L'Istituto Paul Scherrer PSI si è dotato di un nuovo cluster ad alte prestazioni: Merlin-7, una piattaforma di calcolo per sofisticate simulazioni e analisi di dati. Tuttavia, Merlin-7 non si trova al PSI di Villigen, ma al Centro nazionale svizzero di supercalcolo (CSCS) di Lugano. Fa parte di Alps, attualmente l'ottavo supercomputer più veloce al mondo. Il PSI e il CSCS inaugurano così una nuova era della scienza informatica in Svizzera.
Il PSI è un leader internazionale nelle sue discipline di ricerca. Ciò è dovuto non da ultimo a una serie di potenti cluster di calcolo - da Merlin-1 a Merlin-6 - che hanno costituito la spina dorsale della ricerca ad alta intensità di dati per oltre due decenni. Ciascuno di questi cluster era molte volte più veloce del suo predecessore. Tuttavia, avevano tutti una cosa in comune: il loro hardware era sempre situato nel centro dati del PSI.
Con l'ultimo aggiornamento, PSI rompe questa tradizione. Merlin-7 non si trova più nel campus, ma nel Centro nazionale svizzero di supercalcolo (CSCS) nel quartiere Cornaredo di Lugano. Ma anche questo non è del tutto corretto: Merlin-7 non è una macchina di calcolo indipendente. Al centro del CSCS, fa parte di un'unità di calcolo molto più grande: il supercomputer nazionale Alps, con i suoi 14.000 processori.
Con Merlin-7, i ricercatori del PSI non hanno più accesso a una macchina fisica in un armadio con il logo del PSI. Merlin-7 si trova invece su un'"isola" virtuale che utilizza una parte fissa dell'enorme capacità di calcolo di Alps e fornisce ai ricercatori le prestazioni di cui hanno bisogno. Per i ricercatori, tuttavia, il sistema è simile a qualsiasi altro sistema interno precedente - è perfettamente integrato nella rete e nei servizi del PSI - tranne che per il fatto che si trova dall'altra parte delle Alpi.
La nuova ammiraglia del CSCS è attualmente all'ottavo posto nella classifica dei 500 supercomputer più veloci. Solo sette supercomputer di laboratori di ricerca negli Stati Uniti (4), Germania, Italia e Giappone sono attualmente più veloci. Alps è basato sull'architettura "Cray EX" del produttore statunitense HPE. Contiene circa 14.000 processori, di cui 10.752 di NVIDIA e gli altri di AMD. Alps raggiunge 434,9 petaflop (quadrilioni di operazioni di calcolo al secondo). Il sistema è raffreddato con acqua pompata da 45 metri di profondità dal lago di Lugano - 460 litri al secondo. Questo fa di Alps uno dei supercomputer più efficienti al mondo dal punto di vista energetico. E uno dei più economici. A causa di problemi di approvvigionamento, i chip di NVIDIA costano ora il doppio di quanto il CSCS aveva concordato con NVIDIA quando ha effettuato l'ordine tre anni fa.
Più flessibile, più economico e più veloce
Il passaggio dal data center interno al cluster condiviso ad alte prestazioni offre molti vantaggi, soprattutto una maggiore flessibilità in termini di capacità di calcolo disponibile. I ricercatori del PSI possono richiedere più potenza con breve preavviso per compiti particolarmente impegnativi dal punto di vista computazionale.
Ciò significa che Alps non è solo un computer più veloce, ma l'inizio di una nuova era con un'infrastruttura centralizzata e standardizzata per il calcolo ad alte prestazioni in Svizzera. "Con l'architettura ispirata al cloud di Alps, possiamo creare cluster di computer virtuali e adattarli alle esigenze specifiche delle comunità di utenti", spiega Thomas Schulthess, direttore del CSCS.
Oltre a questa flessibilità di utilizzo, il sistema di cluster si distingue anche per la sua elevata efficienza. In relazione alla sua potenza di calcolo, Alps consuma molto meno elettricità rispetto alla maggior parte dei supercomputer della sua categoria. Da un lato, ciò è dovuto all'efficienza energetica dell'hardware installato. Dall'altro, il sistema è raffreddato in modo naturale, con l'acqua delle profondità del lago di Lugano.
Grazie al suo hardware moderno, Alps offre numerose applicazioni nuove e specializzate. Alun Ashton, responsabile dell'infrastruttura IT per le applicazioni scientifiche del PSI, sottolinea: "Grazie ai microprocessori Grace Hopper di NVIDIA, Alps è ideale per le applicazioni di intelligenza artificiale, che già oggi vengono utilizzate in molti progetti del PSI, ad esempio per studiare la dinamica delle proteine e la loro progettazione mirata."
