null Maapallon digitaaliset kaksoset vaativat eurooppalaista suurteholaskentaa

Kuva: Adobe Stock

Maapallon digitaaliset kaksoset vaativat eurooppalaista suurteholaskentaa

Helleaallot, tulvat ja maastopalot ovat esimerkkejä äärimmäisistä sääolosuhteista, joihin ilmastonmuutos vaikuttaa. Kuvittele tietojärjestelmä, joka auttaa yhteiskuntiamme selviytymään luonnonuhista suojellen niitä äärimmäisiltä sääolosuhteilta ja sopeutuen ilmastonmuutokseen. Destination Earth on vastaus tähän tarpeeseen. Se on projekti, jonka tavoitteena on kehittää erittäin tarkka digitaalinen malli maapallosta ja mallintaa, seurata ja simuloida luonnonilmiöitä ja niihin liittyvää ihmisten toimintaa. Destination Earth auttaa ennakoimaan ympäristön tilan heikkenemistä ja katastrofeja ennennäkemättömällä luotettavuudella.

Destination Earth rahoitetaan Euroopan komission Digitaalinen Eurooppa -ohjelmasta seuraavien seitsemän vuoden aikana, ja sillä edistetään merkittävästi Euroopan unionin vihreän kehityksen ohjelman tavoitteiden saavuttamista. Projekti käynnistyy tänä vuonna, ja sen täytäntöönpano delegoidaan kolmelle kansainväliselle järjestölle: Euroopan keskipitkien sääennusteiden keskukselle (ECMWF), Euroopan avaruusjärjestölle (ESA) ja Euroopan sääsatelliittijärjestölle (EUMETSAT).

Monipuolinen käyttäjäkunta

Destination Earthin tulevilla käyttäjillä tulee olemaan räätälöity näkymä tietojärjestelmään, joka sisältää esimerkiksi skenaarioita, ennusteita ja visualisointeja äärimmäisistä sääilmiöistä, luonnonkatastrofien kehityksestä ja ilmastonmuutokseen sopeutumisen lähestymistavoista. Destination Earth tulee palvelemaan eri mittakaavan käyttäjiä.

– Käyttäjiä tulee olemaan niin pienessä kuin suuressakin mittakaavassa. Suurta mittakaavaa olisivat valtiot tai jopa Euroopan unioni, joka pyrkii muokkaamaan käytäntöjään tunnettujen skenaarioiden ja niiden mahdollisten vaikutusten mukaisiksi. Tietojärjestelmä palvelisi myös yksittäisiä kansallisia hallituksia, kertoo ECMWF:n varatutkimusjohtaja Peter Bauer.

Bauer koordinoi tällä hetkellä ECMWF:n panosta Destination Earthiin, ja kun hanke alkaa, hänestä tulee ECMWF:n Destination Earth -hankejohtaja. Hän vastaa myös ECMWF:n skaalautuvuutta koskevasta ohjelmasta, jonka tavoitteena on mukauttaa ECMWF:n ennustejärjestelmät tulevaisuuden suurteholaskentateknologioihin.

– Pienempää mittakaavaa edustavat esimerkiksi ne paikalliset päättäjät, joiden yhteisöjen on vastattava välittömiin riskeihin koskien esimerkiksi saasteita, tulvia tai maanvyörymiä, kuten hiljattain koettiin Saksassa. Myös yritykset, esimerkiksi elintarviketuotannossa, pyrkivät suunnittelemaan järjestelmiään siten, että ne kestävät tuotantoon mahdollisesti vaikuttavia tulevaisuuden ääriolosuhteita, kuten tuulia, myrskyjä ja tulvia. Destination Earth auttaisi näitä yrityksiä varautumaan paremmin, Bauer jatkaa.

Digitaalinen mallinnus- ja simulointialusta

Kaikki tämä perustuu Destination Earthin digitaaliseen mallinnus- ja simulointialustaan, joka tarjoaa pääsyn dataan, kehittyneeseen laskentainfrastruktuuriin, ohjelmistoihin, tekoälysovelluksiin ja analytiikkaan.

Destination Earth hyödyntää digitaalisia kaksosia perustuen maapallon ilmastojärjestelmän mallinnuksen eri osa-alueisiin kuten äärimmäisiin sääilmiöihin, ilmastonmuutokseen sopeutumiseen, valtameriin ja biodiversiteettiin.  

