EL GRUPO HEMCUVE RESUELVE 500 MILLONES DE INCOGNITAS CON EL FINIS TERRAE
- La escalabilidad del algoritmo HEMCUVE++ unido a la arquitectura y capacidad del Finis Terrae permite plantear retos aún mayores.
- Tiene ya aplicaciones en ámbitos novedosos, como los radares de automoción o la investigación de metamateriales para paneles de invisibilidad.
Santiago de Compostela, 20 de enero de 2009.- Los miembros del grupo HEMCUVE, compuesto por investigadores de las Universidades de Extremadura y Vigo, junto con técnicos del Centro de Supercomputación de Galicia (CESGA), han comenzado el nuevo año batiendo un nuevo record mundial en simulación electromagnética: 500 millones de incógnitas, resueltas a principios del mes de enero en el supercomputador FINIS TERRAE. El anterior record mundial, ostentado por este mismo grupo, supuso la resolución de 150 millones de incógnitas y, vista la escalabilidad del algoritmo, en fechas próximas podría llegar a duplicarse esta última cifra, apuntando ya al billón americano.
El empleo de algoritmos eficientes para la resolución de problemas de este tamaño es fundamental, ya que la resolución "clásica" implicaría almacenar del orden de 500 millones de DVDs (lo que equivaldría a utilizar 20.000 veces la memoria del
ordenador más potente del mundo, El RoadRunner del Laboratorio de Los
Álamos, Texas). Tan solo el almacenaje del resultado final del problema ocuparía completamente un DVD.
La aplicación empleada en el reto, HEMCUVE++, tiene la cualidad fundamental de utilizar de forma eficiente un número elevado de procesadores, aprovechando así la potencia de los grandes supercomputadores. En esta ocasión se han empleado para los cálculos los mismos nodos y procesadores que se emplearon para el reto anterior, es decir, 64 nodos completos del Finis Terrae, 1024 cores (aproximadamente el 42% del supercomputador). La memoria RAM empleada fue en torno a 6 TB. En cuanto al tiempo empleado, se utilizaron unas 12 horas en los cálculos iniciales (setup), empleando 26 horas de resolución para asegurar la alta precisión del resultado, 20 más que las empleadas para resolver el reto anterior.
El supercomputador gallego ha vuelto a mostrar su capacidad, comportándose de forma excelente durante el reto, aunque según los miembros del Grupo HEMCUVE, el uso que de él hicieron fue “extremadamente exigente”. En este sentido destacan que “aunque existen máquinas más potentes, la arquitectura de Finis Terrae es idónea para nuestra aplicación”. Y es que al disponer de mucha memoria por procesador, facilita enormemente los cálculos, reduciéndose de forma considerable el tiempo de cálculo y el consumo total de memoria.
De nuevo y como en retos anteriores, cabe señalar la estrecha colaboración entre investigadores y técnicos responsables del Finis Terrae, clave para el cumplimiento del objetivo.
Un algoritmo que “escala muy bien”
Aunque inicialmente se pretendían calcular 250 millones de incógnitas, la escalabilidad del algoritmo empleado (un algoritmo es escalable cuando puede utilizar un gran número de procesadores de modo eficiente), ha permitido duplicar el número de incógnitas resueltas.
La aplicación empleada en el reto (HEMCUVE++) es el resultado de un proceso de desarrollo continuado del equipo investigador, iniciado en el año 1999 a través de un proyecto financiado por NAVANTIA. Después de mucho tiempo utilizando técnicas aproximadas, que aportaban una idea un tanto burda del comportamiento electromagnético de las estructuras, la evolución de los ordenadores y el desarrollo algorítmico han permitido que, a través de técnicas de gran rigor, se puedan analizar estos problemas.
A pesar de que los trabajos realizados para abordar este reto forman parte del ámbito de la investigación básica, “el código computacional que estamos desarrollando nos servirá para los usos aplicados en los que trabajamos”, explica Luis Landesa, miembro del equipo procedente de la Universidad de Extremadura. “Estamos hablando de millones de incógnitas que nos permitirán analizar y en último término predecir el comportamiento electromagnético de estructuras de grandes dimensiones eléctricas con un lujo de detalles hasta ahora inabordable y esto sin duda supondrá importantes ventajas competitivas para aquellas industrias con acceso a esta tecnología”.
Aplicaciones prácticas: de los radares a la invisibilidad
Precisamente un ámbito de aplicación novedoso de esos usos e los que se está trabajando, son los radares de
automoción que paulatinamente se están incorporando a los automóviles
como elementos de seguridad (alerta de cambio de carril, advertencia de
vehículos en el ángulo muerto, control avanzado de velocidad de crucero,
etc.). El comportamiento en términos radar de los distintos objetos de
interés (vehículos, peatones, señales de tráfico, guardarraíles, etc.) es
prácticamente desconocido, lo que afecta a las prestaciones de los
sensores que se incorporan a los vehículos. Según señala José Luís Rodríguez, de la Universidad de Vigo, “esta herramienta permite
modelar este tipo de problemas, siendo posible variar todos los
parámetros de operación, lo que permite un importante ahorro tanto
económico como de tiempo respecto a pruebas experimentales”. Actualmente tienen en marcha un proyecto conjunto con el Centro Tecnológico de Automoción de Galicia, CTAG, para el estudio y posible desarrollo de radares de automoción a 79 Giga Hertzios, a través del estudio del comportamiento de un vehículo en modelo sometido a esta frecuencia.
