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Supercalcolo, Europa e Italia in prima linea: sfide e prospettive

L’Europa intende lanciare un nuovo approccio alla sua capacità di elaborazione dei dati su grande scala (“super calcolo”), con enormi investimenti. L’Italia può essere protagonista, non solo nell’uso di queste tecnologie ma anche nella ricerca e nell’innovazione: vediamo come e in quali ambit

05 Ott 2020
Gianpiero Ruggiero

Esperto in valutazione e processi di innovazione del CNR


In un contesto socioeconomico in cui la pandemia ha cambiato le prospettive economiche per gli anni a venire e le tecnologie digitali si sono rivelate cruciali, diventa fondamentale investire e supportare di più la ricerca sulle tecnologie di calcolo ad alte prestazioni (supercalcolo) e computer quantistici.

La Commissione europea è stata chiara, queste nuove tecnologie sono parte essenziale della strategia a sostegno della ripresa economica nell’Unione, tanto da emanare in questi giorni una specifica Raccomandazione con l’obiettivo di incentivare lo sviluppo di reti ad altissima capacità, comprese le reti in fibra ottica e le reti senza fili di prossima generazione.

Un orientamento chiaro anche per il nostro Governo, impegnato in questi giorni a rinforzare la cassetta degli attrezzi su fibra ottica e piano di rete unica, banda ultra-larga e 5G.

Il tempo stringe. Entro l’aprile del prossimo anno tutti gli Stati membri dovranno sottoporre alla Commissione Ue il proprio piano di adozione e recepimento della Raccomandazione ed entro l’anno successivo bisognerà inviare a Bruxelles un rapporto sulle attività effettuate e lo stato dell’arte dei progetti basati su queste tecnologie futuristiche.

Le iniziative europee sul supercalcolo

La Commissione punta molto sulla realizzazione di reti ad altissima capacità (HPC – High Performance Computing). Il Codice europeo delle comunicazioni elettroniche[2], che deve essere recepito dagli Stati membri e applicato a decorrere dal 21 dicembre 2020, promuove l’accesso alle reti ad altissima capacità e il loro utilizzo da parte di cittadini e imprese dell’Unione.

Lo sviluppo di reti ad altissima capacità è la nuova sfida che l’Europa ha lanciato. D’altronde, le conclusioni del Consiglio europeo di giugno «Plasmare il futuro digitale dell’Europa» rivolgono molta attenzione alle tecnologie abilitanti e alle catene del valore digitali:

  • l’importanza del supercalcolo, della tecnologia quantistica e del cloud computing quali motori della sovranità tecnologica, della competitività a livello mondiale e del successo della trasformazione digitale, a sostegno di settori prioritari quali l’intelligenza artificiale, i big data, le blockchain, l’Internet delle cose e la cibersicurezza;
  • il proseguimento dell’impresa comune EuroHPC, il cui obiettivo è istituire in Europa un ecosistema iperconnesso e federato di servizi HPC e infrastrutture dati che sia leader a livello mondiale, a disposizione sia della comunità scientifica che dell’industria, e sviluppare le competenze correlate al fine di ampliare l’accesso a tali risorse tecnologiche;
  • l’importanza della microelettronica “made in Europe” quale tecnologia di base fondamentale per il successo della trasformazione digitale in molti settori industriali, quali i settori automobilistico, manifatturiero, aeronautico, spaziale, della difesa e della sicurezza, agricolo e sanitario;
  • il potenziale che catene del valore hardware e software affidabili, sostenibili e sicure, anche in termini di safety, rivestono al fine di nutrire e instaurare un clima di fiducia nei confronti delle tecnologie digitali europee.

La visione che sta guidando i vertici europei è che il calcolo ad alte prestazioni e l’analisi dei big data porteranno a scienza e tecnologia di eccellenza, tanto da agire come una impresa pionieristica che promuoverà lo sviluppo di know-how strategico e tecnologico nel settore digitale. I dati parlano chiaro, il potenziale di crescita è straordinario, anche per il settore privato. Oltre la metà dei server HPC (51,2% secondo Hyperion Research) è oggi acquistato dalle aziende, sfatando il mito che HPC sia una tema d’interesse solo per enti di ricerca, agenzie governative e grandissime imprese. Il mercato mondiale è in grande crescita. Sempre secondo Hyperion, entro il prossimo 2022 il mercato mondiale dei server HPC raggiungerà la soglia dei 19,6 miliardi di dollari, portando il valore dell’intero comparto (comprendente anche storage, software e supporto) oltre i 38 miliardi di dollari.

Perché il salto “quantico” avvenga, la condizione è garantire l’evoluzione simultanea del software insieme ai nuovi supercomputer, e investire su una nuova generazione di ricercatori che possa rendere tutto questo possibile. L’Unione Europea si sta impegnando tanto per conseguire questi ambiziosi obiettivi.