– Digitaalinen kaksonen -termin historia on teollisuudessa, missä digikaksosia on sovellettu esimerkiksi tehdastuotantoprosesseihin tai tehokkaiden tuotteiden suunnitteluun. Nämä digikaksoset perustuvat yleensä tietokoneella olevaan tuotantoprosessin digitaaliseen kopioon, jota tukevat tuotantoprosessin valvonnasta saadut havainnot. Näin tuotanto on mahdollisimman energia- tai kustannustehokasta ja voidaan ennustaa toimintahäiriöitä ja testata erilaisia skenaarioita. Digikaksonen on kuin varsinaisen fyysisen objektin tai prosessin simulaatiota tietokoneella, mitä tuetaan havainnoinnilla, Bauer kertoo.

Destination Earthin käyttämät digikaksoset perustuvat interaktiiviseen mallinnus- ja simulointialustaan, jonka jatkuva havainnointi, mallinnus ja suurteholaskentasimulointi luo hyvin tarkkoja tulevaisuuden skenaarioita.

– Jos voimme simuloida kaikkea maailmassa tapahtuvaa mahdollisimman hyvin ja parhailla mahdollisilla malleilla, satelliittien ja myös matkapuhelimien tekemien havaintojen tukemana, meillä on käytettävissä työkalu, jonka avulla voimme testata skenaarioita, jotka auttavat meitä reagoimaan ilmastonmuutoksen vaikutuksiin ja ehkäisemään ja hallitsemaan ääriolosuhteisiin liittyviä riskejä, Bauer kertoo.

Ennennäkemättömät suurteholaskenta- ja datanhallintaresurssit

Kaikki tämä edellyttää ennennäkemättömiä laskenta- ja datankäsittelyresursseja. Bauerin mielestä EuroHPC, Euroopan suurteholaskennan yhteisyritys, on ainoa keino saavuttaa Destination Earthin tavoitteet.

– EuroHPC on olennaisen tärkeä Destination Earthille. Ilman EuroHPC:tä Destination Earthia ei voitaisi toteuttaa, joten meidän on varmistettava, että EuroHPC:llä on tarjota riittävästi resursseja Destination Earthille, ja pyrimme parhaillaan löytämään tähän ratkaisuja.

LUMI on ensisijaisesti grafiikkaprosessoreihin perustuva supertietokone ja keskeinen tekijä Destination Earthin menestykselle.

– LUMI on erittäin houkutteleva alusta useiden Destination Earthin osa-alueiden kannalta. Yksi niistä on itse suurteholaskenta, joka tukee esimerkiksi ilmastojärjestelmän malleja. Meidän on turvauduttava grafiikkaprosessoreihin, koska ne tarjoavat laskentatehoa mallin erittäin kriittisissä ja kalliissa osissa. Uskomme, että vain grafiikkaprosessoreihin perustuva laskenta on kykenevä selviytymään siitä, Bauer huomauttaa.

– Toinen osa-alue on koneoppiminen. Koneoppiminen on ainoa tapa kerätä tietoja tietynlaisista sovelluksista. Nämä kaksi asiaa: raskasta laskentaa vaativat ilmastojärjestelmän mallit ja koneoppimisen erittäin vaativat koneoppimisalgoritmit ovat ratkaisevan tärkeitä osia, joissa LUMI tulee olemaan korvaamaton Destination Earthille.

EuroHPC on siis keskeinen tekijä Destination Earthin menestykselle, mutta sama pätee myös toisinpäin.

– Molemmat osapuolet hyötyvät. Destination Earthin on onnistuttava, ja me tarvitsemme EuroHPC:n resursseja sen toteuttamiseksi. Mutta tämä suhde toimii myös toisinpäin. Euroopan unioni ja yksittäiset maat ovat sitoutuneet merkittävällä tavalla suurteholaskentaan ja investoineet Euroopassa ja kansallisella tasolla. Tämä edellyttää myös todisteita siitä, että investointi on ollut kannattavaa. Yhteiskuntiemme suojeleminen ääriolosuhteilta ja luonnonuhkien seurauksilta sekä ilmastonmuutokseen sopeutuminen on todennäköisesti tällä hetkellä tärkein sovellusala, lukuun ottamatta koronavirusta ja pandemioita koskevia tutkimuksia ja muita terveyteen liittyviä tekijöitä. Joka tapauksessa Destination Earth on merkitykseltään sovellusalojen kärjessä ja siksi pian on erittäin hyvä tilaisuus todistaa, mihin kaikkeen projekti pystyy, Bauer toteaa.

Katso Peter Bauerin haastatteluvideo:

Tämä artikkeli on julkaistu alun perin sivustolla www.lumi-supercomputer.eu

 

Lisää tästä aiheesta » Siirry sisältöihin ja uutisiin »

Anni Jakobsson, CSC