Un miliard de euro pentru crearea unei infrastructuri de supercalculatoare europene de talie mondiala Uniunea Europeana, noi pasi pentru consolidarea capacitatii concurentiale in era digitala

Comisia Europeană (CE) a prezentat recent o serie de măsuri care au drept scop construirea unei infrastructuri de supercalculatoare europene de talie mondială. Iniţiativa prevede investiţii din partea UE şi a statelor membre. Indiferent de domeniul în care lucrează, inginerii de toate specializările cunosc bine, din proprie experienţă, măsura în care este nevoie de supercalculatoare pentru a procesa un volum din ce în ce mai mare de date. În acelaşi timp, acestea aduc beneficii pentru societate în multe domenii, de la asistenţă medicală şi energie din surse regenerabile la siguranţă auto şi securitate cibernetică.

Iniţiativa CE este esenţială pentru competitivitatea şi independenţa UE în domeniul economiei datelor. În prezent, în Uniunea Europeană se poate constata că, din ce în ce mai mult, oamenii de ştiinţă şi industria îşi procesează datele în afara Uniunii, pentru că, la nivel european, nu dispun de capacitatea necesară de prelucrare a datelor. „Această lipsă de independență reprezintă o amenințare pentru viața privată, protecția datelor, secretul comercial și proprietatea asupra datelor, în special în cazul aplicațiilor sensibile", subliniază CE, într-un comunicat.

Întreprinderea comună EuroHPC, o nouă structură juridică și de finanțare, va crea o infrastructură pentru calculul de înaltă performanță (High-Performance Computing - HPC), pe care o va exploata pe plan european. De asemenea, EuroHPC va sprijini un program de cercetare și inovare pentru dezvoltarea de tehnologii și de mașini (hardware) și aplicații (software) care ar putea fi instalate pe aceste supercalculatoare. Contribuția UE la EuroHPC va fi de aproximativ 486 de milioane de euro în baza actualului cadru financiar multianual, statele membre și țările asociate alocând și ele o sumă similară. În total, până în 2020 urmează să fie investită o sumă de aproximativ 1 miliard de euro din fonduri publice, iar membrii privați ai inițiativei vor furniza contribuții în natură.

„Supercalculatoarele sunt motorul economiei digitale. Concurența este strânsă, iar UE a rămas în urmă: nu avem niciun supercalculator în topul primilor 10 plasați pe plan mondial. Prin lansarea inițiativei EuroHPC, dorim ca, până în 2020, să le oferim cercetătorilor și companiilor din Europa o infrastructură de talie internațională în materie de supercalculatoare, pentru a le permite să dezvolte tehnologii cum ar fi inteligența artificială și să elaboreze aplicații de viitor de mare uz în domenii precum sănătatea, securitatea sau ingineria", a declarat Andrus Ansip, vicepreședinte al Comisiei Europene, responsabil pentru piața unică digitală.

Ciclurile de proiectare și producție, reduse semnificativ prin utilizarea calculului de înaltă performanță

Tehnica de calcul de înaltă performanță este un instrument esențial pentru a înțelege și răspunde la marile provocări societale și științifice, cum ar fi depistarea precoce și tratamentul bolilor sau dezvoltarea unor noi terapii bazate pe medicina personalizată și de precizie. HPC este utilizat, de asemenea, pentru prevenirea și gestionarea catastrofelor naturale de mare amploare, în special pentru previzionarea traseelor uraganelor sau simulări de cutremur.

Infrastructura EuroHPC va facilita accesul industriei europene, în special al întreprinderilor mici și mijlocii (IMM-uri) la supercalculatoare pentru a dezvolta produse inovatoare. Utilizarea calculului de înaltă performanță are un impact din ce în ce mai mare asupra industriilor și întreprinderilor, reducând semnificativ ciclurile de proiectare și producție, accelerând conceperea de noi materiale, limitând costurile, sporind eficiența utilizării resurselor și optimizând și reducând durata proceselor de decizie. De exemplu, datorită supercalculatoarelor, ciclurile de producție în industria auto pot fi reduse de la 60 la 24 de luni.

Tehnica de calcul de înaltă performanță este, de asemenea, esențială pentru sistemele naționale de securitate și apărare, de exemplu în elaborarea de tehnologii complexe de criptare, trasare și combatere a atacurilor cibernetice, în procedurile de investigare criminalistică sau în simulările nucleare.

