Ciência da computação: Brasil aprimora infraestrutura de supercomputadores

“Hoje, a computação de alto desempenho está presente em quase todas as áreas da pesquisa científica. Até mesmo em humanidades se utiliza a análise avançada de dados no apoio à definição de políticas públicas”, exemplifica Silva, do Imecc-Unicamp, que também é o coordenador do Centro Nacional de Processamento de Alto Desempenho em São Paulo (Cenapad-SP), uma das estruturas HPC que compõem o Sinapad.

O principal equipamento do centro paulista é o supercomputador Lovelace, adquirido em 2021 com recursos da Financiadora de Estudos e Projetos (Finep) e expandido em 2023 com o apoio da FAPESP. Nomeada em homenagem à matemática inglesa pioneira da computação, a máquina fabricada pela Dell Technologies apresenta em sua configuração atual capacidade de processamento de 388 teraflops. Cada teraflops proporciona 1 trilhão de operações por segundo. O centro também é aparelhado com o Tyr, que utiliza o sistema IBM Power 750, com capacidade de 37 teraflops. No total, os equipamentos do centro disponibilizam 425 teraflops de processamento.

Desde 1994, quando foi constituído o Cenapad-SP, até o final de 2023, as pesquisas feitas no centro geraram em torno de 4,4 mil publicações acadêmicas, 294 teses de doutorado e 331 dissertações de mestrado. Hoje são 221 projetos ativos e 737 usuários de todo o país. “A infraestrutura tem 100% de ocupação e ainda há uma grande demanda represada na fila de espera”, relata o pesquisador da Unicamp.

Léo, do LNCC, e Silva compartilham a visão de que, após a atualização do SDumont, a principal prioridade da computação de alto desempenho no país voltada à pesquisa acadêmica é o upgrade da infraestrutura das demais unidades do Sinapad, uma vez que todas apresentam demanda de uso maior do que a capacidade de processamento.

Em janeiro deste ano, um primeiro reforço tornou-se realidade. O Coaraci, “mãe do dia” em tupi, novo supercomputador do CCES-Unicamp, passou por testes em dezembro de 2023 e foi disponibilizado para a comunidade acadêmica no mês seguinte. É uma máquina Dell de 801 teraflops, adquirida com apoio do Centro de Engenharia e Ciências Computacionais (CECC), um dos Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão (Cepid) financiados pela FAPESP.

“É o computador mais potente dentro de uma universidade brasileira e receberá pesquisas nas mais diversas áreas de interesse científico. Nossa avaliação preliminar é de que o Coaraci terá uma ocupação intensa, 24 horas por dia, sete dias por semana”, diz o engenheiro mecânico William Wolf, assessor técnico do CCES. O equipamento foi instalado no Centro de Computação John David Rogers, abrigado no Instituto de Física Gleb Wataghin da Unicamp.

Para Wolf, que é coordenador do Laboratório de Ciências Aeronáuticas da Unicamp, o Coaraci irá viabilizar trabalhos que eram difíceis de ser realizados por equipes brasileiras. As pesquisas aeroespaciais feitas na Unicamp, por exemplo, rodam em supercomputadores nos Estados Unidos e na França, um processo que leva em média seis meses por conta das longas filas e da burocracia com a preparação e a revisão de projetos internacionais. Além disso, esses projetos precisam entrar em uma fila de espera global e muitas vezes os resultados precisam ser compartilhados com grupos estrangeiros antes de ser processados.

Supercomputadores são fundamentais em pesquisas que simulam a formação do Universo (acima), na previsão do tempo e clima (no alto) e no desenvolvimento de projetos aeronáuticos (ao centro). Imagem: The Cosmic Dawn Project | Inpe | Força Aérea Brasileira

“Esses dados são extremamente difíceis de obter, e nosso maior interesse é tratá-los. Em outros casos, os dados são sensíveis mesmo, pois se trata de inovação tecnológica”, explica Wolf. “Com o Coaraci, vamos fazer as pesquisas localmente, de forma rápida e segura, sem a necessidade de compartilhar dados que, em muitos casos, podem ser estratégicos para o desenvolvimento tecnológico no Brasil.”

