Supercalcolatore HPC5. Un progetto tutto italiano, un supercomputer formato da unità di calcolo parallelo, per la ricerca nel settore dell’energia, ma non solo. Con la sua elevata potenza, permetterà di generare modelli tridimensionali del sottosuolo, utili nella ricerca dei giacimenti di combustibile fossile.

Situato all’interno del Green Data Center di ENI, il supercomputer HPC5 acronimo di High Performance Computing di 5° serie, è il supercalcolatore con una potenza di calcolo pari a 70 Petaflop al secondo, qualcosa come 70 milioni di miliardi di operazioni matematiche svolte in un secondo. Una potenza di calcolo sbalorditiva, quasi fantascientifica, tutta interamente a disposizione della multinazionale italiana che opera nel settore della ricerca e sviluppo energetica.

Supercalcolatore HPC5, caratteristiche tecniche con numeri da vero campione

Per ottenere una potenza di calcolo cosi elevata, ma allo stesso tempo affidabile, ENI ha realizzato HPC5 con la base di un cluster di calcolo.  Definito come un insieme di più computer collegati tra loro in parallelo, ognuno dei quali chiamati nodi, possono moltiplicare la loro potenza in termini di prestazioni complessive, distribuendo il carico di elaborazione e aumentando così la potenza.

Ogni volta che HPC5 deve risolvere un problema, l’algoritmo che ne descrive il suo funzionamento, divide il problema in singoli pezzetti. Ogni pezzetto, del problema iniziale, è risolto separatamente dei singoli computer che formano il cluster. Le singole soluzioni ottenute, sono in seguito ricombinate ottenendo la soluzione del problema iniziale. Con oltre 3.400 nodi di calcolo e 10.000 schede grafiche, HPC5 ha un hardware che garantisce una potenza di elaborazione tale da generare modelli, molto accurati, del sottosuolo con una superficie di centinaia di km² a una profondità pari a 10-15 Km. Con una rete di oltre 10 Km di cavi in fibra ottica ad altissime prestazioni, i singoli nodi che formano HPC5 sono tra loro connessi per lavorare simultaneamente.

Architettura Ibrida, per una maggiore potenza di calcolo

Per ottenere prestazioni così elevate, garantendo anche una buona efficienza energetica, l’architettura con la quale HPC5 è stato concepito deve essere in grado di sfruttare al massimo l’efficienza di ogni singolo nodo di calcolo.

Progettato con un’architettura ibrida, in grado di implementare la potenza di calcolo delle normali CPU (Central Processing Unit), con le più potenti GPU (Graphics Processing Unit) definite come unità di elaborazione grafica ottimizzate per il calcolo parallelo di grandi volumi di dati, l’hardware di HPC5 è in grado di gestire flussi di dati molto complessi.

Le GPU, progettate e adottate per permettere ai gamer di giocare con video game che necessitano elevate prestazione in termini di grafica, permettono al supercomputer di avere ottime capacità di calcolo a fronte di un’altrettanto elevata velocità di esecuzione dei processi necessari alla gestione dei dati. Essendo l’obiettivo principale di HPC5 quello di esaminare i dati attinenti alla conformazione del sottosuolo e definire dei modelli tridimensionali dettagliati, l’utilizzo di un’architettura ibrida, con CPU e GPU, permette al supercomputer di avere grande capacità per l’elaborazione dei dati per generare i modelli tridimensionali.

Elevata potenza per svariati campi d’applicazione 

HPC5 è un supercomputer molto versatile, anche se progettato con lo scopo di affiancare gli ingegneri di ENI negli studi per la ricerca e gestione di nuovi giacimenti petroliferi, il supercalcolatore è impiagato in svariati campi d’applicazione.

Esplorazione grafica del sottosuolo, alla scoperta di nuovi giacimenti

Con la domanda di energia a livello mondiale crescente, è fondamentale individuare nuovi giacimenti petroliferi in tempi ridotti. I geologi e geofisici di ENI possono contare sul prezioso, quanto accurato, aiuto offerto da HPC5. Grazie alla sua estrema velocità di calcolo, e un bassissimo margine di errore, il supercomputer di ENI è in grado di elaborare i dati geologici attinenti a un sito in esame per elaborare precisi modelli tridimensionali del sottosuolo, utili per l’individuazione di eventuali giacimenti.

Una volta raccolti i dati, il supercomputer elabora dei modelli tridimensionali del sottosuolo con una superficie di centinaia di Km² e una profondità che varia tra i 10 – 15 Km, con risoluzione di alcune decine di metri. Elaborati i dati, HPC5 fornisce un modello tridimensionale molto dettagliato e accurato, attinente alla conformazione geofisica del sottosuolo. Come una vera e propria mappa del sottosuolo, i geologi hanno a disposizione uno strumento fondamentale per individuare i giacimenti petroliferi nei siti esaminati.

Inoltre, il supercomputer è in grado di elaborare una mappa molto dettagliata della conformità del giacimento. In questo modo, gli Ingegneri possono avere a disposizione un modello tridimensionale relativo alla posizione e alla forma del giacimento, ottenendo innumerevoli vantaggi nella fase di perforazione del terreno.

