Come SuperMUC-NG, il supercomputer europeo, aiuterà la ricerca scientifica

Il Leibniz Supercomputing Center dell'Accademia Bavarese delle Scienze, noto anche come LRZ (dal tedesco "Lebniz-Rechenzentrum"), è sede di uno dei più potenti supercomputer in Europa. Il SuperMUC-NG, questo il nome del supercomputer, è attualmente quindicesimo al mondo per potenza di calcolo, ma verrà presto espanso in quella che viene definita la "fase due" nella quale verranno aggiunti 240 nuovi nodi e 1 petabyte di spazio di archiviazione. Ne abbiamo parlato con il Professor Dieter Kranzlmüller, direttore di LRZ, e con Noam Rosen, direttore del reparto HPC e IA di Lenovo per l'EMEA e Israele.

SuperMUC-NG, il supercomputer pubblico più potente d'Europa

I nuovi nodi del SuperMUC-NG verranno forniti da Lenovo e saranno dei Lenovo ThinkSystem SD650 dotati di processori Intel Xeon Scalable con architettura Sapphire Rapids a 10 nm. La grossa novità per SuperMUC-NG è che finora si è trattato di un cosiddetto "supercomputer general purpose", ovvero un supercomputer che fa uso delle sole CPU per effettuare i propri calcoli, ma la fase due porta con sé anche le GPU Intel Xe HPC "Ponte Vecchio". Si tratta di uno dei primi supercomputer a fare uso delle nuove GPU di Intel.

Abbiamo chiesto a Noam Rosen (nella foto a destra) il perché di questa scelta, considerando che attualmente è NVIDIA a detenere lo scettro nel mondo delle GPU per l'HPC grazie al suo linguaggio CUDA e all'enorme parco di software compatibili con i suoi prodotti. "Tutto è nato da una partnership con Intel: stavamo lavorando con loro per introdurre nuove CPU nei nostri sistemi raffreddati ad acqua tiepida ed è stato naturale continuare tale collaborazione anche nell'ambito delle GPU. Abbiamo sviluppato queste GPU assieme a Intel e questo ci ha dato un vantaggio nel portarle per primi sul mercato." La sensazione è che SuperMUC-NG fosse il candidato ideale per introdurre le nuove Xe HPC, visto che non usava già software che faceva uso delle GPU e, soprattutto, del linguaggio CUDA.

Assieme ai nodi di calcolo verranno inseriti nel sistema anche dei ThinkSystem SR630 V2 con CPU Intel Xeon Scalable di terza generazione, con architettura Ice Lake, per offrire un sistema di object storage asincrono e distribuito (DAOS), con una capacità complessiva di 1 petabyte.

Uno degli obiettivi nella progettazione della "fase due" era il risparmio energetico. I costi operativi del SuperMUC-NG sono nell'ordine dei milioni di euro all'anno, con un costo orario della sola energia elettrica che arriva a circa 1.000€. La scelta del raffreddamento a liquido è stata fatta proprio in questo senso: le stime che il professor Kranzlmüller ci ha fornito sono di circa 2 milioni di euro risparmiati ogni anno. Il sistema usa infatti la tecnologia Lenovo Neptune ad acqua tiepida, così da rimuovere circa il 90% del calore dal sistema.

"I sistemi ad acqua tipieda sono intrinsecamente più efficienti rispetto a quelli tradizionali perché non c'è bisogno di gruppi frigoriferi per raffreddare l'acqua prima di pomparla nel sistema", ci dice Rosen, "quindi l'acqua in uscita può essere usata per riscaldare l'edificio o, come nel caso di LRZ, in un refrigeratore ad assorbimento. In pratica quell'acqua calda viene riutilizzata per generare nuova acqua fredda che può essere poi usata per raffreddare componenti che richiedono basse temperature."