O Inpe, instituição que também forma o Sinapad, dará início ao processo de licitação que levará à compra de um novo supercomputador capaz de aprimorar a previsão climática no país. O investimento programado é de R$ 200 milhões em recursos do Fundo Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (FNDCT). O valor será empregado em equipamentos e infraestrutura física nas instalações do instituto em Cachoeira Paulista (SP) voltados a dar o adequado suporte à máquina.

“O investimento será executado em etapas, iniciando-se este ano e com conclusão prevista para 2027”, detalha o doutorando em engenharia e tecnologia espaciais Ivan Márcio Barbosa, coordenador de Infraestrutura de Dados e Supercomputação do Inpe.

A primeira fase tem orçamento previsto de R$ 47,5 milhões para a aquisição de equipamentos que vão gerar poder computacional de aproximadamente 2 petaflops. Ao final do processo em 2027, o sistema de alto desempenho do Inpe deverá somar 8 petaflops – capacidade cerca de 15 vezes superior à da supermáquina atual do instituto, o Tupã, adquirido em 2010, que oferece 550 teraflops.

Supercomputadores usam muita energia para alimentação elétrica e refrigeração. O Tupã, informa Barbosa, tem um custo anual de eletricidade de R$ 4,8 milhões. Sua refrigeração, como na maioria dos supercomputadores, conta com um sistema misto que envolve ar condicionado e água – são 40 mil litros circulando em circuito fechado. Para receber o novo supercomputador, o Inpe implantará uma subestação de energia elétrica de 138 quilowatts de pico (kWp) e renovará sua infraestrutura elétrica, de ar condicionado e água tratada. Também implementará uma usina de geração de energia solar fotovoltaica com capacidade inicial de 300 kWp.

A renovação do sistema de previsão climática incluirá ainda uma nova modelagem de previsão numérica de tempo e clima, batizada de Monan (Modelo para Previsão dos Oceanos, Superfícies Terrestres e Atmosfera), ainda em desenvolvimento. Segundo informações preliminares divulgadas pelo Inpe, além dos métodos tradicionais baseados em solução de equações físicas, o Monan usará inteligência artificial e aprendizado de máquina para prever o início e o fim de chuvas e eventos climáticos extremos com antecedência de três dias e a previsão das tendências climáticas com uma antecipação de três meses. “Hoje, nossas previsões são para até 15 dias, mas a precisão só é alta, na casa dos 90%, para as próximas 48 horas. Passados sete dias, fica abaixo de 50%”, diz Barbosa.

O Tupã não será desativado. “Enquanto houver peças de reposição disponíveis, a máquina será dedicada a projetos de pesquisas científicas na área de tempo e clima”, afirma o pesquisador. Atualmente essa tarefa no Inpe é realizada em um cluster de processamento de alto desempenho, um conjunto de máquinas menores que alcançam uma determinada capacidade de processamento. O Egeon, o cluster do Inpe, tem poder computacional de 200 teraflops.

A chegada de Gaia
A infraestrutura de alto desempenho voltada à pesquisa no Brasil também foi reforçada em 2023 com a aquisição por R$ 76 milhões pela Petrobras do supercomputador Gaia, de 7,7 petaflops, montado pela Dell. O Gaia entrou em operação em agosto do ano passado e é utilizado exclusivamente pelo Centro de Pesquisas, Desenvolvimento e Inovação da Petrobras (Cenpes). Seu objetivo é desenvolver e aperfeiçoar tecnologias ligadas à geofísica, entre elas ferramentas de processamento de imagens sísmicas, que usam ondas sonoras refletidas para criar uma espécie de tomografia computadorizada da subsuperfície da Terra.

No final de 2022, a Petrobras somava uma capacidade de processamento de 63 petaflops e anunciou a meta de alcançar 80 petaflops, sem especificar a data em que planeja atingir esse objetivo. Além do Gaia, também entrou em operação em 2023 o Gemini, dotado de 3,9 petaflops. Na área de produção, os supercomputadores da petrolífera são utilizados principalmente nas atividades de processamento sísmico e engenharia de reservatórios. No primeiro caso, o objetivo é determinar a presença de petróleo e a melhor área de perfuração de poços; no segundo, a finalidade é estudar o comportamento do óleo armazenado.