Supercomputação em Lisboa

Em Lisboa, onde existem consideráveis recursos de supercomputação, também apelidada de High Performance Computing (HPC), descobrimos quais foram as razões que levaram entidades de referência a nível internacional, como o Grupo de Lasers e Plasmas, o Grupo de Gravitação (GRIT) e a Hovione a usar esta tecnologia.

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Para termos a perspetiva académica mas também empresarial, os investigadores Ricardo Fonseca, do Instituto Superior Técnico (IST) e ISCTE – Instituto Universitário de Lisboa (ISCTE-IUL), e Vítor Cardoso, do Instituto Superior Técnico (IST) e José Santos e João Ventura da Hovione, empresa portuguesa líder na área farmacêutica, explicam quais foram as mudanças e os efeitos que esta trouxe à sua atividade e qual é o balanço que fazem da sua utilização.

 

GRUPO DE LASERS E PLASMAS

Sendo maioritariamente direcionada para a investigação fundamental, a atividade do Grupo de Lasers e Plasmas (GoLP) do Instituto Superior Técnico, liderado pelo professor Luís Silva, dedica-se ao estudo da interação de lasers intensos com plasmas e áreas associadas, como a tecnologia laser e a física de plasmas. Um plasma define-se como um meio que está completamente ionizado, isto é, um material em que os eletrões já não estão presos aos núcleos dos átomos, o que representa um outro estado da matéria para lá de sólido, líquido e gasoso. No GoLP, os plasmas são estudados em diversos cenários, desde a astrofísica à interação com lasers intensos em laboratório, recorrendo em grande parte a simulação numérica de larga escala.


Os plasmas surgem naturalmente em situações de alta densidade de energia, ou seja, quando se consegue concentrar muita energia em volumes muito pequenos. Uma forma de atingir estas situações em laboratório é através da utilização de lasers de alta potência, que são focados em alvos sólidos ou gasosos, criando um plasma com que depois interagem. Acredita-se que esta interação entre lasers e plasmas possa servir de modelo para explicar vários fenómenos de astrofísica, como a aceleração de raios cósmicos. Para além desta vertente mais académica, no GoLP também se exploram as aplicações tecnológicas da interação entre os lasers e plasmas, que podem transformar áreas como a da saúde e a da energia.

O sol, sendo um dos melhores exemplos do que é um plasma no universo, é ainda inacessível ao ser humano para pesquisas em pormenor.

Em particular, esta interação pode ser utilizada para desenvolver aceleradores de partículas extremamente compactos, aproveitando as ondas que o laser deixa no plasma à sua passagem. Enquanto o CERN tem dezenas de quilómetros de tamanho, com lasers e plasmas a aceleração de partículas pode ser feita à escala do centímetro.

Na área da saúde, esta tecnologia está a ser investigada de modo a ser usada para o tratamento de tumores que não podem ser endereçados com as terapias convencionais. As partículas aceleradas podem também ser convertidas em raios X, permitindo obter imagens de alta precisão de vírus e moléculas, sem comprometer a sua integridade, o que significa um grande avanço na imagiologia médica e biológica. Apesar da redução em tamanho, a interação de lasers e plasmas já permite a produção de feixes de partículas comparáveis aos aceleradores convencionais, o que representa uma eficiência de várias ordens de grandeza superior. Ao ocupar um espaço mínimo, elimina-se uma das maiores limitações desta atividade: o tamanho dos aceleradores. Esta característica tornou esta tecnologia suficientemente apelativa para a indústria, que deverá tentar chegar à criação de protótipos num espaço de tempo relativamente curto.

Na área da energia, a interação laser plasma tem também aplicações na área da fusão nuclear controlada, através da implosão de pequenas esferas de combustível nuclear. Na verdade, Ricardo Fonseca, investigador do Grupo de Lasers e Plasmas entrevistado pelo SuperComputer.PT, acredita que é possível que, no espaço de algumas décadas, já exista uma central eléctrica à base de lasers e plasmas que “tem todas as vantagens da energia nuclear, mas sem as desvantagens”: consegue produzir quantidades abundantes de energia sem os problemas dos reatores de fissão convencionais no que diz respeito ao impacto ambiental e à emissão de lixo radioactivo.

