Superdatori ļautu Latvijas zinātnes sasniegumiem kļūt konkurētspējīgākiem

“Ar superdatoru jeb HPC klasteri pētījumi kļūst ātrāki, precīzāki un konkurētspējīgāki” intervijā “Zinātnes Vēstnesim” stāsta Dr. sc. ing. Ilmārs Slaidiņš, RTU vadošais pētnieks, Latvijas HPC kompetences centra “SuperS” vadītājs.

Šoreiz “Zinātnes Vēstnesī” esam izvēlējušies izcelt tēmu par superdatoriem. Kāda ir un var būt to loma Latvijas zinātnē? Kādēļ sākt lietot HPC klasteri? Kā Latvija izskatās uz citu Eiropas valstu fona un kā kopumā aizsākusies superdatoru attīstība Eiropā? Kā ceļā uz savu zinātnisko pētījumu pārnesi HPC vidē Latvijas zinātniekiem var palīdzēt Latvijas HPC kompetences centrs? Par to mūsu intervijas turpinājumā…

I.Slaidiņš (no labās) kopā ar Atvērtās HPC nedēļas 2023 dalībniekiem 

Kādēļ jūs Latvijas zinātniekiem ieteiktu izmēģināt superdatoru?

Pirms stāstu par to, ka HPC infrastruktūra palīdz pētījumus veikt ātrāk, precīzāk un mēs Latvijas HPC kompetences centrā ticam – arī konkurētspējīgāk – vēlos savu stāstu sākt ar piemēru no dzīves. Mans mobilais telefons pašlaik ir iPhone 13. Izrādās, tas ir jaudīgāks par superdatoru, kādu to pazinām 1994. gadā. Tehnoloģijas strauji attīstās! Jo īpaši šajā digitālajā laikmetā. Ir labi zināt par mūsdienu iespējām un mainīties līdzi laikam. Zinu, cik zinātniekiem reizēm ir grūti būt atvērtiem pārmaiņām, bet aicinu izmēģināt jauno. Superdatora lietošana zinātnē varētu būt kas līdzīgs, kā braukt ar Formulu1. Ja mums ir veca automašīna, tā būtu viena veida braukšana, bet ar F1 ir pavisam cita līmeņa pārvietošanās. Tiesa, tā prasa jaunas zināšanas, lai zinātu, kā izmantot jaunās automašīnas piedāvātās iespējas. Līdzīgi ir arī ar superdatoriem. Iespējams, sākumā ir vajadzīgas nedaudz papildu zināšanas, bet tālāk sasniegtais komforts un rezultāts ir nesalīdzināms. Latvijas HPC kompetences centrs “SuperS” ikvienam Latvijas zinātniekam var kļūt par startu, lai atrastu saskarsmes punktu starp to, kas gadu gaitā zinātnē izdarīts līdz šim, un to, kā savus pētījumus veikt ar HPC.

Kā Latvijā tika izveidots HPC kompetences centrs, kurš nākamgad svinēs jau savu ceturto dzimšanas dienu?

Viss sākās ar Rīgas Tehniskās universitātes (RTU) HPC centra un Latvijas Universitātes (LU) Skaitliskās modelēšanas institūta dalību projektā “Nacionālie kompetences centri EuroHPC (EuroCC)”. Projekta pirmajā posmā, kas ilga no 2020. gada 1. septembra līdz 2022. gada beigām, visās Eiropas valstīs, kas iesaistījās kopuzņēmuma EuroHPC Joint Undertaking iniciatīvā stiprināt superskaitļošanas jomu visā Eiropā, tika izveidoti savi superskaitļošanas kompetences centri. Šajā Eiropas kompetenču tīklā visas valstis kopā izveidojām HPC kompetenču karti, kas faktiski dzīvē nozīmē – ja kādā valstī HPC jomā nepieciešams eksperta padoms specifiskajā zinātnes jomā, tad mums ir iespēja uz konsultāciju piesaistīt citas valsts augsta līmeņa HPC ekspertu.

Sapratām – lai uzsāktu darbu uz superdatora – jebkura līmeņa speciālistiem noderētu mācības. Esam izveidojuši mācību kursu, kurš interesentiem gan no zinātnes, gan uzņēmējdarbības vai valsts un pašvaldību sektora, pieejams bez maksas.