Con l’ausilio di HPC5 nell’elaborazione dei dati raccolti nella fase di analisi del sottosuolo, ENI ha individuato Zohr; il più grande giacimento di gas naturale presente nel Mediterraneo. Tale scoperta ha permesso di rendere l’Egitto energeticamente autosufficiente per alcune decine di anni, ma allo stesso tempo, di confermare la leadership di ENI nel campo della ricerca e sviluppo energetica.

Fusione a confinamento magnetico, lavorare sull’energia del futuro

La fusione a confinamento magnetico gioca un ruolo fondamentale nel processo di de-carbonizzazione. Con l’aumento della temperatura media globale, rispetto al periodo pre-industrializzazione, la sfida del futuro è di generare grandi quantità di energia in grado di soddisfare le necessità di una società sempre più tecnologica e bisognosa di energia, senza alterare ulteriormente il delicato, quanto ormai compromesso, ecosistema globale. 

Con lo sviluppo della tecnologia a confinamento magnetico, attraverso la fusione di due nuclei d’isotopi d’Idrogeno, è possibile ottenere una quantità di energia enorme, paragonabile alla reazione fisica che alimenta il Sole e le altre stelle. Per innescare la reazione di fusione, l’Idrogeno è utilizzato sotto forma dei suoi due isotopi: Deuterio e Trizio. In entrambi gli atomi, dei due isotopi, è presente un protone e rispettivamente, uno e due neutroni.

Essendo gli atomi dei due isotopi entrambi carichi positivamente, tendono a respingersi elettrostaticamente. Il processo di fusione dei due atomi avviene soltanto a centinaia di milioni di gradi quando, un gas ionizzato ad altissima temperatura chiamato Plasma, permette di generare le condizioni per innescare agitazioni atomiche necessarie alla fusione dei due atomi. L’elevata temperatura alla quale il processo di fusione è innescato, rappresenta una sfida tecnica per gli ingegneri della comunità scientifica mondiale. Con nessun materiale in grado di resistere a temperature dell’ordine dei milioni di gradi, bisogna necessariamente confinare la reazione di fusione nel vuoto.

In un dispositivo toroidale chiamato Tokamak, a forma di ciambella, è immessa una miscela dei due isotopi dell’Idrogeno, il Deuterio e il Trizio. Due super-magneti, posti attorno alla struttura toroidale del TokamaK, generano un elevatissimo campo magnetico necessario per far muovere vorticosamente la miscela d’isotopi all’interno della camera toroidale. Le elevatissime temperature che si generano dal moto vorticoso, permettono di ottenere il Plasma confinato nel campo magnetico e di innescare il processo di fusione.

Molto sicura, poiché la reazione di fusione in caso di avaria nell’impianto si arresta se viene a mancare il campo magnetico attorno al Tokamak, e priva di qualsiasi scoria radioattiva prodotta durante la fusione, la tecnologia di fusione a confinamento magnetico rappresenta una valida risposta alla produzione di energia elettrica a zero emissioni inquinanti. 

Il supercalcolatore HPC5 di ENI, con la sua elevatissima capacità di calcolo, permette al centro di ricerca di ENI, a San Donato Milanese, di esaminare i modelli matematici che descrivono la Fisica del Plasma simulano il comportamento. Con il supporto di HPC5 nel centro di ricerca congiunto ENI-CNR di Gela, si studiano nuovi magneti superconduttori necessari per garantire la stabilità del campo magnetico necessario a generare il Plasma.

Fonti energetiche rinnovabili, HPC5 migliora l’efficienza. Le fonti energetiche rinnovabili permettono di generare energia elettrica, destinata a soddisfare il fabbisogno energetico di città o si singoli utenti, ma per fare questo è necessario mettere in campo risorse sia in termini economici sia di superficie per l’istallazione degli impianti. HPC5 permette di massimizzare, attraverso l’elaborazione dei dati raccolti, il rendimento dei grandi impianti fotovoltaici e idro-dinamici e allo stesso tempo, di progettare nuovi impianti con caratteristiche tecniche specifiche per massimizzare il loro rendimento energetico.

Nel settore fotovoltaico, il supercomputer permette di condurre importanti studi sulla modellazione teorica delle molecole e dei polimeri foto-attivi per realizzare pannelli fotovoltaici organici OPV nei quali, il Silicio è sostituito dai polimeri organici.  Con la possibilità di poter essere stampati su un supporto molto sottile e flessibile, i pannelli con tecnologia OPV si dimostrano particolarmente utili in tutti i contesti dove, l’estrema leggerezza e la flessibilità necessaria ad adattarsi a superfici irregolari, sono caratteristiche tecniche necessarie per l’operatività dell’impianto fotovoltaico. 

Con gli studi condotti al Centro Ricerche per le Energie Rinnovabili e l’Ambiente, in collaborazione con il Technical Research Center of Finland, il MIT, il CNR e il supporto informatico di HPC5, la tecnologia OPV da ricerca si sta trasformando in realtà. In val D’Agri, nell’ambito del progetto Energy Valley, è in fase di progettazione un impianto fotovoltaico per alimentare una serra per colture orticole e una centralina agro-meteorologica digitale.

