Supercomputação: como muda um país

Sendo hoje uma tecnologia decisiva para o desenvolvimento da sociedade, a supercomputação pode revolucionar a vida das pessoas. Neste artigo mostramos o impacto da utilização de supercomputadores no desenvolvimento de um país, usando o exemplo do investimento do governo japonês no supercomputador K.

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O QUE MUDOU NO JAPÃO COM O SUPERCOMPUTADOR K

A Supercomputação no Japão teve uma importante evolução com o supercomputador K. Sendo totalmente construído no Japão, este supercomputador foi instalado no instituto RIKEN graças à iniciativa do ministério da Educação, Cultura, Desporto, Ciência e Tecnologia japonês (MEXT), a High Performance Computing Infrastructure Initiative. A sua configuração teve início no fim de Setembro de 2010 e o sistema ficou totalmente operacional em Setembro de 2012.

A instalação deste supercomputador foi feita a pensar em desafios-chave relacionados com áreas como a da energia e sustentabilidade, a saúde, as alterações climáticas, a astrofísica e o desenvolvimento da indústria. Está disponível para ser usado por investigadores e profissionais de todo o mundo, sendo atualmente utilizado tanto pelo meio académico como pelas grandes empresas, em projetos que abrangem múltiplas áreas do conhecimento.

O supercomputador K merece um destaque especial devido às contribuições fulcrais para a sociedade japonesa, em particular tendo em conta a natureza geológica e meteorológica da região. Os conhecidos terramotos, tornados e chuvas intensas que ocorrem nesta parte do globo causam inúmeras vítimas e danos. Apesar dos avanços modernos, o estudo das previsões meteorológicas sem recurso a ferramentas com capacidade para cálculos extremamente complexos, tornava a previsão deste tipo de fenómenos muito falível e incerta.

O investimento do governo japonês feito no supercomputador K permitiu que fossem levadas a cabo uma série de experiências, simulações e estudos que mudaram o panorama das previsões meteorológicas, não só no Japão, mas em todo o mundo. Por exemplo com o K, a Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC) e vários institutos das universidades de Tóquio e Tohoku, conseguiram calcular com sucesso o movimento das nuvens, não só no Japão, mas também a uma escala regional e global.

Tornou-se também possível prever com precisão o caminho de um tufão ou de uma tromba de água. Do mesmo modo, permitiu aprofundar o estudo de terramotos e tsunamis, o que ajudou a reduzir os danos resultantes destes eventos extremos. Espera-se que as investigações feitas neste âmbito estabeleçam a base para o mapeamento da atividade sísmica durante as próximas gerações da população Japonesa.

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Como exemplo concreto da importância desta ferramenta, o JAMSTEC divulgou uma experiência que foi feita para prever a ocorrência de tornados.

Para este estudo foram usados os dados do tornado que causou inúmeros danos no nordeste do Japão a 6 de Maio de 2014. A previsão dos ventos foi feita com a criação de uma técnica de assimilação de dados, computacionalmente muito complexa, baseada no Filtro de Kalman. Ao comparar os dados reais com os dados da previsão do seu desenvolvimento, obtiveram resultados muito satisfatórios: usando um modelo de resolução de 350m, foram detetados ventos com uma vorticidade igual a 0,1 (1/s) em três locais, medições que correspondem às observações reais. Também foi possível representar em alta resolução ventos fortes superiores a 50m/s.

Os resultados desta experiência mostraram que é possível uma melhor previsão dos locais exatos que vão sofrer grandes danos, permitindo às populações uma melhor organização e preparação para estes fenómenos.

Ainda de acordo com o JAMSTEC, foram também feitas experiências de previsão de chuvas intensas ocorridas a norte de Kyushu.

As chuvas em causa fizeram sérios danos ao longo das regiões de Kumamoto, Oita e Fukuoka. Perante uma comparação de imagens representativas das chuvas, as imagens construídas com base nas previsões mostram uma concordância com as imagens que representam a precipitação real. Foi estimada a precipitação máxima e/ou a probabilidade de precipitação superior a 50mm em 3 horas, com igual rigor.