Pašlaik kā Latvijas HPC kompetences centrs varam turpināt strādāt, jo projektā ir nākamais posms (EuroCC 2), kurš ilgs līdz 2025. gada beigām. Tas mums dod finansiālu pamatu, lai varam ikvienam, kurš vēlas uzsākt lietot superdatorus, sniegt bezmaksas atbalstu, kā arī nodrošināt HPC jomas attīstību Latvijā.

Kāda ir superdatoru attīstības vēsture Eiropā? Pieņemu, ka HPC kompetenču centru izveide visā Eiropā bija secīgs turpinājums jau agrāk aizsāktiem procesiem.

Tieši tā. Ja jāmeklē superdatoru attīstības aizsākums Eiropā, tad varam runāt par laiku pirms mazliet vairāk nekā 10 gadiem. Eiropas vadošās amatpersonas konstatēja, ka Eiropa augstas veiktspējas skaitļošanas jeb HPC jomā stipri atpaliek no citām valstīm pasaulē. Vēl vairāk – Eiropas zinātnieki savu pētījumu veikšanai izmantoja HPC resursus Amerikā, Japānā un citās valstīs. Tikai ne Eiropā, jo uz to brīdi Eiropā šādu resursu nemaz nebija. Tā Eiropas politikas veidošanas līmenī tika pieņemts lēmums – Eiropā ir jāattīsta HPC, lai drīzā nākotnē spētu konkurēt ar vadošajām pasaules valstīm.

2011.gadā Eiropā izveidoja biedrību ETP4HPC, kurā apvienojās dažādi pētniecības institūti un uzņēmumi. 2017. gadā šajā biedrībā biedru skaits bija jau 86.

Vēl pēc gada (2012.) tika izveidota HPC stratēģija, kuru virzīja apstiprināšanai Eiropas Komisijā. Mazliet vēlāk Eiropā parādījās pirmie projekti ar Eiropas Komisijas finansējumu HPC jomas attīstībai. Zīmīgi ir divi nākamie gadi: 2017. un 2018. 2017. gadā septiņas Eiropas Savienības valstis parakstīja kopēju EuroHPC deklarāciju, bet 2018. gadā, kad izveidoja EuroHPC kopuzņēmumu EuroHPC Joint Undertaking, arī Latvija pievienojās Eiropas superdatoru saimei. Savā ziņā varam teikt, ka Latvijā superdatoru attīstība sākās kopā ar citām 33 valstīm. Latvijai dalība šajā pašlaik 34 Eiropas HPC kompetenču centru tīklā ļauj būt un attīstīties vienotā telpā HPC jomā kopā ar citām Eiropas valstīm.

Kas šo visu finansē?

Pašlaik HPC kompetenču centru darbību visā Eiropā finansē gan Eiropas HPC kopuzņēmums, gan konkrētā valsts, kurā kompetences centrs darbojas. EuroCC 2 projekta finansiālais modelis paredz, ka 50 % finansējuma ir Eiropas HPC kopuzņēmuma finansēts, otri 50 % – valsts budžets.

Ja paskatāmies uz kopējo EuroCC 2 trīs gada projekta budžetu visās iesaistītajās 34 valstīs – finansējums HPC jomas attīstībai Eiropā ir milzīgs. Kopā ar visu iesaistīto valstu finansējumu tie ir 62 miljoni eiro. Latvijas finansējuma daļa ir 1 miljons eiro (500 tūkstoši no EuroHPC kopuzņēmuma, 500 tūkstoši – no valsts budžeta, kas uz trīs gadiem tika piešķirts ar Latvijas Zinātnes padomes atbalstu).

Sākotnējais Eiropas plāns bija līdz 2026. gadam superdatoru attīstībai Eiropā ieguldīt 1 miljardu eiro. Pašlaik ir jau pieņemts lēmums, ka līdz 2027. gadam tie būs 3 miljardi eiro vai pat vairāk.

Kāda pašlaik izskatās Eiropas superdatoru karte?

 Šo gadu laikā Eiropā ir izveidoti astoņi īpaši jaudīgi superdatori, kur katram superdatoram ir savs vārds. Piemēram, VEGA Slovēnijā, MeluXina Luksemburgā, KAROLINA Čehijā, DISCOVERER Bulgārijā, LUMI Somijā, MareNostrum Spānijā, LEONARDO Itālijā, DEUCALION Portugālē.