O uso da supercomputação

Para o Grupo de Lasers e Plasmas, a supercomputação é “uma ferramenta absolutamente essencial na análise dos nossos problemas”, resume o investigador. Os fenómenos que são hoje estudados não são passíveis de ser reproduzidos com papel e caneta e, sobretudo na década de 90, quando houve uma “explosão” do uso da supercomputação, sendo atualmente reconhecida como um terceiro pilar da investigação científica, a par da teoria e da experimentação.

“Atualmente, não é habitual publicar artigos experimentais sem ter passado pela fase da simulação computacional para acompanhar a interpretação dos resultados experimentais e ajudar a confirmá-los”, acrescenta Ricardo. Isto acontece principalmente porque as experiências de interação laser plasma são extremamente complexas e, através do recurso à supercomputação, os modelos numéricos terem-se tornado bastante fidedignos. Isto resulta do facto de, apesar de não serem extremamente complexos, os modelos numéricos que são utilizados (equações relativamente simples e conhecidas há mais de um século) implicarem a simulação em simultâneo de vários milhões de partículas, o que não é possível fazer sem grandes recursos computacionais.

A nível da acessibilidade, Ricardo Fonseca afirma que “já atingimos um ponto na facilidade de utilização, não propriamente ao nível de abrir o browser e ver o e-mail, mas que permite ter alunos muito jovens já a utilizar o código e a fazer trabalhos de supercomputação”. Acrescenta ainda que esta evolução permitiu alargar a base de utilizadores e consequentemente, a ciência que é possível fazer.

A colaboração com o exterior, em especial com o mundo empresarial, é sempre bem-vinda. Nesse domínio, a “proficiência em supercomputação” já potenciou várias parcerias para o Grupo de Lasers e Plasmas, uma vez que é uma competência que tem sido cada vez mais valorizada pela indústria. No entanto, o investigador realça que é um campo que a nível académico ainda não foi muito explorado: “se formos ver os cursos de engenharia informática tradicionais, esta é uma temática que é muito pouco visada”.

Relativamente aos resultados, o uso da supercomputação mostra-se como estando inegavelmente correlacionado com o progresso que é atingido. Apesar de exigir investimento, a supercomputação permite, de uma forma geral, acelerar o processo de desenvolvimento com poupanças de custo consideráveis. Existem vários exemplos de empresas que já o reconhecem: “A Repsol, aqui há uns anos atrás, era um grande financiador do BSC-CNS e entretanto deixaram de ser financiadores porque ao fim do trabalho de 3 ou 4 anos, eles decidiram comprar um supercomputador igual ao da Universidade porque perceberam que ao fim de 1 ano recuperavam o investimento”.

O BSC-CNS (Barcelona Supercomputing Center) é o Centro Nacional de Supercomputação espanhol, fundado em 2005. Nele está instalado o MareNostrum, um dos melhores supercomputadores na Europa, que tem um papel na investigação em áreas como Ciências Computacionais, Ciências da Vida, Ciências Naturais e Computação aplicada à Ciência e Engenharia.

No caso do GoLP, a situação é muito clara: “não é só uma situação de poupança: nós sem a supercomputação não podíamos trabalhar”. Apesar de terem acesso a recursos computacionais externos, o facto de terem os próprios recursos de supercomputação permite-lhes perceber e adequar as necessidades computacionais às pesquisas efetuadas. A máquina atualmente em uso pelo Grupo de Lasers e Plasmas permite fazer uma poupança em tempo gasto em máquinas maiores e reservar o tempo nessas máquinas para correr simulações muito grandes. “As simulações muito grandes são muito caras, estamos a falar em gastar milhões de horas de CPU e portanto nós vamos tentar fazê-las só quando tivermos a certeza daquilo que queremos fazer. Isso significa bastante trabalho exploratório e o facto de termos recursos próprios de Supercomputação permite-nos uma maior flexibilidade”.

