Le vette alpine del supercalcolo

Solito battezzare i suoi supercomputer con il nome di una montagna, per il suo nuovo gioiello il Centro Svizzero di Calcolo Scientifico (CSCS) ha mobiliato l’intero arco alpino. Se il suo predecessore, Piz Daint, per sei anni è stato il supercalcolatore più potente di Europa e il sesto al mondo, arrivando a 25 petaflops (un petaflop equivale a un milione di miliardi di operazioni matematiche al secondo, pari al lavoro svolto in tremila anni da un comune laptop), Alps con le sue 10mila unità di elaborazione grafica (GPU) di ultima generazione, posiziona la scienza svizzera al livello delle principali aziende tecnologiche mondiali in termini di potenza di calcolo, sette volte più potente dell’attuale sistema leader mondiale per IA. «Ma il vero grande cambiamento di Alps riguarda l’architettura del sistema. Stiamo adottando tecnologie cloud-native in combinazione con un supercalcolatore collaudato per migliorare qualitativamente il tipo di flussi di lavoro scientifici che possiamo supportare. In combinazione con l’apprendimento automatico (machine learning) stiamo trasformando il calcolo scientifico», sottolinea Thomas Schulthess, direttore del CSCS.

Istituito nel 1991 come dipartimento del Politecnico federale di Zurigo e divenuto asse portante della Strategia nazionale di calcolo e reti ad alta potenza (HPCN), dal 2012 il CSCS è stato trasferito dalla sede originaria di Manno a Lugano, in un edificio ispirato ante litteram ai criteri di sostenibilità ecologica che la gestione dei supercalcolatori sfida a rispettare.

Insieme ai partner Nvidia e Hewlett Packard Enterprise (HPE) per progettare e costruire Alps si è immaginato che potesse soddisfare i requisiti necessari per la ricerca sul clima. «Quando si costruisce un’infrastruttura di ricerca di uso generale su questa scala, è infatti necessario un obiettivo di co-progettazione. Abbiamo scelto il problema meteo-climatico per diversi motivi. Primo: è un classico problema di supercalcolo – von Neumann lo scelse alla fine degli anni ’40 quando sviluppò i “sistemi di calcolo avanzati” all’Institute for Advanced Studies di Princeton. Secondo: all’ETH, così come con MeteoSvizzera e l’European Center for Midrange Weather Forecasts, di cui MeteoSvizzera è membro fondatore, abbiamo eccellenti partner di ricerca. Terzo: sta spingendo i limiti di tutte e cinque le dimensioni dei big data – volume, varietà, veridicità, velocità e valore dei dati. Si tratta di una caratteristica unica, che ci permette di creare la migliore infrastruttura di ricerca attualmente immaginabile, in grado di supportare sia l’extreme computing che l’extreme data analytics, nonché tutti i problemi non così complessi che si incontrano nella scienza, e di farlo in modo efficiente dal punto di vista dei costi», sottolinea il direttore del CSCS.

Prosegue così lo sviluppo che negli ultimi decenni ha cambiato e potenziato la ricerca scientifica, trovando nella simulazione il terzo pilastro accanto alla sperimentazione e alla teoria. Del potenziale di Alps potranno beneficiare tutte le aree a oggi supportate dal CSCS, per le quali la qualità della ricerca è direttamente legata alle capacità di simulazione, fondamentali per dare un senso ai dati scientifici, tra cui le scienze dei materiali e la chimica, l’astronomia e la fisica in generale, le scienze della terra e dell’ambiente, life sciences, medicina, ingegneria, ecc.

Per un utilizzo ottimale di Alps è stato sviluppato un ambiente vCluster. «La tecnologia versatile software defined cluster di Alps permette di configurare le partizioni del cluster in modo mirato ai diversi tenant, garantendo un’offerta personalizzata per diversi settori della comunità di ricerca svizzera. Uno dei primi esempi importanti sarà un vCluster per l’Istituto Paul Scherrer che subentrerà agli attuali sistemi HPC istituzionali on-premises», precisa Thomas Schulthess.

La nuova infrastruttura non occuperà molto più spazio del predecessore Piz Daint, per contro le prestazioni aumenteranno di circa 15-20 volte, a fronte di un consumo di elettricità solo triplicato nel rispetto dei limiti della struttura di Lugano. Sono invece i costi dell’elettricità a essersi impennati (per sei) dopo il naufragio dell’Accordo quadro con l’Ue, ulteriormente aggravati dal conflitto in Ucraina. «Rispetto però a infrastrutture simili che verranno realizzate quest’anno e il prossimo nel Regno Unito e nell’Europa continentale, abbiamo fatto un ottimo affare. E se fossimo un cliente commerciale che ha bisogno di una consegna immediata ora, il costo sarebbe almeno quattro o sei volte superiore», evidenzia il direttore. Da parte loro, a Nvidia e HPE, partner già di lunga data del CSCS, il merito di aver portato avanti questa collaborazione visionaria avviata nel 2020 nonostante l’aumento dei costi di opportunità.

Il CSCS ha inoltre sottoscritto a inizio gennaio una partnership con il Politecnico di Losanna, dove l’estensione di Alps sarà disponibile come failover per MeteoSvizzera. «Dall’inizio abbiamo previsto di puntare su un’infrastruttura geo-diversificata per assicurare la geo-ridondanza dei nostri servizi ad alta disponibilità. Tuttavia abbiamo dovuto accantonare questi piani quando è diventato chiaro che senza il necessario accordo bilaterale con l’Ue la rete elettrica svizzera avrebbe potuto diventare instabile, situazione aggravata dall’attacco all’Ucraina. L’estensione all’EPFL è piccola rispetto all’infrastruttura di Lugano, anche se abbastanza grande da mantenere in funzione i servizi critici in caso di prolungate interruzioni», ricorda Thomas Schulthess.

Intanto si avvicina l’inaugurazione ufficiale di Alps. Anche se in un certo senso si potrebbe dire che sia già pienamente operativo o, all’opposto, che non lo sarà mai del tutto, in quanto continuerà a evolversi. «Le consegne dell’hardware saranno completate in primavera, mentre al momento ci sono alcuni problemi di software da risolvere. Ma è normale quando si è all’avanguardia. Altri progetti in Germania e nel Regno Unito, successivi al nostro, beneficeranno di questo lavoro», commenta il direttore.

Piena operatività per quest’estate, si potrà allora smantellare Piz Daint dopo un decennio di onorato servizio. E pensare che la storia del Centro Svizzero di Calcolo Scientifico è iniziata nel 1991 con il supercomputer Adula che aveva una potenza di calcolo di 5 gigaflops, molto meno di uno smartphone attuale. Fino a che punto ci si può aspettare che i supercomputer si spingano in futuro? «Sembra che non ci siano limiti o non oso prevederne. La Legge di Moore è ormai sconfessata, non otteniamo più una crescita esponenziale delle prestazioni a costi costanti. Investimenti e consumo energetico si impennano. Tuttavia, finché l’importanza (il valore) dell’informatica nella società aumenterà, le prestazioni continueranno a crescere. E dove c’è una necessità, anche le tecnologie si svilupperanno, aprendo nuove opportunità. È un ciclo che non si esaurirà finché ci sarà un’economia basata sulla tecnologia», conclude il direttore del CSCS.