Nel settore idro-dinamico, il supercomputer di ENI è utilizzato per condurre importanti, quanto innovativi, studi legati a modelli matematici avanzati che permettono di elaborare simultaneamente le informazioni meteo-marine, con quelle del comportamento delle tecnologie Marenergy come ISWEC e Power Buoy, con le quali si genera energia elettrica attraverso la conversione dell’energia cinetica dei moti ondosi marini.

Progetto EXSCALATE4CoV, HPC5 sfida il Covid-19.

Un nuovo virus, che presto si è trasformato in pandemia, ha messo a dura prova l’efficacia dei farmaci fino ad oggi conosciuti. Nelle fasi più critiche della pandemia da Covid-19, l’enorme capacità di calcolo di HPC5 si è dimostrata di fondamentale importanza per analizzare la dinamica molecolare delle proteine presenti sulla superficie del SARS-CoV-2.

All’interno del progetto europeo EXSCALATE4Cov, guidato dall’azienda biofarmaceutica italiana Dompé, il supercomputer HPC5 messo a disposizione da ENI, ha permesso di eseguire lo screening di 10.000 principi attivi dei componenti farmaceutici oggi noti, in modo da verificare quelli più efficaci per arginare la diffusione del virus. L’attività sperimentale, denominata Fast Track phase, è durata ininterrottamente per circa 60 ore. Sfruttando 1.500 nodi di calcolo e 6.000 GPU a elevate prestazioni di HPC5, la sperimentazione avviata la sera del 19 novembre 2020 si è terminata la mattina del 21 novembre 2020.

Dopo aver testato le interazioni di 71,6 miliardi di molecole su 15 “siti attivi” del virus, sono state ottenute preziose informazioni sulla dinamica molecolare utili a fronteggiare il virus. Un lavoro che senza il supporto tecnologico, in termini di capacità di calcolo offerto da HPC5, avrebbe assorbito anni di lavoro. Ancora una volta, in maniera inconfutabile, si dimostra come la scienza e la tecnologia sono fondamentali per migliorare le condizioni di vita e salvaguardare il genere umano.

Un super-raffreddamento per un supercomputer

L’HPC5 è il supercomputer per uso industriale non governativo più potente al mondo, ma tanta potenza di calcolo richiede necessariamente tanta energia elettrica per permettere al supercalcolatore di funzionare.

Con i suoi 3.400 nodi di calcolo e più di 10.000 GPU con elevatissime prestazioni, il calore che si genera durante il funzionamento di HPC5 è notevole. Per salvaguardare l’integrità della componentistica elettronica che costituisce il supercomputer, il calore deve essere asportato, tanto velocemente quanto efficacemente, dai locali del data-center nei quali è istallato il supercalcolatore.

Il sistema innovativo di raffreddamento, messo a punto dai tecnici ENI per asportare il calore generato dai circuiti di HPC5, prevede di massimizzare l’efficacia Termodinamica del flusso d’aria proveniente dall’esterno per asportare il calore nella sala Server del data-center.

L’aria, dall’ambiente esterno con temperatura più bassa, è convogliata all’interno dei locali in cui è alloggiato HPC5. Asportando il calore generato dal supercalcolatore, circolando dal basso verso l’alto, e sfruttando i naturali moti convettivi termodinamici, l’aria a temperatura più elevata è espulsa all’esterno del data-center.  Come risultato si ottiene una temperatura di funzionamento del supercomputer sempre ottimale, permettendo anche di ridurre la quantità di CO₂ immessa in atmosfera.

HPC5 tra presente e futuro

Inaugurato il 6 febbraio del 2020, si è subito dimostrato un fiore all’occhiello per la multinazionale italiana ENI. A giugno dello stesso anno, a soli quattro mesi dalla sua inaugurazione, HPC5 è stato classificato sesto nella classifica dei 500 supercomputer più potenti al mondo e primo nella classifica europea. A novembre dello stesso anno, si conferma ancora una volta come supercomputer industriale e non governativo più potente al mondo.

A oggi HPC5 detiene, incontrastato, il primato di supercomputer industriale più potente al mondo; potendo vantare anche il secondo posto nella classifica per efficienza energetica. Con un solo Watt di energia elettrica, necessaria per eseguire quasi 20 miliardi di operazioni al secondo, HPC5 è il risultato della dedizione e dell’innovazione della multinazionale italiana. Sono ormai lontani i giorni in cui i primi calcolatori, con modeste capacità di calcolo, rivoluzionavano interi processi industriali e quotidiani.

Da quei giorni, ormai lontani, molta strada è stata percorsa nel campo della tecnologia. Molte menti, con il loro genio, hanno reso possibile un progresso tecnologico fondamentale per raggiungere il livello di benessere oggi ottenuto. Per il futuro, HPC5 sarà destinato a subire un’evoluzione tecnologica che permetterà di affiancare al genio umano l’intelligenza artificiale per affrontare le sfide del domani.

Gianni Truini