Nel nuovo Programma Quadro (Hori- dei dati ad alte prestazioni o High Per-
sime prestazioni con sistemi per l’ela- zon Europe) essa si candida a recitare fomance Data Analytics (HPDA), che
borazione e l’interoperabilità dei dati un ruolo di primo piano nello svilup- descrive la convergenza tra le soluzioni
e algoritmi di intelligenza artificiale, po di una nuova generazione di com- HPC orientate all’analisi massiva di dati
116 Energia, ambiente e innovazione | 2/2020
FOCUS ENEA_
a inizio 2019 per un secondo triennio.
L’ENEA è partner del progetto EoCoE,
che mira allo sviluppo di un numero
selezionato di codici di calcolo relativi a
cinque Scientific Challenge di interesse
nel settore energia (nuovi materiali per
il fotovoltaico e le batterie, meteorolo-
gia, eolico, idrologia e fusione) per por-
tarli a performance in grado di sfruttare
le infrastrutture exascale di prossima
realizzazione1. Ad esempio, nel settore
fotovoltaico è possibile calcolare pro-
prietà elettroniche ed ottiche partendo
da modelli atomistici per comprendere
l’origine microscopica di comporta-
menti fisico-chimici macroscopici (Fi-
gura 1).
Altri risultati interessanti sono stati
ottenuti nel campo dell’energia eolica,
dove sono stati realizzati modelli com-
pleti di rotori di pale eoliche (Figura 2)
e nei sistemi di modellazione idrologica
Fig. 1 Studio di un difetto all’interfaccia silicio cristallino - silicio amorfo idrogenato ad alta risoluzione (3 km di risoluzione)
per celle fotovoltaiche ad eterogiunzione [1] su scala continentale.
Il tema della sostenibilità è diventato
e il mercato dell’analisi commerciale di guardia e la creazione di un importante di primaria importanza nelle ICT, un
fascia alta. HPDA rappresenta, dal pun- gruppo di competenza. settore in cui i consumi energetici cre-
to di vista infrastrutturale, la conver- Attualmente, il maggior sistema in pro- scono ad un tasso del 9% annuo. Ad
genza fra i tradizionali metodi di mo- duzione è il cluster CRESCO6, un si- esempio, la crescita nelle prestazioni
dellazione e simulazione utilizzati nelle stema allo stato dell’arte dotato di più di dei grandi datacentre si accompagna
applicazioni HPC e i più recenti metodi 400 nodi con complessivamente più di ad una crescita dei consumi energetici,
basati su tecniche di intelligenza artifi- 20.000 core. CRESCO6 si è posiziona- con potenze che nelle più grandi infra-
ciale e deep learning che sono sempre to al 420esimo posto nella graduatoria strutture possono superare i 10 MWatt.
più utilizzati per l’analisi massiva e per mondiale al novembre 2018, e rimane Per questo motivo, per i supercomputer
l’estrazione di valore dai dati (BigData). il secondo sistema italiano nel mondo exascale ad obiettivi prestazionali sono
della ricerca pubblica, dopo quelli di associati obiettivi di efficienza energetica
Calcolo ad alte prestazioni CINECA. altrettanto stringenti. L’organizzazione
Nel più ampio contesto della Joint Un-
L’ENEA ha giocato da sempre un ruo- dertaking EuroHPC, creata in ambito
lo importante nel calcolo avanzato e ha europeo per sostenere un ecosistema
raggiunto uno status rilevante a livello europeo integrato che copra tutti i seg-
nazionale già a partire da fine anni 2000 menti della catena del valore (hardwa-
con il progetto CRESCO, cofinanziato re, software, applicazioni, servizi, inter-
dal Ministero della Università e della connessioni e competenze), hanno un
Ricerca nel quadro dei Fondi FESR. ruolo cruciale le applicazioni scientifi-
Negli anni successivi, l’aggiudicazione che dell’HPC per affrontare le prossime
di altri progetti e una feconda collabo- sfide industriali, scientifiche e sociali.