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L’impegno si è concretizzato nel programma EuroHPC, operativo per il momento dal 2019 al 2026, che prevede il co-investimento iniziale con gli Stati membri di circa 1 miliardo di euro, di cui 486 milioni di euro provenienti dalle azioni già programmate dalla Commissione nei programmi Horizon 2020 e Connecting Europe Facility nell’attuale quadro finanziario pluriennale. Un ulteriore importo di 422 milioni di euro sarà conferito da attori privati o industriali sotto forma di contributi in natura alle attività dell’impresa comune.

I frutti si iniziano a vedere, con una prima selezione di progetti di ricerca e innovazione. A giugno sono stati scelti 19 progetti che aiuteranno l’impresa comune EuroHPC ad attingere alle competenze e alle conoscenze delle PMI e dell’industria europee per mettere in atto il suo ambizioso piano di lavoro e sviluppare applicazioni e servizi HPC. Un secondo Bando è ora in corso (scadenza gennaio 2021). L’invito a presentare proposte si rivolge alla fase della progettazione e sviluppo di processori europei a basso consumo e tecnologie correlate per elaborazione su scala estrema, analisi dei dati ad alte prestazioni, intelligenza artificiale e applicazioni emergenti. Questa azione, con un budget totale di 35 milioni di euro, cui si prevede un pari importo da parte degli Stati partecipanti a EuroHPC e dei beneficiari del progetto, andrà a completare la catena del valore della fornitura HPC europea e svilupperà un ecosistema di supercalcolo di livello mondiale in Europa.

L’eccellenza italiana nel supercalcolo e tecnologie quantistiche

L’Italia ha competenze avanzate per giocare un ruolo rilevante nel futuro dell’HPC e sta investendo tanto (circa 150 milioni di euro tra il MUR e il MiSE) nel programma EuroHPC, sia per quanto riguarda la parte inerente all’infrastruttura sia per quella inerente alla ricerca.

Tra gli otto centri di supercalcolo selezionati a livello europeo figura il CINECA di Bologna, che ospita “Marconi” (uno dei nuovi supercomputer pre-exascale), dove opera il consorzio Exscalate4CoV, tra i vincitori del bando emesso dalla Commissione europea per rispondere all’emergenza Coronavirus, che sfrutta la capacità computazionale di Marconi; grazie alla piattaforma Exscalate, di proprietà di Dompé e sviluppata insieme al Politecnico di Milano e al CINECA, riesce a compiere le simulazioni delle interazioni tra le proteine del Coronavirus e le molecole dei potenziali farmaci. Una capacità di calcolo che consente lo screening virtuale di dieci mila farmaci già impiegati per diverse indicazioni terapeutiche e pronti per nuovi studi clinici che dovrebbero permettere una risposta rapida all’emergenza generata dalla pandemia.

MaX-materials at the exascale è uno dei 10 centri di eccellenza che l’Unione europea ha scelto di finanziare. Finalizzato alla progettazione di nuovi materiali, ha sede a Modena presso l’Istituto nanoscienze del CNR, che coordina le attività di 14 team con base in 7 paesi europei (Italia, Spagna, Svizzera, Germania, Francia, Belgio, Regno Unito). Per l’Italia oltre al CNR partecipano anche Sissa e Ictp di Trieste e il CINECA. “L’imminente salto all’esascala (con performance di calcolo e dati almeno mille volte quelle dei migliori supercomputer attuali) trasformerà in maniera dirompente lo studio e la progettazione di nuovi materiali e le loro funzioni”, è quanto ha dichiarato Elisa Molinari, la ricercatrice che coordina il centro. “Si prevede che il ‘materials design’ tramite simulazioni avrà un impatto nell’industria analogo a quello portato dalle simulazioni di fluidodinamica nell’automotive (con gli studi di fluidodinamica in gallerie del vento simulate e non più reali), o dalle simulazioni di dinamica molecolare nella progettazione di farmaci (drug design)”. Una prospettiva irrealizzabile fino a pochi anni fa, ora tra le frontiere di ricerca più avanzate grazie a big data e supercalcolo.

Anche Eni può vantare il sistema di calcolo più potente al mondo a livello industriale. Grazie al supercomputer High Performance Computing – layer 5, che sorge all’interno del Green Data Center di Ferrera Erbognone (Pavia), la compagnia dispone ora di un’infrastruttura di calcolo con una potenza di picco di 51,7 PetaFlop/s, pari a 52 milioni di miliardi di operazioni matematiche al secondo. Parliamo di una potenza triplicata rispetto a quella del suo predecessore HPC4. I due supercomputer affiancati presentano ora una capacità di calcolo di 70 PetaFlop/s complessivi. È classificato come il sesto supercomputer più potente al mondo, il primo in Europa e primo in assoluto fra i computer non governativi. Ed è anche fra i primi supercomputer più sostenibili del mondo, cioè con il minor consumo di energia elettrica.

