2020: Un anno di supercalcolo al Cineca

Pur nelle difficoltà dovute alla diffusione della pandemia, il 2020 è stato un anno di grandi sviluppi ed innovazioni per l'infrastruttura di calcolo Cineca: è stata completata l'installazione di nuovi potenti supercomputer; sono stati potenziati i cluster per cloud computing e artificial intelligence; sono stati installati nuovi sistemi per lo storage. Inoltre, hanno preso il via le attività del progetto che porterà alla realizzazione del nuovo supercomputer Leonardo. Per consentire il miglior utilizzo delle risorse, anche le modalità di accesso saranno ripensate. 

L'immagine nella testata è tratta dalla visita virtuale alla sala macchine Cineca, realizzata nell'ambito della Notte Europea dei Ricercatori e in particolare per il progetto NET - Science Together.

I nuovi supercomputer

Nel corso della prima metà dell’anno è stato installato il nuovo supercomputer Tier-0, Marconi100, finanziato dal progetto PPI4HPC di Horizon 2020. Con Marconi100, che ha una potenza di calcolo di 32 milioni di miliardi di operazioni al secondo di picco, Cineca si trova adesso alla posizione 11 della lista Top500 dei supercomputer più potenti al mondo. Nel Data center di ENI, è stato installato il cluster HPC5, gestito dai sistemisti Cineca in base all’accordo quadro di collaborazione tra Eni e Cineca in essere ormai da oltre 20 anni. Il cluster  HPC5 si trova alla ottava posizione della Top500, ed è l’unico cluster di una compagnia privata ad essere mai giunto nella top ten. Cineca quindi si trova a gestire due dei supercomputer tra i più potenti al mondo.

La piattaforma virtuale Exscalate

Nel 2020 è stata potenziata la piattaforma Exscalate, di Dompè Farmaceutici, sviluppata da una collaborazione tra Cineca, Dompè e Politecnico di Milano. La piattaforma, utilizzata nell'ambito del progetto Exscalate4CoV, per l'individuazione di nuovi farmaci, è stata sviluppata nel contesto del progetto Antarex, finanziato dalla commissione europea per lo studio di un sistema di supercalcolo sostenibile, a supporto della ricerca farmacologica, che integra il software Ligen ™, sviluppato sempre da Cineca, Dompè, e Politecnico di Milano per lo screening virtuale. Exscalate ha una “biblioteca chimica” di 500 miliardi di molecole a cui i ricercatori possono attingere per simulare il comportamento del virus in abbinamento alle molecole farmaceutiche, ed è in grado di valutare di più di tre milioni di molecole al secondo, e quest'anno è stata potenziata fino a raggiungere i 5 milioni di operazioni al secondo, con costi e consumi energetici contenuti.

Cluster e storage

Da qualche mese è entrato in produzione un cluster dedicato al Cloud Computing e, tra qualche settimana, entrerà in funzione un ulteriore cluster Nvidia DGX appositamente creato per il Machine Learning e l’Artificial Inteligence.
Infine è stato appena completato il procurement per un cluster Fenix-RI/ICEI destinato ad ospitare, tra le altre cose, anche i dati della comunità del progetto Human Brain Project. Il nuovo sistema incrementerà significativamente le capacità di storage di Cineca ed andrà in parte a sostituire il vecchio cluster Galileo, che verrà parzialmente dismesso. Marconi, storico cluster Tier-0, continuerà invece a affiancare Marconi100 ed a fornire servizi alle comunità che ne hanno sottoscritto l’agreement.

Leonardo

A metà ottobre stato annunciato da EuroHPC JU il procurement contract di Leonardo, il supercomputer che Cineca installerà e gestirà presso il Tecnopolo di Bologna. Leonardo sarà disponibile dalla fine del prossimo anno/inizio del 2022, e sarà una delle macchine più potenti al mondo con una performance di 10 exaflops di FP16 AI (presumibilmente sarà la macchina per Intelligenza Artificiale più potente al mondo), con una potenza di calcolo HPL aggregata di 250 Pflop, 250 milioni di miliardi di operazioni al secondo (inferiore in pratica solamente alla macchina attualmente più potente della top500) e una capacità di storage di oltre 100 petabyte.  
Cineca, dunque, continua a rispondere alla propria missione istituzionale, mettendo a disposizione della comunità scientifica un’infrastruttura all’avanguardia, e si afferma come uno degli snodi fondamentali dell’High Performance Computing in Europa..