A simulação numérica permite também aos investigadores fazer o dimensionamento das experiências de uma forma muito mais eficiente e mais rápida: “temos uma ideia clara de quais são os resultados possíveis de obter para determinadas condições experimentais, e nesse sentido, temos aí uma grande poupança porque permite-nos reduzir bastante todo o espaço de parâmetros que temos que cobrir na experiência”.

Em Portugal, a aposta na supercomputação ainda não é muito notória quando comparada com outros países mas, segundo Ricardo Fonseca, há certos fatores que jogam a favor da indústria e do mundo académico: “qualquer empresa com um projeto devidamente fundamentado pode ter acesso à supercomputação, seja através de financiamento competitivo, por exemplo através de projetos como o PRACE, ou até mesmo recorrendo a cloud computing, para ter acesso a recursos de supercomputação. Há aqui sem dúvida uma grande oportunidade para ser explorada”.

 

HOVIONE

José Santos e João Ventura trabalham na Hovione, uma empresa portuguesa cuja principal atividade é a produção de API’s (Active Pharmaceutical Ingredients), ou seja, medicamentos inovadores e genéricos, sob contrato para a grande indústria farmacêutica. Para além disso, a Hovione também se dedica ao desenvolvimento de dispositivos médicos de pequenas dimensões, tais como os inaladores. Desta forma, é concebida a partícula farmacêutica em si e o dispositivo onde esta é integrada: produzem o pacote completo, que é entregue ao utilizador final.

A Hovione fez a primeira utilização de HPC em 2011. A utilização e o interesse no uso da supercomputação adveio da aposta em recursos humanos com um forte background em CFD (Computational Fluid Dynamics) e supercomputação, proveniente da sua formação académica, como é o caso de José Santos e João Ventura, que hoje trabalham com esta ferramenta juntamente com uma equipa de 6 pessoas na Hovione.

A necessidade do uso de supercomputação surgiu da necessidade de melhorar o processo de design dos equipamentos. A tecnologia CFD permite simular tudo o que está inerente ao escoamento de fluidos, de forma numérica, o que ajudaria por um lado na investigação de problemas ligados à produção rotineira da Hovione nos equipamentos de grande escala, como é o caso de reactores agitados utilizados em processos de síntese química; por outro no caso dos inaladores, sendo dispositivos médicos que propulsionam o medicamento, era necessário perceber como era possível resolver a acumulação de pó nas paredes do dispositivo, para que o inalador consiga libertar a dose correta convenientemente.

A solução encontrada inicialmente foi recorrer à tecnologia CFD a partir de um prestador de serviços. O reconhecimento da supercomputação como algo fundamental para a atividade da empresa foi imediato, tendo em conta os benefícios identificados em diferentes áreas de actividade da empresa. Numa fase concetual do design dos dispositivos médicos, a supercomputação permite compreender qual é a performance esperada e fazer ciclos iterativos de otimização do desenho, sem ser necessário tomar uma decisão de construção de protótipos (e sem o investimento inerente aos mesmos) como suporte ao desenvolvimento do produto. Em cada experiencia que é usada CFD, é notada uma grande redução do risco: é possível garantir mais rapidamente a qualidade dos dispositivos antes de saírem da Hovione e reduzir consideravelmente o tempo total de produção, ao chegar mais rapidamente ao desenho ótimo.

“O tempo que gastamos é inversamente proporcional ao número de processadores que temos”

O time-to-market que é exigido na indústria farmacêutica, tanto nos dispositivos médicos como na produção em escala industrial, é decisivo para o sucesso de uma empresa. O facto de se chegar ao mercado primeiro que a concorrência faz a diferença no que diz respeito à competitividade e eficácia. A supercomputação é fundamental para uma empresa conseguir ter tudo pronto quando o cliente o exige, porque permite poupar muito tempo. “O tempo que gastamos é inversamente proporcional ao número de processadores que temos”, afirma José Santos, o que, segundo ele, torna muito claro o benefício deste tipo de investimento.

A supercomputação significa também uma enorme poupança ao nível de outros recursos: a quantidade de substâncias ativas fornecidas pelos clientes que é usada é significativamente menor, porque a supercomputação permite reduzir o número de testes laboratoriais que seriam necessários. Isto representa uma grande quantidade de composto químico, tempo e dinheiro que já não é necessário usar.