Infrastructuri de cercetare și inovare relevante

Inițiativa va reuni investiții pentru a crea în Europa supercalculatoare de înaltă performanță și o infrastructură pentru volume mari de date. Întreprinderea comună EuroHPC își propune să achiziționeze sisteme cu performanță „pre-exascale" (o sută de milioane de miliarde (10¹⁷) de operațiuni pe secundă) și să sprijine dezvoltarea de sisteme exascale (un miliard de miliarde (10¹⁸) de operațiuni pe secundă) bazate pe tehnologia UE, până în 2022 - 2023.

Activitățile acestei întreprinderi comune vor consta în:

▪ Achiziționarea și exploatarea a două mașini de calcul intensiv de talie mondială pre-exascale (capabile să efectueze circa 10¹⁶ operațiuni pe secundă) și furnizarea și gestionarea accesului la aceste supercalculatoare pentru o gamă largă de utilizatori publici și privați, începând din 2020;

▪ Un program de cercetare și inovare cu privire la HPC: pentru a sprijini dezvoltarea tehnologiei europene de supercalcul, inclusiv a primei generații de microprocesoare europene cu consum redus și conceperea de aparate europene de exascale, precum și promovarea de aplicații, dezvoltarea de competențe și o utilizare mai largă a tehnicilor de calcul de înaltă performanță.

Gamă largă de probleme de ordin științific, industrial și social pe care le poate aborda HPC

Calculul de înaltă performanță (HPC) este o ramură a informaticii care execută sarcini științifice și de inginerie, necesitând atât de multe resurse încât calculele nu pot fi efectuate cu ajutorul calculatoarelor de uz general. Computerele utilizate în HPC sunt numite frecvent supercalculatoare. Nivelul următor al calculului de înaltă performanță îl constituie scara exa (adică cel puțin 10¹⁸ sau 1 miliard de miliarde de calcule pe secundă), la care ar trebui să se treacă în jurul anilor 2021 - 2022.

Dat fiind caracterul său interdisciplinar și capacitatea de a prelucra cantități mari de date și de a efectua calcule complexe, HPC este esențial pentru a aborda o gamă largă de probleme de ordin științific, industrial și social.

♦ Științele Pământului și clima

Simulări ale schimbărilor climatice în rezoluții din ce în ce mai înalte

HPC stă la baza studiilor și a previziunilor climatice deoarece permite realizarea unor prognoze meteorologice mai precise și în timp real, prevederea și gestionarea catastrofelor naturale de mare amploare (cum ar fi uraganele devastatoare) și studierea comportamentului oceanelor. Între anii 1970 și 2012, condițiile meteorologice aspre au cauzat pierderea a 149.959 de vieți omenești, precum și pagube economice în valoare de 270 de miliarde euro în Europa. Prognozele meteorologice depind în mare măsură de simularea numerică pe supercalculatoare. Cu cât acestea sunt mai puternice, cu atât pot climatologii să prevadă mai precis și mai din timp forța și traiectoria furtunilor și a inundațiilor și să ajute la luarea unor decizii precum declanșarea, la timp, a sistemelor de avertizare rapidă pentru evacuarea populației și salvarea de vieți omenești.

Astfel, tehnologiile HPC oferă și o simulare a schimbărilor climatice în rezoluție din ce în ce mai înaltă (putându-se astfel studia, de exemplu, comportamentul oceanelor) și o monitorizare mai precisă a evoluției resurselor terestre. De asemenea, HPC îmbunătățește cunoștințele cu privire la procesele geofizice și la structura interioară a Pământului, permițându-ne să înțelegem mai bine dezastrele naturale, cum ar fi cutremurele. Pentru a realiza hărți de risc seismic, seismologii utilizează datele privind mișcările solului înregistrate de cele peste 10 000 de seismometre instalate în lume. Un asemenea volum imens de date nu poate fi însă prelucrat decât cu ajutorul puternicelor infrastructuri HPC.

♦ Surse de energie sigure, ecologice și eficiente

Înlocuirea centralelor nucleare cu o sursă de energie mai sigură, mai ecologică și practic inepuizabilă

HPC este un instrument esențial pentru proiectarea parcurilor de energie din surse regenerabile sau a materialelor fotovoltaice de înaltă performanță, pentru testarea unor forme noi și mai eficiente de materiale pentru panourile solare, dar și pentru optimizarea turbinelor utilizate la producerea energiei electrice. De exemplu, viabilitatea comercială a parcurilor eoliene poate fi prevăzută în funcție de exactitatea cu care sunt evaluate resursele eoliene, de designul parcurilor și de simularea vânturilor pe termen scurt la scară mică, toate acestea permițând anticiparea producției zilnice de energie. Pentru sectorul producției de energie eoliană, HPC constituie un instrument esențial, în special în cazul siturilor unde terenul prezintă caracteristici complexe.