Šobrīd  ES jaudīgākais superdators LUMI atrodas Somijā. Pasaules TOP 500 tas pašlaik atrodas piektajā vietā. Tiesa, pavisam nesen tas bija trešajā vietā pasaulē. LUMI pasaules superdatoru topos ierindojas arī kā trešais zaļākais superdators (Green500). LUMI atrodas Somijas pilsētā Kajaani, kurai tek cauri neliela upīte. Tajā ir uzbūvētas vairākas hidroelektrostacijas. 30 % no Kajaani pilsētas siltumenerģijas tiek iegūts LUMI datora dzesēšanas procesa laikā. Somi aprēķinājuši, ka viņu superdatora jauda ir ekvivalenta 1,5 miljoniem laptopu. Ja visus šos laptopus saliktu vienu virs otra, izveidotos 23 km augsts tornis.

Liels pavērsiens Eiropas superdatoru attīstībā būs kvantu superdators, kuru plāno atklāt nākamgad Vācijā.

Kā uz lielo Eiropas superdatoru fona izskatās Latvijas superdatori?

Latvijā HPC infrastruktūras jaudas nav tik lielas, lai mēs varētu iekļūt, piemēram HPC TOP500. Taču tāds arī nav mērķis. Latvijā superdatoru jaudas šobrīd ir pietiekamas, lai zinātnieki varētu veikt pētījumus ar tiem, un daži to arī jau dara. Latvijas uzņēmēji, valsts un pašvaldību sektorā strādājošie arī var uzsākt darbu uz superdatora. Salīdzinājumam – Latvijas RTU HPC centra superdatora RUDENS resursi ir aptuveni 1000 reizes mazāki par Somijas LUMI, bet jaudas tāpat ir pietiekamas. HPC centra superdatora operatīvā atmiņa ir 25 terabaiti, kodolu skaits 3224. Šī jauda ir ekvivalenta 1000 biznesa klases portatīvajiem datoriem. Ja ar Latvijas jaudām konkrētā pētījuma veikšanai jau kļūs par maz, ikvienam zinātniekam ir iespēja piekļūt Eiropas lielākajiem superdatoriem. Vairākas reizes gadā tiek izziņoti konkursi, kuros var pieteikties, lai saņemtu iespēju veikt zinātnes pētījumus uz lielajiem Eiropas superdatoriem.

Kā saprast, kad superdators tiešām varētu zinātniekam kļūt par labu palīgu pētījumu veikšanai?

Visvienkāršākais būs pieteikties pie mums Latvijas HPC kompetences centrā “SuperS” uz bezmaksas konsultāciju. Mūsu speciālisti izzinās konkrētā zinātnieka vai pētījuma specifiku un veiks prototipēšanu, pārbaudot, vai HPC infrastruktūras izmantošana tiešām būs piemērota.

Pēc pieredzes redzam, ka superdatorus pašlaik Latvijā izmanto bioinformātikā, ķīmijas zinātnē, skaitliskajā hidrodinamikā (Computational Fluid Dynamics (CFD)), kas ļauj modelēt gan šķidrumu, gan gāzu plūsmas dažāda mēroga procesos, laika apstākļu un klimata izmaiņu prognozēšanā, lielo datu apstrādē un analīzē, mākslīgā intelekta trenēšanai u.c.. Visur, kur nepieciešama lielo datu apstrāde vai liela apjoma skaitliskā modelēšana, var noderēt HPC. Ja parastais dators ar šādu datu apstrādi netiek galā, ir laiks piesaistīt superdatoru.

Var jau zinātnieks vai uzņēmējs arī pats pameklēt kādus ar HPC īstenotus piemērus. ES projekts ff4EuroHPC ir finansējis daudzus projektus un sasniegtie rezultāti ir publicēti kā Success Stories . Arī “SuperS” ir izveidojis datubāzi ar 13 Demo-Case no dažādām jomām savā mājaslapā https://eurocc-latvia.lv/.

Ko HPC kompetences centrs var piedāvāt Latvijas zinātniekiem?