Quantistica

L’Europa sta investendo moltissimo nei supercomputer, ed è avanti con l’Italia rispetto ad altri Paesi anche in un altro campo, quello delle tecnologie quantistiche. Tecnologie all’avanguardia che, rimpicciolendo sempre più le unità dove si deposita l’informazione e arrivando così alle dimensioni nanometriche e alle dimensioni del mondo quantistico, promettono applicazioni che vanno dalla sicurezza nelle comunicazioni cifrate alla creazione di computer quantistici ultraveloci. Sulla scia della rete europea per le Comunicazioni Quantistiche (EuroQCI), che combina fibra ottica e satelliti dedicati, in Italia si sta lavorando intensamente sulla possibilità di integrare la tecnologia quantistica con le reti e le infrastrutture in fibra ottica, utilizzate quotidianamente per telecomunicazioni.

È firmato CNR e Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM) il primo test italiano di crittografia quantistica. I ricercatori del CNR-INO e del LENS di Firenze, in collaborazione con l’Università Tecnica della Danimarca, hanno testato nell’area di Firenze un sistema di comunicazione quantistica, sfruttando come canale di trasmissione una porzione della dorsale italiana in fibra ottica, una rete di circa 1.800km realizzata dall’INRiM, che collega l’Italia da Torino a Matera. La dorsale, che attualmente diffonde un segnale assoluto di tempo-frequenza, permetterà di distribuire le chiavi di autenticazione come pin e password in modo sicuro, a prova di cyber-attacchi. Il test costituisce il primo passo per la realizzazione dell’Italian quantum backbone, una rete di comunicazione quantistica capace di garantire la privacy degli utenti e la sicurezza dei dati.

La maturità della tecnologia della crittografia quantistica permetterà di raggiungere altre città attraversate dalla dorsale, come Matera, dove un nodo Qkd sarà sviluppato in uno dei laboratori della Casa delle tecnologie emergenti, un’iniziativa del Comune di Matera finanziata dal MiSE e inaugurata lo scorso anno.

Grandi investimenti pubblici e privati ​​stanno rapidamente spingendo le tecnologie quantistiche fuori dai laboratori e nello sviluppo di nuovi prodotti quantistici e applicazioni nell’economia reale. Più a lungo termine, l’HPC potrà beneficiare degli sviluppi sul fronte della Quantum Flagship (un’iniziativa di ricerca della Commissione europea da 1 miliardo di euro nei prossimi 10 anni) e dell’affermazione dei relativi modelli computazionali che promettono prerogative dirompenti in ambiti come la ricerca, la crittografia, la simulazione di processi fisici e chimici.

Conclusioni

La crisi di COVID-19 ha dimostrato che la connettività è fondamentale per le persone e le imprese. Le reti di comunicazione elettronica, in particolare quelle ad altissima capacità, sono state indispensabili nella risposta alla crisi, consentendo il lavoro a distanza, l’insegnamento, l’assistenza sanitaria, la comunicazione interpersonale e l’intrattenimento a distanza. Per questo l’high performance computing sta entrando con forza nella strategia europea di rilancio.

L’Europa intende lanciare un nuovo approccio alla sua capacità di elaborazione dei dati su grande scala, con enormi investimenti già in atto e più attesi nei prossimi anni. L’Europa, d’altronde, in pochi anni è riuscita a colmare il divario con Stati Uniti, Cina e Giappone, che ricoprono un ruolo nodale nella generazione di sistemi HPC. La leadership europea sui super computer è ben riconosciuta in molti importanti domini, ad esempio nel campo dei materiali e del design biomolecolare. Altre applicazioni industriali in domini di frontiera ad alta tecnologia potranno arrivare, aprendo spazi per ora inimmaginabili. Con l’aiuto di attori industriali, in grado di fornire le tecnologie abilitanti e il know-how di commercializzazione, il settore dell’HPC è destinato a uno sviluppo senza precedenti.

L’Italia può essere protagonista, non soltanto nell’utilizzo di queste tecnologie ma anche nella ricerca e nell’innovazione, per lo sviluppo di nuove applicazioni in settori quali l’intelligenza artificiale e la medicina personalizzata, la progettazione di farmaci e materiali, la bioingegneria, le previsioni meteorologiche e la lotta ai cambiamenti climatici. La sfida ora è co-progettare l’evoluzione dell’hardware e del software e le strategie educative, per garantire che le future architetture exascale diano un ulteriore impulso alla scienza e alla tecnologia computazionale, compresa l’intelligenza artificiale, e che funzionino per il meglio della scienza e dell’umanità.

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  1. Tali infrastrutture fisiche comprenderebbero edifici, in particolare tetti e arredi stradali, quali pali per illuminazione stradale, segnaletiche stradali, semafori, cartelloni pubblicitari, fermate di autobus, tram e metropolitana.
  2. Direttiva (UE) 2018/1972 del Parlamento europeo e del Consiglio, dell’11 dicembre 2018, che istituisce il codice europeo delle comunicazioni elettroniche.
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