Accesso alle risorse

A un potenziamento dell'infrastruttura, deve necessariamente corrispondere una adeguata strategia di accesso alle risorse. Oggi, diverse sono le modalità per accedere alle risorse di calcolo di Cineca. La principale, che affianca le convenzioni specifiche o gli accordi con industrie e privati a supporto dell’innovazione, è la partecipazione ai bandi pubblicati dai programmi dedicati sia a livello nazionale che internazionale. Tramite ISCRA e PRACE, infatti, è possibile presentare richiesta per l’assegnazione di ore di calcolo per progetti specifici in qualsiasi disciplina scientifica. I grant per l’accesso ai supercomputer vengono assegnati mediante peer- review. 

La sottomissione di progetti, e le nuove modalità di accesso

Le modalità di accesso ai bandi PRACE (Partnership for Advanced Computing in Europe) sono definite a livello internazionale dai referenti di tutti i centri di calcolo europei rappresentati nell’ambito della Partnership.

Per quanto riguarda ISCRA, per meglio adattarsi alle esigenze dei propri utenti e per ottimizzare la gestione delle risorse via via che si attua il percorso di aggiornamento dell’infrastruttura di calcolo, Cineca ha deciso di rivedere le proprie modalità di accesso.
In particolare, le novità più importanti che verranno introdotte nei prossimi mesi riguardano sia le modalità di assegnazione, sia le tipologie di progetti:

• Da CORE hours a NODE hours: per adeguarsi a quello che è ormai uno standard nel mondo dell’HPC, le risorse di calcolo di CINECA non verranno più conteggiate in core hours, ma in NODE hours. La transizione verso questa nuova unità di misura sarà comunque graduale. Infatti in questa prima fase il budget di tempo calcolo continuerà ad essere espresso in Core hours, così come i budget visibili sullo userdb rimarranno in Standard hours, ma prevediamo che, soprattutto per le macchine configurate con acceleratori floating point, tutte le procedure di accounting vengano espresse in NODE hours. Inizialmente solo le richieste di risorse di calcolo sui form ISCRA dovranno essere espresse in NODE hours.
• ISCRA D: A breve, verrà data la possibilità agli utenti interessati di sottomettere progetti per preservare i propri dati sulla infrastruttura Cineca per un tempo superiore a 2 anni. I dettagli di tale call (dimensioni massime, durata massima, tipi di storage richiedibili, servizi aggiuntivi) verranno meglio definiti in fase di apertura del bando stesso.
• Nuovi ISCRA C: All’atto della sottomissione di un nuovo progetto ISCRA C, l’utente avrà la possibilità di scegliere il tipo di sottoprogetto per il quale vuole applicare tra diverse opzioni disponibili (attualmente: HPC, Cloud, HPC+Cloud, Development & Benchmark). Questa suddivisione ci permetterà di semplificare le valutazioni e di fornire sempre le risorse più adeguate al tipo di progetto
• Special Focus: Sempre all’interno dei bandi ISCRA C, oltre ai progetti classici (definiti nei bandi come General Purpose) sarà possibile fare domanda per progetti specifici, a cui verrà data priorità sia per quanto riguarda la valutazione, sia per quanto riguarda l’assegnazione delle risorse. Al momento risultano già attivi gli Special Focus su Artificial Inteligence & Machine Learning, COVID-19 e Big Data/Bioinformatics ed altri saranno attivati in futuro su proposta del comitato scientifico di ISCRA. Alcuni di questi bandi sono gestiti in collaborazione con l’Associazione Big Data, tramite la quale saranno resi disponibili, oltre ai supercomputer CINECA, anche alcuni sistemi di INFN, ENEA e CMCC
• Quantum Computing: Entro gennaio CINECA attiverà call ISCRA C per l’accesso a sistemi fisici di Quantum Computing. In particolare sarà possibile richiedere risorse su un sistema di tipo Quantum Annealing D-Wave, su un sistema Programmable Quantum Simulator PASQAL.
• I progetti ISCRA B rimangono invariati: i bandi vengono aperti due volte all'anno, i progetti (con impegno fino a 50'000 Node hours) sono sottoposti a peer review, e attivati circa 3 mesi dopo la chiusura dei bandi semestrali. 

I progetti finanziati tramite ISCRA, e l'impegno di Cineca

Nel 2019, i bandi ISCRA, rivolti alla comunità scientifica nazionale, hanno consentito a oltre 100 gruppi di ricerca di condurre i propri progetti in ambito fluidodinamica computazionale (26 progetti), fisica della materia condensata (24 progetti), chimica computazionale (19 progetti), astrofisica e fisica dei plasmi (16 progetti). Tra le altre discipline: fisica delle particelle, scienze della terra e del clima, biologia, bioinformatica e scienze della vita, ingegneria computazionale. Maggiori informazioni sono disponibili nel Report HPC 2019/2020. 
Con le nuove modalità di accesso alle risorse in via di perfezionamento, Cineca intende perseguire ancora meglio i propri obiettivi statutari, tra i quali

“la valorizzazione di tecnologie e la condivisione degli obiettivi di sviluppo (…) mediante la produzione di servizi ad alta potenzialità̀ ed efficienza e il trasferimento applicativo di tecnologie per lo sviluppo e l’eccellenza del sistema nazionale dell’istruzione superiore e della ricerca”. 