Datorită energiei de fuziune, centralele nucleare actuale ar putea fi înlocuite cu o sursă de energie mai sigură, mai ecologică și practic inepuizabilă. Actualele reactoare experimentale de fuziune utilizează HPC pentru a simula și ține sub control comportamentul plasmei de fuziune, inclusiv instabilitatea, transportul turbulent, interacțiunea dintre aceasta și pereții reactorului și încălzirea.

♦ Sănătate, schimbări demografice și bunăstare

Repoziționarea medicamentelor existente pentru noi patologii

HPC reprezintă un motor care impulsionează dezvoltarea unor noi forme de medicină. Medicina personalizată și de precizie se bazează în mare măsură pe HPC pentru a prelucra informații despre genele, proteinele și mediul pacienților, ceea ce permite prevenirea, diagnosticarea și tratarea bolilor. De exemplu, fiecare tip de cancer își are propriile caracteristici genetice, care conferă fiecărei celule și fiecărui țesut tumoral un caracter unic, cu tendințe și vulnerabilități specifice. Medicina personalizată și de precizie va orienta pacienții către tratamentul adecvat, răspunzând, în egală măsură, nevoilor specifice ale acestora.

Depistarea timpurie a bolilor rare este o altă problemă pe care HPC o poate aborda într-un mod mai eficient. Mulțumită tehnologiilor HPC, diagnosticarea și analizele care durează astăzi câteva săptămâni ar putea fi efectuate în câteva zile.

HPC permite, de asemenea, o analiză mai rapidă și mai eficientă a secvențelor genomice. Aproximativ 4100 de boli genetice îi afectează astăzi pe oameni și constituie una dintre principalele cauze ale mortalității infantile.

În cercetarea biomoleculară, HPC este utilizat și pentru a studia dinamica biomoleculelor și a proteinelor din celulele umane, ceea ce este de o importanță crucială pentru a trata mai eficient bolile autoimune, dar și cancerul și diabetul. În cercetarea creierului, de exemplu în cadrul proiectului FET „Creierul uman", HPC este utilizat pentru simularea și modelarea la mai multe scări și la o înaltă rezoluție a creierului uman, pentru a înțelege modul său de organizare și funcționare.

Nu în ultimul rând, HPC stă la baza dezvoltării de noi medicamente. Realizarea unui nou medicament durează între 10 și 17 ani. Costurile aferente sunt în creștere și, prin urmare, din ce în ce mai inaccesibile atât pentru companii, cât și pentru pacienți. Recurgând însă la HPC, testarea moleculelor candidate poate fi accelerată în mod considerabil. HPC poate contribui și la repoziționarea medicamentelor existente pentru noi patologii. Acest lucru va contribui la tratarea mai eficientă a pacienților, dar și la diminuarea considerabilă a costurilor procesului.

♦ Securitate alimentară, agricultură durabilă, cercetare marină și bioeconomie

Gestionarea mai eficientă a resurselor agricole și de apă

HPC este indispensabil pentru dezvoltarea unei agriculturi mai durabile prin optimizarea producției de alimente, analizând factorii de durabilitate și monitorizând epidemiile, controlul bolilor și efectele pesticidelor. Aplicațiile bazate pe HPC utilizează, de exemplu, etichetele de identificare prin radiofrecvență (etichetele RFID), care pot reține și descărca automat o masă de date privind conținutul de umiditate, greutatea și poziția GPS a unui balot. În viitor, vor fi introduse microetichete de dimensiunea particulelor de sol pentru a măsura parametri precum umiditatea și prevalența bolilor sau pentru a stabili dacă o cultură poate fi recoltată sau nu.

Tehnologiile HPC pot contribui, de asemenea, la o gestionare mai eficientă a resurselor agricole și de apă și pot ajuta populațiile vulnerabile dintr-o regiune prin îmbunătățirea capacității de gestionare și reacție în caz de secetă.

♦ Securitate cibernetică și apărare

Reperarea rapidă a atacurilor cibernetice

HPC este esențial și pentru securitatea națională și apărare, de exemplu în ceea ce privește dezvoltarea de tehnologii complexe de criptare, reperarea și anihilarea atacurilor cibernetice, introducerea unor proceduri eficiente de criminalistică sau realizarea de simulări nucleare.