Aposta no próprio supercomputador

Desde há 3 ou 4 anos atrás, a Hovione decidiu fazer o próprio investimento em supercomputação, cuja capacidade de processamento será duplicada num futuro próximo.

Esta aposta é o reflexo de uma mudança na abordagem da empresa relativamente ao trabalho que é desenvolvido: “Passamos de uma perspetiva que dependia de um serviço para uma que internaliza o conhecimento”. Os principais motivos que levaram a esta nova atitude prendem-se com o crescimento da área de I&D, que por si só motivou uma maior aposta em massa crítica e recursos tecnológicos internos, e com a necessidade de preservar a propriedade intelectual da investigação desenvolvida. No caso específico do desenvolvimento de dispositivos médicos, parte significativa desse negócio prende-se com a propriedades intelectual que poderá ser gerada no processo de conceção. Neste caso, a prestação de serviços de CFD potenciava o risco de falhas de confidencialidade. Ao concentrar todas as atividades internamente, este risco é significativamente reduzido.

A aposta interna na supercomputação implica o recrutamento de profissionais que dominem a tecnologia. Segundo José Santos, o domínio da supercomputação aliado ao conhecimento de áreas como a engenharia química, por exemplo, é muito difícil de encontrar em Portugal, principalmente à saída do curso. Mesmo relativamente a outras áreas, como a engenharia mecânica, onde é mais comum encontrar alunos com conhecimento base de supercomputação, geralmente é necessário continuar a formação em HPC, que acaba por ser desenvolvida a nível do doutoramento.

Apesar de, no que diz respeito à contratação de profissionais, a supercomputação ser um elemento comum entre a Hovione e o meio académico, no que diz respeito a parcerias e colaborações existem alguns desafios provenientes de pontos de vista diferentes. As parcerias com as universidades no que diz respeito à investigação com supercomputadores (nomeadamente, relativas à partilha de recursos computacionais) podem implicar várias condicionantes de parte a parte: por um lado, do lado da empresa, valoriza-se o cumprimento de prazos apertados e objectivos alinhados com a visão do negócio, bem como o acautelamento de questões de confidencialidades; por outro, do lado da academia, dá-se tipicamente mais relevância à produção de material científico e ao cumprimento dos planos de investigação elaborados por exemplo para fins de doutoramentos ou projectos europeus. Será portanto no balanço entre os dois mundos que se poderá tirar partido das sinergias existentes.

 

GRIT

Vítor Cardoso é um investigador do Instituto Superior Técnico. Lidera o Grupo de Gravitação, uma equipa cuja atividade se centra na astrofísica relativista, área que estuda estrelas muito compactas como estrelas de neutrões ou buracos negros. Estes últimos são uma grande parte da investigação feita pela equipa de Vítor, juntamente com o estudo das equações de Einstein, no seu regime mais “violento”, dinâmico e menos explorado. Tentam obter respostas relativamente à forma como dois buracos negros ou duas estrelas de neutrões colidem, por exemplo, enquanto tentam compreender em que é que a física de buracos negros pode ser útil para o estudo do universo, em particular para a compreensão da chamada matéria escura (dark matter).

Estas questões tentam ir ao encontro do Princípio da Equivalência da Teoria da Relatividade de Einstein, que considera que devido à gravidade, tudo cai da mesma forma. Assim, a matéria escura, mesmo que ainda seja algo que não conseguimos perceber bem o que é, sabemos que é algo que certamente irá cair. É essa a razão pela qual é feito o estudo dos buracos negros: uma vez que é um dos sítios onde esta cai mais rapidamente, também é um dos sítios onde provavelmente os investigadores poderão detetar sinais que provem a sua existência.

A Teoria Geral da Relatividade de Einstein, que faz 100 anos este ano, contém certos aspetos que ainda não foram testados e comprovados.

Vítor Cardoso é muitas vezes questionado relativamente aos efeitos e benefícios deste tipo de investigação. Sendo ligado à ciência fundamental, estes só são visíveis passado décadas, não tem um efeito prático ou melhoria imediata na sociedade e muitas vezes acabam por ter um impacto indireto. Apesar dos efeitos surgirem apenas a longo prazo (o que pode ser um fator desencorajador para o investimento na investigação fundamental), a ligação entre conhecimento e progresso é inegável.

