Come funziona un supercomputer? Qual è la sua potenza? Quali simulazioni vengono svolte dai supercalcolatori? In questo blog visitiamo virtualmente il Centro Svizzero di Calcolo Scientifico, sede di uno dei supercomputer più potenti al mondo e dove vengono elaborate tutte le previsioni meteorologiche di MeteoSvizzera.
Lo scorso mercoledì 19 aprile, il Centro Svizzero di Calcolo Scientifico (CSCS) ha aperto le sue porte alle mentee e alle mentori del programma Swiss TecLadies, ovvero il programma nazionale di promozione delle nuove leve dell'Accademia Svizzera delle Scienze Tecniche SATW, di cui fa parte il progetto di mentoring per ragazze di età compresa tra i 12 e i 18 anni.
Grazie alla partecipazione di una collega di MeteoSvizzera a questo workshop, possiamo visitare virtualmente la sede di uno dei supercomputer più potenti al mondo.
Fondato nel 1991, il Centro Svizzero di Calcolo Scientifico (CSCS) sviluppa e fornisce le principali capacità di supercalcolo necessarie per risolvere problemi importanti per la scienza e la società. Il centro mette a disposizione di ricercatori e ricercatrici nazionali e internazionali un laboratorio scientifico in cui svolgere calcoli e simulazioni che necessitano sistemi di calcolo ad alte prestazioni. Il centro, finanziato dalla Confederazione e gestito dal Politecnico federale di Zurigo è situato a Lugano Cornaredo e conta 118 collaboratori di 23 differenti nazionalità.
Tra i vari servizi forniti dal CSCS, i ricercatori svizzeri possono richiedere risorse di calcolo gratuite nell'ambito dello “User Lab”. Un processo di revisione trasparente da parte di indipendenti garantisce che tutti i progetti meritevoli ricevano risorse di calcolo adeguate a supportare il loro lavoro. Gli istituti di ricerca e i consorzi svizzeri possono usufruire dei servizi per la gestione dei propri supercomputer. Ne sono un esempio i sistemi utilizzati per il servizio di previsioni meteorologiche numeriche di MeteoSvizzera. Inoltre, il CSCS sviluppa e fornisce software innovativi, progettati per migliorare il flusso dei dati ed il porting delle applicazioni per sistemi informatici di calcolo ad alte prestazioni (High Performance Computing HPC).
L’edifico sede del CSCS si compone di una parte adibita ad uffici collegata attraverso una passerella ad un capannone di 2000 metri quadrati in cui sono installate le macchine. Questa grande sala non deve porre alcun limite all’installazione e all’uso dei supercomputer ed è quindi caratterizzata dalla totale assenza di colonne portanti e suddivisioni. I tre piani che compongono il capannone sono adibiti (dal basso verso l’alto) a piano risorse (dove si trovano i tubi di trasporto dell’elettricità e dell’acqua di raffreddamento), piano di distribuzione (un doppio pavimento nel quale vengono fatti scorrere cavi chilometrici), e sala macchine.
A differenza di quello che si può pensare, il supercompuer non è un singolo computer di grandi dimensioni, ma si potrebbe descrivere come un insieme di un numero elevato di “normali” computer interconnessi e che comunicano tra loro. Un supercomputer è composto da speciali armadi denominati “cabinets” all’interno dei quali sono presenti un numero elevato di processori. I supercalcolatori sono quindi progettati per ottenere capacità di calcolo molto elevate, allo scopo di eseguire operazioni matematiche ad altissime prestazioni. Vengono utilizzate numerose schede che implementano il calcolo su GPU, ovvero unità di elaborazione grafica ottimizzate per il calcolo parallelo di grandi volumi di dati, molto efficiente in termini energetici.
La velocità dei supercomputer viene misurata in "FLOPS" (FLoating Point Operations Per Second), ovvero in operazioni matematiche per secondo e le loro applicazioni spaziano dalla simulazione della formazione delle galassie, alla modellazione dei fenomeni atmosferici, dal movimento delle placche tettoniche, fino all’analisi del comportamento di specifiche molecole responsabili dell’Alzheimer. Grazie alle simulazioni dei supercalcolatori è possibile visualizzare processi che altrimenti sarebbero troppo grandi, troppo piccoli, troppo rapidi o troppo lenti per essere visibili “ad occhio nudo”.