La partecipazione nei progetti finanziati dalla Commissione Europea nel corso del 2020

Come richiamato nella tabella che segue, nel corso del 2020 si sono aggiunti 14 i nuovi progetti internazionali di ricerca e sviluppo finanziati dalla Commissione Europea a cui il Cineca partecipa come core partner. Con questi ulteriori 14 progetti, la struttura HPC del Cineca partecipa ad oltre 30 progetti di ricerca e sviluppo finanziati, gran parte dei quali rimarranno attivi nel prossimi anni 2021 – 2023.

Data Management e Data Analytics

Nel contesto dei progetti di Data Management e Data Analytics in ambito HPC, il Meteo è stato grande protagonista del 2020, con il rinnovo della collaborazione con l'ARPAE, in cui il ruolo del Cineca è quello di centro di supercalcolo  per le previsioni meteorologiche su Mediterraneo e Italia, e i progetti Mistral e Highlander che si prefiggono di creare una piattaforma nazionale rispettivamente di dati aperti meteorologici e climatici. Con la pubblicazione dello Statuto, sono inoltre state poste le basi a livello nazionale per la costituzione dell'Agenzia ItaliaMeteo. Nel contesto Big Data, Cineca ha ottenuto il riconoscimento BDVA i-Space Gold label.

Progetti industriali e centri di eccellenza

Per le industrie, procede il supporto alle SME, sia nell'ambito di Fortissimo, sia con progetti proof of concept. Con Eni è stata rafforzata la collaborazione per la gestione dei sistemi di supercalcolo, per l’ottimizzazione dei codici software, e anche nell'ambito di E4CoV. Diversi progetti sono stati attivati per smart-cities, come il progetto DARE, nell'intelligenza artificiale, deep e machine learning. Anche il Quantum Computing, per il quale da diversi anni è stato attivato un segmento di ricerca, ha esteso i contesti di sperimentazione nell’ambito industriale.

Procede l’impegno di Cineca nei centri di eccellenza, come MaX, nella scienza dei materiali, Bi-Rex, nel trasferimento tecnologico, Cheese, nel dominio della geofisica. Nel 2020 ha preso il via il centro di eccellenza "TREX - Targeting Real Chemical accuracy at the Exascale - European Centre of Excellence in materials modelling and design by stochastic simulation methods", Centro europeo di eccellenza nella modellazione e progettazione dei materiali mediante metodi di simulazione stocastica, finanziato nell'ambito del programma H2020-INFRAEDI-2019

Prace e l'ecosistema europeo della ricerca computazionale

Resta forte l'impegno di Cineca nel contesto della creazione di un ecosistema della ricerca computazionale in EU. nuovi progetti infrastrutturali hanno preso il via, e anche nel 2020 Cineca ha dato il suo contributo come hosting member PRACE (Partnership for Advanced Computing in Europe) fornendo più di 3.5 milioni di Node hours su Marconi100. Ciò ha permesso di allocare 20 progetti Tier-0 dalle call regolari, dare risorse per lo sviluppo a tutti i Center of Excellence che ne hanno fatto richiesta, e supportare la comunità scientifica europea nella lotta al coronavirus mediante l’approvazione di ulteriori 8 progetti allocati nell’ambito della call speciale COVID-19 indetta da PRACE. Nell’ambito del progetto SoHPC, CINECA ha ospitato in remote working 5 studenti che hanno lavorato a stretto contatto con dei ricercatori dell’Università di Bologna e dell’INAF, al fine di incrementare le proprie conoscenze nell’ambito dell’HPC, del machine learning (progetto UNIBO) e della fisica dei resti di Supernova (INAF).
Nonostante le forti limitazioni alla mobilità dovute all’emergenza COVID-19, il progetto europeo HPC-Europa3, di cui CINECA fa parte, ha supportato 17 visite di ricercatori internazionali in Italia che oltre alla collaborazione scientifica con diverse università hanno usufruito anche di più di 6 milioni di ore di calcolo sull’infrastruttura HPC di CINECA.

Supporto agli utenti e divulgazione

Nell'ambito delle attività di supporto agli utenti, l'assistenza è proseguita da remoto. Anche i consueti corsi e le scuole estive sono state organizzate a distanza, riuscendo a mantenere altissimo il gradimento dei partecipanti. Nel contesto delle attività di divulgazione, Cineca ha collaborato all'organizzazione della Notte Europea dei Ricercatori, sia a Bologna, sia a Roma.