Del laboratorio al superordenador

La próxima generación de superordenadores ya está en marcha. El Barcelona Supercomputing Center-Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS) trabaja en la instalación del MareNostrum 5. Esta máquina será 17 veces más potente que el MareNostrum 4, que ocupa la capilla desacralizada de Torre Girona. Su capacidad de cálculo será 10.000 veces superior a la primera de estas supercomputadoras, instalada en 2004. Su coste (151,41 millones de euros) será sufragado por diferentes instituciones y países europeos, entre ellas el Gobierno de España con 52 millones de euros. La tecnología de Lenovo, Atos e Intel lo harán posible.

Estamos ante un proyecto más europeo que nacional, que va a permitir realizar experimentos mucho más complejos a los realizados hasta la fecha. Hemos hablado con varios responsables del BSC-CNS -en el que trabajan 761 investigadores- para conocer qué posibilidades ofrece un superordenador de este tipo. Todos coinciden en que el MareNostrum 5 permitirá acelerar esos cálculos, ya de por sí muy complejos. “Tendrá algunas mejoras incrementales en cuanto a arquitectura o posibilidades, pero lo principal es que podremos avanzar más rápido”, explica Fernando Cucchietti, Head of Data Analytics and Visualisation en el BSC-CNS.

Cucchietti nos explica, por ejemplo, que están creando gemelos digitales o recreaciones virtuales de instalaciones como el estadio Camp Nou. Con ello, podrían predecir el comportamiento de todos los espectadores a un partido de fútbol y así gestionar mejor el espacio desde el punto de vista económico, de seguridad... “En particular, lo que nos interesa es crear gemelos digitales que sean capaces de simular escenarios para que los usuarios puedan explorar posibles futuros o entender el pasado. También con ello, podemos conectar estos ‘digital twins’ con algoritmos de inteligencia artificial para que estos últimos aprendan a operar o controlar los sistemas reales de manera óptima”. Para cuando esté en funcionamiento el MareNostrum 5, la idea es poder crear gemelos digitales de una ciudad entera para conocer los comportamientos de los peatones y vehículos y anticiparse a problemas, evitar atascos, actuar con eficacia ante situaciones de emergencia...

Una Tierra virtual

¿Y si se pudiera crear un gemelo digital de toda la Tierra? Pues no es una idea del todo descabellada a juzgar por los experimentos en los que está inmerso Pablo Ortega, codirector del equipo de simulaciones del clima. “Nuestro conocimiento más preciso sobre cómo el cambio climático se desarrollará en las próximas décadas viene de simulaciones con modelos numéricos que representan las ecuaciones físico-químicas que gobiernan el comportamiento de la atmósfera y el océano y las interacciones entre ellos”, explica. Él y su equipo ya han advertido de que las precipitaciones en Europa durante el invierno podrían aumentar en torno a un 20% en los próximos 30 años si se mantiene el nivel actual de emisiones de gases de efecto invernadero. Añade este investigador del BSC-CNS que, para poder planificar medidas de adaptación y mitigación al cambio climático exitosas, es importante garantizar que las simulaciones de cambio climático en las que se basan sean lo más realistas posibles.

“Ese realismo depende de su resolución, esto es, el tamaño de las celdas en las que se descomponen la atmósfera y el océano al resolver las ecuaciones que los gobiernan. Por ejemplo, para celdas de 10 kilómetros o más finas, es posible simular explícitamente los remolinos en el océano y sus efectos en la circulación oceánica. A partir de 3-4 kilómetros se pueden simular explícitamente la convección y las tormentas en la atmósfera. El aumento de la resolución, sin embargo, viene limitado por la potencia de cálculo ya que dividir la Tierra en celdas más finas implica resolver las ecuaciones un número mayor de veces”, afirma Ortega. Solo recientemente ha sido posible realizar simulaciones globales de cambio climático con modelos globales que resuelven los remolinos en el océano, algo que solo está al alcance de unos pocos centros de investigación a nivel mundial, incluido el superordenador de Barcelona. Para concluir ese aumento de las lluvias en invierno en Europa, estos investigadores estudiaron la corriente del Golfo, esa corriente superficial cálida que transporta aguas desde el Golfo de México a las costas de Europa occidental y que ayuda a templar el clima europeo. Esperan impacientes la puesta en marcha del MareNostrum 5 para realizar simulaciones que “podrían revelar nuevas posibles sorpresas para al clima de las próximas décadas”, advierte.