O facto de percebermos como funciona o mundo e tudo o que nos rodeia é o que nos permite fazer descobertas e perceber aplicações para as mais diversas áreas que, por sua vez, mudam a sociedade. Quando há alguns séculos atrás o Homem começou a estudar a origem e a constituição do Sol, todos estavam longe de imaginar que nos dias de hoje o Sol fosse usado como uma fonte de energia.

“Portugal, nos seus tempos áureos, apostava muito no conhecimento: relativamente às ciências do mar, na navegação, na cartografia… hoje a Alemanha e os E.U.A., por exemplo, são países extremamente avançados e são também aqueles que mais apostam na ciência e na procura do conhecimento”, afirma Vítor Cardoso.

Para todos aqueles que fazem parte da chamada comunidade científica, Vítor Cardoso considera que este tipo de investigação é realmente fundamental para o seu trabalho, uma vez que ficam mais perto de conseguir respostas decisivas. Principalmente tendo em conta que, hoje em dia, o ritmo de descoberta é cada vez mais rápido e acaba por ser mesmo um factor chave para o desenvolvimento da ciência, quer a fundamental, quer a aplicada.

“Com a supercomputação, os métodos de investigação utilizados e os processos mudaram radicalmente”

A supercomputação tornou-se necessária para este tipo de investigação porque tinha sido atingido o limite do que pode ser feito com papel e caneta ou com programas computacionais tradicionais. O “salto” dado para a utilização da supercomputação por parte da equipa de Vítor foi por volta do ano de 2005, quando obtiveram sucesso ao inserir as equações de Einstein pela primeira vez num computador e conseguirem evolui-las “de uma forma razoável”.

No que diz respeito à atividade do grupo de Gravitação, só a partir desse ano é que a investigação originou resultados interessantes, que por sua vez originaram grandes avanços, esperados há muitos anos pelos investigadores: por exemplo, o uso dos resultados numéricos obtidos permite que os cientistas hoje conheçam a colisão de buracos negros, a emissão de ondas gravitacionais e colapsos gravitacionais de matéria, conhecimento que beneficia muitas outras áreas para além da astrofísica.

 


A título de exemplo, Vítor Cardoso explica que a teoria de Einstein que prevê a existência de ondas gravitacionais, que até agora nunca foram medidas. Acredita-se que estas ondas são tão fracas, que para os telescópios instalados as conseguirem detetar, é necessário ter um conhecimento muito aprofundado das mesmas. A única hipótese de as conhecer é resolvendo as equações de Einstein, o que é apenas possível com supercomputadores. Apesar de “discretas”, segundo o investigador, estas ondas gravitacionais quando são provocadas por uma colisão extremamente violenta, podem significar cerca de 15% da energia total de todo o sistema em causa, representando um processo de emissão de energia muito mais eficiente que qualquer processo de fusão nuclear (ao tomarmos o exemplo de uma fusão de 4 átomos de hidrogénio num de Hélio-4, de uma reação nuclear, a eficiência desta quanto à libertação de energia é de cerca 0,7%). Para além de ter transformado a área da astrofísica relativamente aos processos e resultados na investigação, a supercomputação levou à transformação de outros fatores no domínio puramente científico.

Segundo Vítor Cardoso, uma dessas mudanças prende-se com a política de contratação dos grandes centros de investigação na área da física teórica (como Princeton, MIT e Cambridge, por exemplo), que agora procuram relativistas numéricos, ou seja, peritos que usam supercomputadores para fazer cálculos em relatividade, para integrar as suas equipas. Isto criou uma grande comunidade de alunos que querem e estão a ser formados nesta área, o que se reflete na maior procura de supercomputadores em quase todos os grupos europeus.

