Questo progetto settennale, sponsorizzato dal DOE Office of Science e dalla National Nuclear Security Administration, ha investito 1,8 miliardi di dollari nello sviluppo di applicazioni, nella tecnologia software e nella ricerca su hardware e integrazione condotta da oltre 1.000 persone in tutta la nazione, coinvolgendo i laboratori nazionali del DOE , università e operatori industriali. L’ECP si concentrava su quattro obiettivi: mantenere la leadership statunitense nel calcolo ad alte prestazioni (HPC), promuovere la salute del settore HPC statunitense, fornire un ecosistema software HPC sostenibile e creare applicazioni mission-critical.
La NASA ha bisogno dell’HPC su tutte le scale per supportare e far avanzare molte delle sue applicazioni. Ad esempio, una sfida per un atterraggio sicuro è dispiegare un paracadute a velocità ipersonica. Il paracadute sottile e flessibile oscilla e cambia forma mentre rallenta il veicolo di atterraggio. La maggior parte dei test di apertura del paracadute avvengono nelle gallerie del vento, ma i carichi più grandi richiedono paracadute che riempirebbero quasi la galleria del vento, lasciando poco spazio per il flusso d’aria.
“Una galleria del vento ovviamente non può essere utilizzata per questo tipo di test”, afferma Tsengdar Lee, responsabile del portfolio informatico di fascia alta presso la sede della NASA a Washington. “Quindi facciamo molti calcoli per progettare i paracadute.”
I complessi problemi legati all’atterraggio su Marte sono tra i tanti che i supercomputer della NASA affrontano da decenni. “Siamo scienziati e ingegneri”, afferma Lee. “Amiamo risolvere i problemi.” Gli ambiziosi obiettivi della NASA presentano molte sfide che possono essere superate con l’aiuto dei sistemi exascale.
Opportunità Exascale
Lee e i suoi colleghi sperano di ottenere parte di questo aiuto dal supercomputer Frontier del DOE. Ha debuttato all’Oak Ridge National Laboratory nel maggio 2022 come il primo computer exascale al mondo, eseguendo 1,19 quintilioni, un milione di trilioni, di calcoli al secondo. Ciò ha posizionato Frontier, che utilizza l’architettura HPE Cray EX235a dotata di unità di elaborazione grafica (GPU) AMD, al primo posto nella lista TOP500 come computer più veloce al mondo. Nell’aprile 2023, Frontier è diventato disponibile per tutti i team ECP.
Le simulazioni con supercomputer sono essenziali per un elenco sempre crescente di iniziative della NASA. Questi includono la riduzione del rumore degli aerei a reazione, il progresso dell’aviazione ecologica, la simulazione della stabilità aerodinamica della capsula che trasporterà un quadricottero sulla superficie della luna più grande di Saturno e il supporto alle indagini satellitari sui pianeti in orbita attorno ai sistemi stellari dello spazio profondo.
“Continueremo a lavorare per ampliare le nostre risorse”, afferma Piyush Mehrotra, ex capo della Divisione Advanced Supercomputing della NASA presso il Centro di ricerca Ames della NASA in California, recentemente in pensione.
Mehrotra era un membro dell’ECP Industry and Agency Council, un gruppo di consulenti tecnici, governativi e dell’industria di livello senior. Il gruppo funge da canale per lo scambio di informazioni ed esperienze tra la leadership dell’ECP, le principali organizzazioni industriali e le agenzie governative che lavorano insieme per promuovere la consapevolezza tecnologica e le capacità computazionali dell’ampia comunità HPC sulla strada verso l’esascala. Mehrotra ha concentrato il suo ruolo nel consiglio “sulla scoperta e sulla scienza per le missioni della NASA”, afferma. “Ecco dove sta la soddisfazione. Ecco dove sta il ritorno sull’investimento.”
Un periodo presso il Langley Research Center in Virginia come studente laureato all’inizio degli anni ’80 fornì la prima esperienza di Mehrotra con la NASA. “Ho visto tutte le cose che stavano succedendo e come l’informatica avrebbe potuto risolvere alcuni problemi”, dice.