Vicinanza nonostante la distanza - grazie alla fibra ottica
Nonostante il trasferimento dalla sede del PSI, l'esperienza d'uso per i ricercatori del PSI rimarrà praticamente invariata. "Per i nostri utenti non cambierà nulla", promette Ashton. "Grazie a due linee in fibra ottica, ciascuna con una velocità di trasferimento dati di 100 gigabit al secondo, per i nostri dipendenti è come se Merlin-7 non fosse a Lugano, ma - come prima - a due passi dai loro uffici".
Mentre CSCS fornisce i servizi IT di base come "Infrastructure as a Service" (IaaS), ossia un'infrastruttura disponibile a livello centrale che può essere utilizzata senza bisogno di hardware in loco, il team di Alun Ashton si occupa del supporto completo della piattaforma cluster virtuale. Questo include la configurazione del sistema operativo, la fornitura del software scientifico, la gestione dello storage e il funzionamento per i circa 90 gruppi di ricerca del PSI che utilizzano il sistema. Questa divisione del lavoro solleva i colleghi di Lugano, che possono concentrarsi completamente sul funzionamento di Alps e non devono occuparsi del supporto agli utenti del PSI. Il PSI è così il primo locatario a utilizzare Alps in questo modello IaaS.
Alps - e quindi anche Merlin-7 - è stato in funzione di prova a partire dal 2021 ed è in funzione regolarmente nella sua fase finale di espansione dal gennaio 2025. Un altro affittuario è Meteo Svizzera - l'Ufficio federale di meteorologia e climatologia, che produce le sue previsioni meteorologiche precise utilizzando la potenza di calcolo di Alps e che in futuro potrebbe utilizzare un modello di utilizzo simile a quello attualmente in fase di sviluppo da parte di PSI e CSCS. A questi si aggiungono le università del settore ETH e il CERN, che già beneficiano delle risorse di calcolo del CSCS, e molti altri gruppi di ricerca delle università svizzere.
La prova delle prestazioni: la corsa dell'eroe
Le capacità di Alps sono state dimostrate in modo impressionante nell'agosto 2024 in un cosiddetto "hero run". Un singolo gruppo di ricerca del PSI ha potuto utilizzare tutta la potenza del supercomputer durante un compito di calcolo di venti ore.
Giovanni Pizzi del Laboratorio di simulazione dei materiali del Centro per la scienza computazionale, la teoria e i dati, insieme al responsabile del laboratorio Nicola Marzari, ha eseguito quasi 100.000 calcoli individuali e simulato migliaia di strutture di materiali in parallelo. Ciò ha permesso di determinare le proprietà di circa 20.000 strutture cristalline. "Le prestazioni del nuovo supercomputer Alps sono eccezionali", afferma Pizzi. Il successo dell'hero run dimostra la versatilità e la capacità di Alps, soprattutto per affrontare compiti complessi e ad alta intensità di dati in settori quali la scienza dei materiali, la fisica delle particelle e la ricerca sull'intelligenza artificiale.
Ora è il momento di mettere Merlin-7 alla prova. Se tutto va come previsto, i predecessori Merlin-5 e Merlin-6 saranno spenti nel corso dell'anno. Da quel momento in poi, la ricerca del PSI sarà finalmente computata al di là delle Alpi, nella regione più soleggiata della Svizzera.
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Informazioni sul PSI
L'Istituto Paul Scherrer PSI sviluppa, costruisce e gestisce grandi e complesse strutture di ricerca e le mette a disposizione della comunità di ricerca nazionale e internazionale. La sua ricerca si concentra sulle tecnologie del futuro, l'energia e il clima, l'innovazione sanitaria e i fondamenti della natura. La formazione dei giovani è una preoccupazione centrale del PSI. Per questo motivo, circa un quarto dei nostri dipendenti sono ricercatori post-dottorato, dottorandi o apprendisti. Il PSI impiega un totale di 2.300 persone, il che lo rende il più grande istituto di ricerca della Svizzera. Il budget annuale è di circa 450 milioni di franchi svizzeri. Il PSI fa parte del settore dei PF, che comprende anche il Politecnico di Zurigo e l'EPF di Losanna, nonché gli istituti di ricerca Eawag, Empa e WSL. (al 06/2025)