“A supercomputação tem como vantagem o facto de ser “um investimento que tem um retorno garantido”

No caso do Gravitão, o facto de terem um supercomputador permitiu uma maior independência, uma vez que já não têm de competir com projetos de todo o mundo para usufruírem de horas de CPU, o que se torna numa grande vantagem técnica. Na verdade, o facto de terem o seu próprio supercomputador levou a um maior interesse por parte de várias entidades em utilizar esses recursos, o que levou à criação de várias colaborações com universidades de todo o mundo (como por exemplo Cambridge, Tóquio, de Paris ou de Quioto). Estas colaborações dão muita visibilidade, reconhecimento e prestígio aos projetos, o que potencia mais parcerias com o setor industrial e empresas, não só a nível internacional mas também a nível nacional. Estes setores procuram cada vez mais profissionais que saibam trabalhar com supercomputadores, o que traz novas oportunidades para os investigadores e uma maior aproximação entre os dois mundos.

Desta forma, a supercomputação traz um benefício inesperado ao atrair e juntar entidades das mais diversas áreas e até mesmo outras universidades, potenciando a troca de ideias e entre investigadores. Segundo Vítor Cardoso, acaba por ser uma lufada de ar fresco, pois o uso de supercomputadores leva ao envolvimento de pessoas da área da programação nas investigações que são levadas a cabo, por exemplo, o que permite outras visões das questões e dos problemas.

Na opinião de Vítor Cardoso, a comunidade de supercomputação tem também um papel fulcral na ligação entre a academia e a indústria: considera que esta está bastante unida e está a permitir que tanto as empresas e universidades usufruam de milhares de horas de CPU, o que traz um duplo benefício: tanto para quem a utiliza, como para a própria supercomputação, visto que a interação de pessoas de várias áreas funciona como um motor para a evolução da própria tecnologia.

 

Artigo desenvolvido em colaboração com:

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João Ventura Fernandes

Doutorado em Engenharia de Concepção e Produção, com experiência na utilização de supercomputação nas áreas de CFD (Computacional Fluid Dynamics) e FEA (Finite Element Analysis) aplicados na utilização de simulação multifísica durante a concepção e desenvolvimento de novos produtos.
Responsável actualmente na Hovione pela concepção, desenvolvimento e industrialização de novos dispositivos médicos.

 

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José Luís Santos

Doutorado em Engenharia Química, com experiência na utilização de supercomputação na área de CFD (Computational Fluid Dynamics) aplicado a escoamentos com transferência de massa e calor em equipamentos de processo. Lidera actualmente uma equipa na Hovione com responsabilidades sobre a gestão de conhecimento na empresa, e o desenvolvimento de ferramentas de modelação matemática e de análise de dados.

 

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Luís Silva

Licenciado em Engenharia Física Tecnológica no Instituto Superior Técnico (IST) em 1992, fez o doutoramento em Física em 1997, também no IST. Foi professor assistente de Física no Departamento de Física do IST de 1997 a 2005 e em 2005 tornou-se professor associado no mesmo departamento. Desde 2006 que é o coordenador científico do GoLP (Grupo de Lasers e Plasmas).

 

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Ricardo Fonseca

Licenciou-se em Eng.ª Física Tecnológica no Instituto Superior Técnico em 1996, e ingressou no Grupo de Lasers e Plasmas do Instituto de Plasmas e Fusão Nuclear. Em 2002 obteve o seu doutoramento em Física pela Universidade Técnica de Lisboa, no tópico de aceleração de electrões por interacção laser-plasma. Em Novembro de 2003 é contratado pelo ISCTE – Instituto Universitário de Lisboa, onde actualmente desempenha as funções de Prof. Associado com Agregação e em Setembro de 2013 assumiu a direcção da ISTA – Escola de Tecnologias e Arquitectura do ISCTE-IUL.

 

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Vítor Cardoso

Vítor Cardoso é professor de Física no Instituto Superior Técnico, onde é líder do Grupo de Gravitação (GRIT). É também Visiting Fellow no Perimeter Institute e Outstanding Visiting Researcher na Universidade de Roma. Publicou um livro e mais de 150 artigos científicos, e o seu trabalho cientifico foi distinguido por duas vezes pelo European Research Council. Foi recentemente distinguido pelo Presidente da República com a Ordem de Sant’Iago da Espada, pela sua contribuição para o avanço do conhecimento científico em Portugal.