Ayuda a los olivareros

Nube González, miembro del grupo de investigación de Earth System Services en el BSC-CNS, está utilizando la supercomputación para realizar simulaciones del clima en situaciones específicas en la agricultura, la energía renovable, la gestión del agua o la salud. Entre otros proyectos, podemos mencionar el que está ayudando a agricultores olivareros a controlar plagas de moscas. “Los productores de aceituna y aceite de oliva se enfrentan a un conjunto de desafíos relacionados con el clima a largo, medio y corto plazo, que necesitan ser abordados con decisiones basadas en información climática”,

explica González. Y nos habla de un proyecto concreto centrado en la mosca del olivo, la mayor plaga para la aceituna comercial. “En Andalucía, las moscas adultas aparecen ya en primavera y atacan las aceitunas de la campaña anterior que aún quedan en los árboles, aunque el daño empieza típicamente en verano”. Entre las ventajas de usar estas herramientas de supercomputación, Nube González cita “la identificación de regiones en riesgo por ataque de la mosca del olivo; la mejora del control de la plaga de la mosca del olivo a través de la anticipación de ataques y aplicación de tratamientos durante las fases iniciales del ciclo de vida de la mosca; y el control eficiente de los tratamientos fitosanitarios, usándolos cuando su aplicación es más efectiva y evitándolos cuando no son necesarios, reduciendo así el daño ambiental”. También para ayudar al sector del vino y de los cereales, desde el MareNostrum 4 ya están realizando predicciones climáticas de los próximos siete meses incluyendo variables como temperatura o lluvia e indicadores bio-climáticos relevantes.

Combustibles más limpios

Para realizar los cálculos en los que trabaja Daniel Mira, líder del equipo de tecnologías de propulsión, ha diseñado una malla de 250 millones de elementos que trabajan en 32.000 CPU durante 72 horas. En su caso, desarrolla herramientas digitales y software avanzado de simulación para el estudio y la comprensión de fenómenos fluidodinámicos que ocurren en los sistemas propulsivos y de generación de energía. “En el sector aeronáutico, estamos desarrollando con Rolls Royce modelos avanzados de hollín que permitan predecir no sólo las cantidades de hollín en el escape del motor, sino su discriminación por tamaños de partícula, ya que el impacto de este contaminante en la salud y el medio ambiente depende fundamentalmente de los tamaños del aerosol”, aclara. También está estudiando el comportamiento de los combustibles sostenibles de aviación y cómo impactan al comportamiento del aerorreactor, así como la integración del hidrógeno como combustible de aviación, tanto en el desarrollo de nuevos conceptos de combustión como en la modelización de las llamas de hidrógeno.

Sobre el siempre discutido problema de almacenamiento de la energía, el equipo de Daniel Mira también aprovecha la supercomputación para buscar baterías, pilas de combustibles y electrolizadores “con el fin de acelerar la electrificación y la descarbonización del sistema energético nacional”, añade.

Antes de abandonar el capítulo energético, Fernando Cucchietti, responsable de Data Analytics and Visualisation, añade que están creando gemelos digitales industriales de la mano de compañías como Repsol para mejorar procesos de destilación, y para el grupo Suez, diseñando un algoritmo capaz de operar la red de distribución de agua ahorrando energía.

Medicina más personalizada

Las aplicaciones de este tipo de superordenadores también tienen mucho que decir en el ámbito de la salud. Basta recordar el papel que tuvieron durante la pandemia de Covid-19 para el diseño de las vacunas, gracias a esos cálculos a gran velocidad. Ahora, también se quiere avanzar hacia una medicina más personalizada. En esa línea, los

centros de investigación de toda Europa han creado el Archivo Europeo Federado de Genomas y Fenómenos (FEGA), una infraestructura digital que facilitará el acceso a los datos genómicos y de salud generados por proyectos científicos en España, Alemania, Suecia, Finlandia y Noruega. Salvaguardando la confidencialidad de esos datos sensibles, estos institutos de investigación se proponen facilitar la mejora de los diagnósticos, el desarrollo de nuevas estrategias de prevención y un uso más eficiente de los recursos económicos. Todo ello, una vez más, con la ayuda de la supercomputación.