razione con CINECA ha permesso di Su questo tema la Comunità Europea
potenziare ripetutamente le risorse di ha costituito dieci Centri di Eccellen-
calcolo dislocate nella sede di Portici, za (CoE) europei fra i quali è presente
valorizzando l’investimento comples- EoCoE (The European Energy oriented
sivo e consolidando un’attività basata Centre of Excellence in computing ap-
Fig. 2 Modello di mesh rotante che
sulla disponibilità di sistemi all’avan- plications, www.eocoe.eu) rifinanziato incorpora la rotazione delle pale [2]
2/2020 | Energia, ambiente e innovazione 117
FOCUS ENEA_
di un centro di supercalcolo energeti- una infrastruttura FAIR europea che perabilità, riutilizzabilità) e diventino il
camente efficiente esige attento studio, consenta una gestione trasparente e inte- motore di nuovi percorsi di innovazio-
capacità di ottimizzazione delle risorse grata dei dati energetici, assicurandone ne. L’infrastruttura FAIR sarà ospitata
e investimenti importanti sul fronte qualità e disponibilità, per poter rende- e gestita dall’ENEA e si candida a di-
tecnologico. re possibile ideare, attuare e monitorare ventare in EOSC (The European Open
In questi anni, la Divisione ICT si è nuovi percorsi di transizione sostenibili Science Cloud), il portale di ingresso
occupata dello sviluppo di strumen- e offrire opportunità oggi impensabili di ai dati europei nel settore delle energie
ti quali metriche e Key Performance innovazione (Figura 3). rinnovabili.
Indicator per valutare i consumi ener- Il progetto nasce dalla constatazione che La piattaforma si collegherà alle piat-
getici e termici di un centro di calco- la maggior parte dei database disponibili taforme esistenti, fornendo un accesso
lo, ed allo stesso tempo per incre- in Europa non sono stati pensati per la unificato e senza soluzione di continu-
mentarne l’efficienza senza alterare le distribuzione open dei dati tramite si- ità ai relativi archivi di dati energetici.
prestazioni. Ad esempio, ha sviluppa- stemi informativi avanzati con la con- Essa pertanto non duplicherà le risorse,
to nuove metriche di produttività che seguente perdita di innumerevoli op- ma stabilirà un’interfaccia tecnica per
mettano in relazione gli effettivi cari- portunità tecnologiche ed economiche accedere a una varietà di risorse utiliz-
chi di lavoro al consumo energetico, derivanti dalle nuove soluzioni ICT. zando formati web standard.
testandole nel proprio centro di cal- Tuttavia, il crescente grado di comples- In ambito energetico-ambientale sono
colo di Portici, e nuove metodologie sità e incertezza dovuto all’integrazio- di particolare interesse le piattaforme
per l’analisi dei dati energetici e ter- ne di diversi tipi di flussi di dati e alle per la gestione di BigData provenienti
mici applicando tecniche di machine numerose interconnessioni richiede da infrastrutture smart. In un ambiente
learning e di Intelligenza Artificiale. nuove metodologie per i dati e le rela- urbano intelligente, l’esplosiva crescita
tive infrastrutture. È necessario indi- del volume, della velocità e della varietà
Piattaforme per la gestione dati viduare, insieme agli attori principali di dati prodotti ogni giorno richiede un
del settore energetico, metodologie e aumento continuo delle velocità di ela-
Sul versante dei dati, l’ENEA è partner di infrastrutture affinché tutti i database borazione di server e intere infrastrut-
EERAdata (www.eeradata.eu), progetto aderiscano ai principi dei dati aperti e ture di rete, piattaforme e nuovi modelli
europeo che si propone di sviluppare FAIR (reperibilità, accessibilità, intero- di gestione delle risorse.