"Il primo ministro bavarese mi ha chiesto se fossi contento che il supercomputer fosse tra i primi al mondo. Gli ho risposto che non mi importa dove finiamo nella classifica Top 500", ci ha detto il professore. "Quello che voglio è il miglior sistema per quello di cui i nostri utenti hanno bisogno ogni giorno. E se aiutiamo la ricerca, ad esempio velocizzando la ricerca sui vaccini per il COVID o sulla crisi ambientale, se il nostro contributo è che gli scienziati possono fare simulazioni più velocemente, allora abbiamo assolto al nostro compito. [...] Facciamo tutto ciò per le generazioni future, in fondo."

Il sistema DAOS sarà operativo nell'ultimo trimestre del 2021, mentre i nodi di calcolo saranno resi disponibili nel secondo trimestre del 2022. Grazie a questo aggiornamento, il SuperMUC-NG dovrebbe diventare l'ottavo supercomputer al mondo per pura potenza di calcolo dei processori.

Un supercomputer per la scienza europea

Ma a cosa serve tutta questa potenza? Il professor Kranzlmüller (nell'immagine sopra) afferma che gli usi sono i più svariati, ma ci sorprende con un esempio che ci riguarda da vicino: SuperMUC-NG è stato infatti usato per simulare gli effetti di un'alluvione sulla città di Genova, dopo che nel 2014 vari torrenti sono esondati seminando così devastazione per il territorio. "Abbiamo fatto un progetto con la Fondazione CIMA in cui abbiamo simulato l'alluvione e abbiamo cercato di capire quanto i modelli fossero efficaci, così da capire meglio gli eventi. La ricerca continua e stiamo ancora lavorando con scienziati italiani, ad esempio per capire dove sia meglio posizionare le turbine eoliche e come migliorarne l'efficienza."

"Qualunque scienziato tedesco e, con delle limitazioni, qualunque scienziato europeo può chiedere di accedere ai nostri sistemi. Al LRZ siamo specializzati nella scienza ambientale, che include ad esempio il clima, ma offriamo servizi anche per le life science, per l'astrofisica e così via. In generale, diamo la possibilità di accedere ai sistemi a qualunque scienziato che dimostri di averne bisogno. Ad esempio, abbiamo effettuato la più grande simulazione al mondo di fluidodinamica, così che gli scienziati sono riusciti a imparare di più su come si è formato l'universo."

L'espansione di SuperMUC-NG aiuterà proprio il progresso della ricerca in ambito ambientale. Il professore afferma che anche solo l'analisi dei risultati degli esperimenti è un problema e che una maggiore potenza di calcolo può aiutare a trovare nuove informazioni: "in una simulazione i ricercatori hanno avuto oltre 500 TB di dati di risultati, quindi hanno applicato il deep learning per capire se ci fossero dei pattern. E la risposta è che sì, ci sono dei pattern, e grazie a ciò ora possiamo creare dei modelli molto migliori dei venti estremi. Tutti gli utenti ci hanno chiesto di aumentare la nostra capacità di supportare IA e deep learning, così l'abbiamo fatto. Dissento fortemente con l'idea che l'IA sia la soluzione a tutto, ma credo che possa fornire ulteriore input alle simulazioni e portarle dunque a fornirci risultati migliori."

Il futuro, secondo Kranzlmüller, è nei computer quantistici: il professore li vede come il complemento ideale ai supercomputer tradizionali, sebbene ci vorrà ancora diverso tempo prima di vederli operativi su larga scala e con una potenza di calcolo sufficiente ad affrontare problemi reali.

Ci si domanda spesso a cosa servano supercomputer dai costi estremamente elevati. Il SuperMUC-NG è un esempio di come queste risorse di calcolo possano essere usate per aiutare la ricerca scientifica, che non può fare a meno di adoperare risorse di calcolo ingenti per creare modelli che ci aiutino, ad esempio, a comprendere meglio il mondo intorno a noi. A vantaggio, in fin dei conti, di tutti.