În materie de securitate cibernetică, HPC este utilizat, în combinație cu inteligența artificială și tehnicile de învățare automată, pentru a detecta un comportament neobișnuit al sistemelor, amenințările interne și fraudele electronice, pentru a repera foarte devreme atacurile cibernetice (în câteva ore, și nu în câteva zile) sau utilizarea potențial necorespunzătoare a sistemelor și pentru a lua imediat măsuri automatizate de intervenție, înainte să fie comise acte ostile.

HPC este utilizat din ce în ce mai mult și în lupta împotriva terorismului și a criminalității, de exemplu pentru recunoaștere facială sau detectarea comportamentelor suspecte în spațiile publice foarte frecventate.

♦ Urbanism inteligent, ecologic și integrat

Dezvoltarea de vehicule autonome

Tehnologiile HPC contribuie la dezvoltarea de orașe mai inteligente mulțumită unui control mai eficace asupra marilor infrastructuri de transport, care necesită o analiză în timp real a unor cantități enorme de date.

Dezvoltarea de vehicule autonome va depinde, de exemplu, de HPC, deoarece aceste vehicule vor utiliza o mare varietate de date pentru a monitoriza și optimiza constant navigarea, starea drumului și a vehiculului, precum și confortul și siguranța pasagerilor. Mașinile fără șofer vor face în permanență schimb de date cu sisteme de gestiune și supraveghere și se vor sincroniza cu mari baze de date care le vor alimenta în permanență cu informații în timp real cu privire la mediul local, trafic, alertele de urgență și condițiile meteorologice.

♦ Cosmologie și astrofizică

Oamenii de știință utilizează HPC pentru a observa spațiul cu o mai mare precizie, pentru a simula evenimente violente care au survenit după Big Bang și care este posibil să fi produs unde gravitaționale, sau pentru a detecta supernove și sisteme stelare binare și pentru a înțelege materia neagră și energia.

Necesitatea coordonării la nivel european a strategiilor de investiții în HPC ale statelor membre

În ciuda eforturilor depuse și a investițiilor care s-au făcut până în prezent, UE nu dispune de cele mai performante supercalculatoare, iar cele existente depind de tehnologie din afara Europei. Oferta de timp de calcul disponibilă nu poate satisface o cerere în creștere constantă. Pentru a remedia această situație, cercetătorii și specialiștii europeni din sectorul industrial își prelucrează din ce în ce mai mult datele în afara UE. Acest lucru poate crea probleme legate de confidențialitate, de protecția datelor, de secretele comerciale și de dreptul de proprietate asupra datelor, în special în cazul aplicațiilor sensibile.

Lanțul de aprovizionare cu tehnologie HPC europeană este slab, în timp ce integrarea tehnologiilor europene în mașinile HPC rămâne nesemnificativă. Fără perspective clare în sensul de a avea o piață de vârf și de a putea vinde o mașină de calcul la scară exa către sectorul public, furnizorii europeni nu își vor asuma riscul de a-și dezvolta propriile mașini de calcul.

În plus, la ora actuală, fiecare stat membru investește pe cont propriu în dezvoltarea și achiziționarea unei infrastructuri HPC. În ciuda investițiilor importante care s-au făcut atât la nivel național, cât și la nivelul Uniunii, față de concurenții săi americani, chinezi sau japonezi, Europa investește insuficient în HPC, deficitul de finanțare fiind de 500 - 750 de milioane euro pe an. Amploarea resurselor și a investițiilor necesare pentru a introduce un ecosistem HPC viabil la scară exa este astăzi atât de mare încât nicio țară din Europa nu are capacitatea de a-l introduce într-un termen care să fie compatibil cu cel respectat de concurenții din afara UE. Prin urmare, statele membre trebuie să își coordoneze la nivel european strategiile de investiții în HPC și să își unească resursele.

Punerea laolaltă și raționalizarea eforturilor la nivelul UE este o necesitate. O infrastructură partajată și utilizarea în comun a capacităților existente vor fi în beneficiul tuturor, atât al întreprinderilor mari, al IMM-urilor, cercetătorilor, sectorului public, cât și în special al statelor membre (mai mici) care nu dispun de infrastructuri HPC naționale autonome. Acest lucru ar permite garantarea accesului independent al UE la tehnologii HPC de vârf.