A partire dal dottorato, la carriera di ricerca di Mehrotra si è concentrata sullo sfruttamento della potenza di macchine distribuite su larga scala relativamente nuove. È entrato alla NASA Ames nel 2000. “Da allora sono qui, cercando di garantire che gli scienziati e gli ingegneri della NASA ottengano l’ambiente informatico avanzato di cui hanno bisogno per raggiungere i diversi traguardi della missione”, spiega.
Artemis Lancio la visualizzazione della simulazione utilizzando il solutore cartesiano CFD LAVA. L’immagine mostra una fetta dei pennacchi di scarico colorati in base alla pressione (il rosso è alto, il blu è basso). La linea nera indica l’interfaccia scarico/aria del pennacchio al 90%. La vista è dal foro di scarico del lanciatore mobile, guardando direttamente il veicolo. CREDITO: Timothy Sandstrom, Michael Barad, NASA/Ames
La NASA Ames ospita i principali supercomputer dell’agenzia. “L’Ames Center è stato incaricato di fornire simulazioni di supercalcolo su larga scala per tutta la NASA”, afferma Mehrotra. Queste simulazioni comprendono progetti in tutte e cinque le direzioni della NASA: aeronautica, sistemi di esplorazione, scienza, operazioni spaziali e tecnologia spaziale.
La NASA Advanced Supercomputing Division (NAS) è stata fondata ad Ames a metà degli anni ’80. Il centro ospita Pleiades, uno dei principali supercomputer della NASA. Alcuni lettori potrebbero ricordare Pleiades dal suo cameo nel film “The Martian”, dove veniva utilizzato per capire la migliore traiettoria di volo per salvare il personaggio di Matt Damon.
La prima macchina del NAS era un Cray X-MP che funzionava con un’unità di elaborazione centrale (CPU). Pleiades ha goduto di numerosi aggiornamenti nel corso degli anni e funziona con 228.572 CPU. “La definizione di grande è cambiata nel corso degli anni”, afferma Mehrotra. “La prima macchina era 1/10 di quello che hai oggi sul tuo iPhone.”
Accelerare i codici climatici
La NASA ha una capacità operativa di supercalcolo di 45 petaflop (migliaia di trilioni di operazioni al secondo), principalmente ad Ames. La macchina Frontier del DOE ha una capacità nominale di oltre 1.000 petaflop. Quasi nessuno degli attuali codici della NASA può trarre vantaggio dai calcoli exascale. Di conseguenza, la NASA ha iniziato ad adattare i suoi codici per le architetture DOE exascale che sfruttano migliaia di GPU per prepararsi all’ulteriore sviluppo su sistemi trampolino di lancio.
E4S è fondamentale per semplificare le transizioni software
La NASA può utilizzare l’Extreme-scale Scientific Software Stack (E4S) open source di ECP per semplificare tali transizioni software. Lavorando con il codice sorgente sviluppato con vari prodotti HPC, tra cui molteplici librerie matematiche e modelli di programmazione, E4S crea codice che può essere eseguito praticamente su qualsiasi piattaforma HPC, comprese le architetture abilitate per GPU.
“Abbiamo molti codici che devono essere trasferiti a questa nuova architettura”, afferma Lee. Molte delle applicazioni legacy della NASA si basano su CPU altamente versatili. Tuttavia, le GPU più specializzate possono elaborare più dati più velocemente e in parallelo. In passato, quando la NASA eseguiva simulazioni su un sistema DOE, venivano utilizzate solo le CPU.
“Stiamo lavorando in modo aggressivo nella direzione della GPU”, afferma Lee. “Grazie a ECP, ora abbiamo diversi progetti in movimento.” Questi progetti prevedono la modernizzazione e il porting dei codici modello della NASA – come le simulazioni globali collegate oceano-atmosfera su scala chilometrica del Goddard Earth Observing System (GEOS) – su sistemi exascale.
Le capacità exascale sono cruciali anche per le simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD) della NASA che modellano le dinamiche meteorologiche e climatiche che coinvolgono i movimenti dell’acqua e dell’aria. Anche adesso, afferma Mehrotra, “più della metà dei nostri sistemi sono utilizzati per i CFD”.
La CFD si applica al GEOS e al modello di stima della circolazione e del clima dell’oceano, che genera alcune delle simulazioni più grandi e complesse eseguite sui supercomputer della NASA. L’elaborazione exascale accelererà questi progetti, così come l’inventario dei gas serra, il monitoraggio, l’osservazione e l’analisi dei dati di modellazione della NASA.