Pero el rango de aplicaciones posibles es muy amplio. Cabe
resaltar la resolución de problemas electromagnéticos en el diseño de grandes estructuras dotadas de sistemas de radio, como barcos, aviones y vehículos terrestres, buscando la manera más eficiente de simular el comportamiento electromagnético de las estructuras en la etapa del diseño. Hasta ahora el diseño
de antenas en entornos complejos (aeronaves, barcos, satélites) se
llevaba a cabo de forma individual para cada antena, y las posibles
perturbaciones que causaban unas sobre otras o incluso la interacción
con la estructura portante eran consideradas de forma aproximada. Este
grado de aproximación tenía como consecuencia que en muchas ocasiones
una vez integradas todas las antenas aparecían problemas de
funcionamiento que obligaban a modificar el diseño, con el consiguiente
aumento de costes y los retrasos correspondientes.
Con herramientas como estas se podrá abordar estos problemas de forma "global" de manera que se podrá conocer con precisión el comportamiento de los
equipos mucho antes de su montaje. La simulación permite hacer diseños virtuales de la estructura y observar también de forma simulada las reacciones e interacciones entre sus distintos elementos, como el de las antenas y radares”, detalla Fernando Obelleiro.
Este nuevo record mundial abre también la puerta a la aplicación del electromagnetismo computacional en campos como la biomedicina (imágenes radar para detección de tumores, influencia de terminales móviles en el cuerpo humano, etc.), diseño de metamateriales (materiales artificiales con propiedades electromagnéticas inusuales, con gran importancia en la creación de superlentes o paneles de invisibilidad), o el desarrollo de radares de penetración terrestre para la detección de minas antipersona, estructuras geológicas en el subsuelo, etc.
Acerca del equipo investigador
El equipo está compuesto por los investigadores Fernando Obelleiro y José Luis Rodríguez de la Universidade de Vigo y por Luis Landesa y José Manuel Taboada de la Universidad de Extremadura.
El equipo trabaja de forma coordinada desde hace años entre otros para la Armada y la empresa Navantia desarrollando sistemas que permiten abordar, mediante cálculos en supercomputadores como el Finis Terrae, estudios de compatibilidad electromagnética, con el objetivo de detectar interferencias entre antenas, predecir niveles de radiación peligrosa, estudiar su superficie equivalente radar, etc.
El grupo de la Universidad de Vigo es asesor técnico del CEMEDEM, el Centro de Medidas Electromagnéticas de la Escuela Naval de Marín, y recientemente han comenzado un nuevo proyecto sobre radares de automoción con el Centro Tecnológico de Automoción de Galicia, CTAG.
Por su parte, además de la colaboración con la Universidad de Vigo y el CESGA, el
equipo de electromagnetismo computacional de la Universidad de
Extremadura desarrolla métodos avanzados de computación de fenómenos
electromagnéticos en supercomputadores para aplicaciones navales,
análisis y diseño de sistemas radiantes, análisis de metamateriales,
análisis de la sección radar de aviones y buques o reducción de
niveles de exposición electromagnético entre otros. En el presente año
esperan lograr otros retos computacionales en electromagnetismo en el
nuevo supercomputador extremeño Lusitania.
Acerca de CESGA
El Centro de Supercomputación de Galicia (CESGA) es el centro de cálculo, comunicaciones de altas prestaciones y servicios avanzados de la Comunidad Científica Gallega, sistema académico universitario y del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). CESGA alberga el superordenador FINIS TERRAE, reconocido como Instalación Científico Técnica Singular por el Ministerio de Ciencia e Innovación.
Varias son las claves que han llevado a nuestro grupo a haber obtenido este logro que está siendo reconocido en los foros científicos. Por supuesto los trabajos previos otros dos grupos de investigación que se deben citar. El grupo de W.C. Chew que desarrolló el método Multilevel Fast Multipole Algorithm, MLFMA y que fue el primero en abrir las puertas de la computación de altas prestaciones (HPC) en la resolución de grandes problemas electromagnéticos. Para nosotros un trabajo que consideramos visionario fue 10 million unknowns: is it that big? . A partir de este trabajo otros investigadores han intentado realizar el esfuerzo de superar cifras para lo que han desarrollado métodos cada vez más eficientes (todos basados en el MLFMA) y con ello han conseguido resolver nuevos problemas que estaban vetados a las soluciones de alta precisión.