Il principale supercomputer attualmente in funzione presso il CSCS si chiama Piz Daint, dal nome della cima delle Alpi retiche. Si tratta di un sistema ibrido Cray XC40/XC50 ed è il supercomputer di punta del servizio HPC nazionale con una capacità di calcolo di 29.3 PetaFLOPS. In funzione a partire dal 2016, nel 2024 Piz Daint andrà in pensione e al suo posto entrerà in funzione Alps che avrà una capacità di calcolo dieci volte superiore al predecessore Piz Daint. Per darvi un’idea della potenza di queste macchine, un normale personal computer impiegherebbe più di 3000 anni per la stessa quantità di calcoli che un supercomputer del CSCS esegue in ventiquattro ore.
I supercalcolatori vengono sostituiti regolarmente con apparecchiature che rispettano lo stato dell’arte della tecnologia. In questo modo viene migliorata costantemente la potenza di calcolo e si riducono i consumi legati al funzionamento di queste macchine.
I centri di calcolo ad alte prestazioni sono caratterizzati da un elevato consumo di energia. Al fine di assicurare una gestione energetica del centro di calcolo economica ed efficiente, il CSCS sfrutta le risorse naturali del Lago di Lugano per il raffreddamento dei propri supercalcolatori e dell’edificio stesso. L’acqua del Lago Ceresio viene prelevata presso la foce del fiume Cassarate e tre potenti pompe convogliano fino a 760 litri di acqua al secondo fino al centro di calcolo situato a Cornaredo. L'edificio viene riscaldato anche con il calore di scarto del ritorno del circuito di raffreddamento e con una pompa di calore. Grazie a questo sistema accuratamente progettato, nell'edificio viene utilizzata la stessa infrastruttura per il riscaldamento in inverno e il raffreddamento in estate.
L’energia deriva invece dalla vicina centrale dell’AIL. L’attuale alimentazione elettrica consente il funzionamento dei calcolatori con una potenza fino a 11 Megawatt ed in caso di emergenza, 960 batterie per l’alimentazione elettrica assicurano il funzionamento dei sistemi principali. Il consumo energetico del CSCS può essere paragonato a circa 30'000 unità famigliari. Tuttavia, il CSCS ricava il 100% dell'elettricità dall'energia idroelettrica ed è quindi neutrale dal punto di vista delle emissioni di carbonio.
Tutte le previsioni di MeteoSvizzera sono elaborate dal CSCS, su un supercalcolatore specificamente sviluppato per calcoli in parallelo, chiamato „Pigne d‘Arolla“. MeteoSvizzera utilizza il modello numerico di previsione meteorologica COSMO (Consortium for Small-scale Modeling) per l’elaborazione di previsioni regionali e locali nella regione alpina, caratterizzata da un’orografia complessa.
Utilizzando dei complessi modelli numerici è possibile simulare l’evoluzione della situazione meteorologica e del tempo. Un modello numerico di previsione del tempo descrive, per il tramite delle leggi della fisica, ciò che avviene nell’atmosfera nonché gli scambi fra atmosfera e superficie terrestre. Le complesse equazioni che lo compongono sono derivate dai principi di conservazione dell’energia, della massa e della quantità di moto, come pure dalle leggi che descrivono i cambiamenti di stato dell’acqua e gli scambi radiativi. Partendo da opportune condizioni iniziali e al contorno, grazie per esempio a misurazioni presso le stazioni al suolo, dati satellitari e radar, si può matematicamente risolvere il risultante sistema di equazioni e calcolare in questo modo come evolverà lo stato dell’atmosfera nel futuro. È chiaro che per avere dei risultati in tempi utili la potenza di calcolo necessaria è elevata e l’utilizzo dei supercalcolatori è quindi essenziale.