Individuālu atbalstu, lai izvērtētu, vai superdators varētu palīdzēt pētniecības procesā, un arī atbalstu, lai praktiski uzsāktu darbu uz superdatora. Tāpat piedāvājam iespēju bez maksas piedalīties dažādos mācību semināros par HPC tematiku. Mums ir savs CUDA kurss, MATLAB, SolidWorks. Pašlaik gatavojam tiešsaistes mācību kursu par HPC pamatiem arī iesācēju līmenim. Zinātnieki var pieteikties mūsu jaunumu e-pastiem (newsletter), kuros regulāri izsūtam informāciju par bezmaksas mācību iespējām gan Latvijā, gan Eiropā. Jāieiet mūsu “SuperS” mājaslapā www.eurocc-latvia.lv un kontaktu sadaļā jāaizpilda pieteikums par jaunumu saņemšanu. Mums var atrakstīt arī e-pastu, uzdodot konkrētus jautājumus, kas interesē, vai pieteikties uz konsultāciju. Piesekot EuroCC Latvija profilam sociālajos tīklos – LinkedIN, X (Twitter), YouTube. Mēs izmantojam dažādus ceļus, kā dalīties ar informāciju un iespējami plaši un arī saprotami stāstīt par to, kas ir superdatori, kā tos izmantot un kā uzsākt darbu uz tiem.

Es jau pieminēju, ka mūsu HPC kompetences  centra mājaslapā var atrast arī reālus Demo-Case (https://gitlab.com/eurocc-latvia). Tie ir HPC aprēķinu piemēri, kurus esam sagatavojuši dažādās jomās. Piemēram, vēja plūsmu modelēšana, okeanogrāfiskā aprēķina piemērs Kurzemes piekrastes ūdeņos, kristālu audzēšana, modeļa jutības novērtēšana un nenoteiktības samazināšana dielektriskās caurlaidības mērījumos. Šos Demo-Case var praktiski izmēģināt, lai iegūtu pirmo pieredzi ar superskaitļošanu.

Būtiski pieminēt – lai atvieglotu superdatoru lietošanu, esam izveidojuši Atvērto HPC platformu, caur kuru, izmantojot interneta pārlūku, no mājas datora var ērti pievienoties superdatora resursiem.

Ko jūs novēlētu Latvijas zinātniekiem 2024. gadā?

Izmantot HPC jaudas savu mērķu sasniegšanai! Būt atvērtiem pret visu jauno, izmēģināt un mācīties jauno. Pēc vairāku gadu pārtraukuma, kas izveidojās Covid-19 pandēmijas dēļ, nākamgad atjaunosim mūsu HPC konferences tradīciju. Aicinu jau tagad rezervēt laiku – 11. un 12. aprīlī, kad notiks jau ceturtā Baltijas HPC un Cloud konference. Tajā tiksies HPC jomas eksperti no visām trīs Baltijas valstīm, kā arī no Somijas, Zviedrijas un Dānijas. Plašāka informācija par pieteikšanos un darba programmu drīzumā būs pieejama mūsu mājaslapā. Kā katru gadu, arī nākamgad jūnija beigās organizēsim Atvērto HPC nedēļu, kurā interesentiem stāstīsim par superdatoru plašajām iespējām. Arī uz šīs nedēļas pasākumiem vēlos uzaicināt Latvijas zinātniekus, jo tā ir laba iespēja koncentrētā veidā uzzināt par vissvarīgāko.

Īsumā par Latvijas HPC kompetences centru “SuperS”

Vizītkarte

Latvijas SuperSkaitļošanas jeb HPC kompetences centrs ir kā platforma, kurā saņemt atbalstu un praktisku palīdzību superdatora jeb HPC klastera lietošanas uzsākšanā.

Dibināts: 2020. gadā “Nacionālie EuroHPC kompetences centri “EuroCC” laikā.

Projektu Latvijā īsteno: RTU HPC centrs un LU Skaitliskās modelēšanas institūts.

Eiropas HPC kompetences centru projekta koordinators – Štutgartes universitātes HPC centrs.

Galvenie mērķi: skaidrot, kādas ir superdatoru lietošanas iespējas, kā arī stiprināt zināšanas un sniegt atbalstu, uzsākot darbu ar superdatoru jeb HPC.

Budžets: 50 % Latvijas valsts budžets, 50 % EuroHPC Joint Undertaking (no Digital Europe).

Mājaslapa: https://eurocc-latvia.lv/

Demo-Case piemēri: https://gitlab.com/eurocc-latvia.

Kontaktinformācija: [email protected].

Par Eiropas HPC kopuzņēmumu (EuroHPC Joint Undertaking): https://eurohpc-ju.europa.eu/index_en

Eiropas izcilības centri HPC jomā: https://www.hpccoe.eu/about/.

Visi Eiropas HPC kompetences centri: https://www.eurocc-access.eu/.