Acțiune comună pentru punerea în aplicare a inițiativei EuroHPC

Reamintim că, la 10 mai 2017, în comunicarea privind evaluarea la jumătatea perioadei a Strategiei privind piața unică digitală, Comisia Europeană a confirmat că intenționează să investească în HPC și a anunțat că va propune un nou instrument care să definească un cadru de achiziții publice pentru o infrastructură integrată de date și de supercalcul la scară exa pentru UE. Obiectivul a fost acela de a găsi o modalitate eficientă prin care Europa și statele membre să poată investi împreună în crearea, pentru HPC și volumele mari de date, a unui ecosistem european de vârf în termeni de tehnologie, aplicații și competențe, care să se sprijine pe o infrastructură de date și de calcul de înaltă performanță și de talie internațională.

Inițiativa va permite achiziționarea în comun a mașinilor de calcul HPC, asigurând accesul tuturor statelor membre la supercalculatoare cu performanțe comparabile cu cele ale celor mai bune mașini din lume. Aceste mașini, integrate într-o infrastructură paneuropeană, vor fi puse la dispoziția sectorului public și a cercetătorilor din domeniul științific și din sectorul industrial, indiferent de locul în care s-ar afla. Disponibilitatea și accesul sporit la resurse HPC de vârf vor motiva utilizatorii să își păstreze activitățile și datele în Europa, contribuind la menținerea know-how-ului și a potențialului uman critic în statele membre.

Instrumentele de finanțare existente se dovedesc a fi limitate când se pune problema unei cooperări de o asemenea amploare în materie de supercalculatoare. Potrivit unei evaluări a impactului, este preferabil ca inițiativa EuroHPC să fie pusă în aplicare prin intermediul unei întreprinderi comune. Acest instrument juridic permite unirea forțelor cu statele membre pentru a sprijini dezvoltarea unei infrastructuri paneuropene de calcul și de date de înaltă performanță. El va răspunde următoarelor 3 nevoi urgente:

▪ obținerea și introducerea în Europa, într-un interval de timp competitiv, a unei infrastructuri HPC la scară pre-exa de talie mondială;

▪ punerea acesteia la dispoziția utilizatorilor publici și privați în scopul dezvoltării de aplicații științifice și industriale de vârf;

▪ sprijinirea dezvoltării, în timp util, a unor tehnologii HPC europene de generație următoare și integrarea acestora în sisteme la scară exa, într-un termen competitiv în raport cu concurența mondială.

Întreprinderea comună EuroHPC va permite combinarea eficientă a achiziției comune cu deținerea în comun a drepturilor de proprietate asupra supercalculatoarelor, precum și împărțirea între Comisie și statele membre a investițiilor în dezvoltarea de tehnologii pentru mașinile achiziționate.

Cu un buget total de aproximativ 1 miliard de euro, EuroHPC ar trebui să înceapă să funcționeze în 2019 și va rămâne operațională până la sfârșitul anului 2026. Întreprinderea comună EuroHPC este deschisă oricărui stat membru al UE și țărilor asociate care încă nu au semnat declarația de aderare.

Tehnologiile de „deep learning", facilitate de utilizarea HPC

Tehnologiile de deep learning (învățare aprofundată) sunt facilitate de utilizarea HPC. Capacitățile de supercalcul utilizate împreună cu inteligența artificială îi permit învățării automate să devină mai rapidă și mai eficientă, ceea ce facilitează elaborarea de soluții inovatoare și de tehnologii care ne îmbunătățesc viața de zi cu zi.

De curând, utilizarea inteligenţei artificiale şi a tehnicilor de deep learning în combinaţie cu HPC a condus şi la realizarea unor progrese majore în domenii precum segmentarea imaginilor (recunoașterea modelelor), recunoașterea vocală (recunoaşterea și traducerea semnalului vorbit în text de către calculatoare) sau mașinile fără șofer.

Combinarea HPC cu inteligenţa artificială şi cu tehnologiile deep learning este importantă pentru domenii precum securitatea cibernetică, ajutând la detectarea într-o fază incipientă a comportamentului ciudat al unui sistem, a ameninţărilor interne şi a fraudelor electronice, precum şi a altor tipuri de atac cibernetic (în câteva ore, şi nu în câteva zile). De asemenea, ajută la identificarea utilizării potenţial necorespunzătoare a sistemelor şi la luarea unor măsuri automatizate imediate, înainte să fie comise acte ostile. (Sursa: Comisia Europeană)