Os resultados indicam que este tipo de fenómeno meteorológico pode ser previsto 12 a 24h antes da ocorrência, com uma elevada precisão. Estas previsões, conseguidas com várias horas de antecedência são extremamente úteis para a prevenção e mitigação de desastres, sendo tempo suficiente para preparar as pessoas, as habitações e os edifícios públicos. No entanto, este estudo reconhece que ainda há espaço para melhorias do modelo no futuro.

O K continua a ser fundamental para os avanços nas investigações mais recentes feitas no Japão: em Julho de 2014, o RIKEN anunciou a sua utilização na maior simulação meteorológica a nível global, com cerca de 10240 simulações em simultâneo.

Uma das principais conclusões deste estudo foi a descoberta de que as observações atmosféricas distantes (a mais de 10 mil quilómetros do local em causa) podem ter um impacto imediato sobre a condição das estimativas. Este facto realça a necessidade de descobrir métodos que permitam observações distantes mais eficazes, para uma melhoria geral das previsões meteorológicas.

 

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No campo das ciências da vida, o RIKEN colabora com a Universidade de Tóquio para a realização de vários estudos. Com recurso ao K, são feitas várias simulações para compreender e prever novos fenómenos, para apoiar o desenvolvimento de novos medicamentos e para conseguir tratamentos médicos completamente personalizados ao indivíduo. A investigação feita nesta área com recurso ao supercomputador permitiu expandir a análise de dados biológicos de grande escala com base na pesquisa do genoma, analisando o comportamento de macromoléculas biológicas dentro das células e também realizar a análise dinâmica das camadas que compõem células, órgãos e organismos.

O K também tem sido usado em investigação na área da astrofísica e no estudo da origem da matéria e do universo. O National Astronomical Observatory of Japan e a Universidade de Tsukuba usam este supercomputador para desvendar as origens e a estrutura complexa do universo, ao tentar recriar os acontecimentos posteriores ao Big Bang através de simulações numéricas e com recurso a equações fundamentais da física. Tem igualmente um importante papel no estudo das estrelas, da matéria interestelar e da chamada matéria negra.

Relativamente à investigação na indústria, com o uso do K, prevê-se que os estudos que são levados a cabo sejam a origem de inúmeras inovações (como novos materiais) e de uma compreensão profunda de funções já conhecidas para que possam ser aplicadas de forma inovadora em dispositivos eletrónicos. Assim, com recurso à Supercomputação, no futuro será possível termos dispositivos eletrónicos altamente funcionais e de grande desempenho que respeitam o ambiente.

Segundo o JAMSTEC, numa referência aos seus projetos de destaque, foi graças ao K que foi possível fazer uma simulação altamente precisa de um fluxo, o que permitiu compreender o efeito de vórtices em torno de um carro e a sua influência no seu conforto, manipulação e no ruído. O supercomputador K tornou possível simular os pequenos vórtices (menores que 1mm) compostos por água ou ar que circulam à volta do carro. Estas simulações possuem o mesmo nível de exatidão dos túneis de vento usados, sem ser necessário um enorme investimento em material de larga escala para as experiências. Terá também influência no processo produtivo de automóveis e barcos, ao reduzir significativamente o tempo de desenvolvimento dos mesmos.

 

ACERCA DO K

O supercomputador K foi o primeiro no mundo a passar a barreira dos 10 petaflops. Construído pela Fujitsu, este supercomputador distinguiu-se devido à combinação de tecnologias e à sua interconectividade, graças ao elevado número de CPU’s (mais de 80 mil), ao software que é capaz de aproveitar da melhor forma possível o desempenho do hardware e devido ao facto de ser um dos supercomputadores mais ecológicos do mundo, tendo sido colocado no 6º lugar do GREEN500.

Ainda hoje, o K é um dos supercomputadores mais rápidos do mundo, estando colocado em 4º lugar do ranking na última lista do TOP 500 (Novembro de 2014). Tendo em conta a sua elevada capacidade e a importância que ainda tem na investigação científica no Japão, o K deverá acompanhar os melhores supercomputadores do mundo nos próximos anos.

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Artigo patrocinado pela Fujitsu

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