L’elaborazione delle numerose osservazioni satellitari dei gas in tracce e il monitoraggio di tutte le reazioni chimiche che si verificano nell’atmosfera richiedono una grande potenza di calcolo. “Possiamo farlo in un paio di mesi con le nostre capacità esistenti”, afferma Lee. “Ma farlo in tempo reale richiederà un calcolo exascale”.
La previsione climatica a lungo termine richiede un collegamento ad alta risoluzione tra modelli atmosferici e oceanici condito con la chimica. Gli inquinanti atmosferici interagiscono con la polvere atmosferica per formare nuvole e pioggia che interagiscono con la radiazione solare (verso il basso) e terrestre (verso l’alto). “È un processo di feedback molto complicato tra aerosol, nubi e radiazioni”, afferma Lee. “Questo è sicuramente un problema di exascale.”
Ritorno sulla Luna e oltre
Il team Launch Ascent and Vehicle Aerodynamics utilizza i supercomputer per prevedere numericamente l’effetto delle onde di sovrapressione di accensione che i massicci razzi produrranno al Kennedy Space Center. I lanci dello Space Shuttle hanno generato enormi nubi fluttuanti di vapore. Questi erano i sottoprodotti dell’iniezione di acqua nella trincea delle fiamme e nelle aperture di scarico per smorzare l’assalto dell’energia delle onde acustiche potenzialmente dannose.
Artemis Lancio la visualizzazione della simulazione utilizzando il solutore cartesiano CFD LAVA. L’immagine mostra una fetta dei pennacchi di scarico colorati in base alla pressione (il rosso è alto, il blu è basso). La linea nera indica l’interfaccia scarico/aria del pennacchio al 90%. La vista è dal foro di scarico del lanciatore mobile, guardando direttamente il veicolo.
CREDITO: Timothy Sandstrom, Michael Barad, NASA/Ames
Ma lo Space Launch System (SLS), progettato per riportare gli astronauti sulla Luna, lanciato dal Kennedy Space Center il 16 novembre 2022, era molto più grande dei razzi dell’era dello Space Shuttle. Il razzo più potente mai realizzato dalla NASA, l’SLS è alto 17 piani e sottopone la rampa di lancio a pressioni, temperature e onde acustiche vibrazionali incredibili mentre brucia circa sei tonnellate di propellente al secondo. Mehrotra dice: “Se vuoi simulare l’intera realtà , sono necessari sistemi informatici a livello exascale”.
Mentre i piani avanzano per la missione Artemis per riportare gli astronauti sulla Luna, le simulazioni sui supercomputer più potenti della NASA – Aitken ed Electra – aiutano anche a garantire la sicurezza dell’equipaggio in caso di interruzione del lancio. La navicella spaziale Orion è dotata di un motore di interruzione del lancio che può attivarsi in pochi millisecondi per portare rapidamente in salvo il suo equipaggio di quattro persone. Il motore di interruzione di Orion produce circa 400.000 libbre di spinta. Aitken ed Electra simulano il modo in cui le vibrazioni dei pennacchi del motore influenzerebbero la capsula dell’equipaggio in molti scenari.
Mehrotra e Lee sottolineano la necessità di continuare a far avanzare la tecnologia informatica exascale. “Non voglio che la gente pensi che abbiamo raggiunto l’exascale e che ora possiamo rilassarci; i nostri scienziati e ingegneri continuano a innovare e sorgeranno nuovi problemi”, sottolinea Lee. “Come nazione, dobbiamo rimanere all’avanguardia della tecnologia”.
La NASA ha continuamente ampliato le sue capacità di supercalcolo da quando ha schierato Pleiades nel 2008. L’agenzia ora mantiene sei supercomputer nel suo portafoglio. Questi includono Aitken, che nel 2022 ha eclissato il Pleiades, spesso aggiornato, diventando il supercomputer più potente della NASA. In connessione con DOE, la NASA continuerà a migliorare la sua capacità di affrontare problemi complessi che richiedono calcoli avanzati. “L’era dell’exascala è appena iniziata”, afferma Lee.