Fig. 3 Funzionalità della piattaforma EERAdata, punto di ingresso ai dati nel settore energia per la ricerca in Europa [4]
118 Energia, ambiente e innovazione | 2/2020FOCUS ENEA_
La vasta varietà delle fonti complica la tra i vari attori; norama delle iniziative ENEA di impie-
gestione dei dati a causa del loro diffe- • garantire sinergie e interoperabilità go delle tecnologie di punta delle ICT
rente formato, soprattutto quando si all’interno e tra i diversi sistemi e do- nel campo delle energie rinnovabili e
vuole archiviarli, trasformarli o scam- mini delle politiche cittadine (ad es. tra- nella mitigazione del cambiamento cli-
biarli. L’utilizzo di infrastrutture e piat- sporti, energia, istruzione, sanità ecc.); matico. Il consolidamento nel tempo di
taforme cloud è diventata una necessità • promuovere l’innovazione, ad esem- un’infrastruttura di calcolo di livello na-
ed allo stesso tempo rappresenta una pio attraverso i cosiddetti open data, i zionale ha contribuito allo sviluppo di
criticità, poiché le prestazioni com- laboratori viventi e gli hub tecnologici. competenze specialistiche in grado di
plessive delle applicazioni, soprattutto La piattaforma è di tipo modulare, mul- partecipare con un ruolo di primo pia-
quelle urbane, dipendono fortemente ti-layer e scalabile, in grado di affronta- no ai prossimi programmi di Ricerca e
dalle proprietà del servizio di gestione re il problema dell’interoperabilità tra Sviluppo nazionali ed europei.
dei dati. gli ampi e differenti domini nel contesto
In quest’ottica l’ENEA, attraverso le delle applicazioni urbane. ENEA-SCP è (*) Massimo Celino, Marta Chinnici,
Divisioni ICT e SEN, ha sviluppato implementata seguendo il paradigma Angelo Mariano, Silvio Migliori, Divi-
una piattaforma urbana (Smart City Software-as-a-Service (SaaS), e sfrutta sione ICT; Francesco Iannone, Labora-
Platform – SCP) che ha la capacità di: le risorse di calcolo dell’infrastruttura torio Calcolo ad alte prestazioni, Andrea
• rendere smart i dati e le informazio- ENEA in ambiente cloud ospitata pres- Quintiliani, Giovanni Bracco, Collabo-
ni, per le imprese, le persone ed i deci- so il Centro di Ricerca ENEA di Portici. ratori esterni
sori politici riprogettando le relazioni Gli esempi citati non esauriscono il pa-
1
ENEA partecipa anche al progetto FocusCoE che ha l’obiettivo di coordinare le azioni dei Centri di Eccellenza costituendo, fra
l’altro, un apposito organismo associativo denominato HPC3
BIBLIOGRAFIA
1. Ab initio study on localization and finite size effects in the structural, electronic, and optical properties of hydrogenated amor-
phous silicon. P Czaja, M Celino, S Giusepponi, M Gusso, U Aeberhard. Computational Materials Science 155 (2018) 159–168
2. Herbert Owen, Barcelona Supercomputing Center, EoCoE Newsletter n. 2, 2019
3. A 3 km spatially and temporally consistent European daily soil moisture reanalysis from 2000 to 2015. Bibi S. Naz, et al. Sci-
entific Data 7:111, 2020
4. Open science in Energy system research: current practices and future directions. A. Wierling, W.J. Schwanitz, M. Paier, M.
Celino. Open Science Conference, Berlin, March 2020
5. IoT Meets Opportunities and Challenges: Edge Computing in Deep Urban Environment. M. Chinnici, S. De Vito. In “Depend-
able IoT for Human and Industry”. River Publishers Series in Information Science and Technology, 2018
6. Smart City Platform Specification: A Modular Approach to Achieve Interoperability in Smart Cities. A. Brutti, P. De Sabbata,
et al., in The Internet of Things for Smart Urban Ecosystems pp 25-50, Springer, 2018
7. The role of medium size facilities in the HPC ecosystem: the case of the new CRESCO4 cluster integrated in the ENEAGRID in-
frastructure. G. Ponti et al., Proceedings of the 2014 International Conference on High Performance Computing and Simulation
2/2020 | Energia, ambiente e innovazione 119Puoi anche leggere
