Dos nuevas supercomputadoras argentinas ayudarán a predecir el sistema caótico del tiempo

El Servicio Meteorológico Nacional y el Centro de Investigaciones del Mar y la Atmósfera de la UBA sumaron este año dos supercomputadoras para ayudarlos en los cálculos de predicción del estado del tiempo en todo el país
El Servicio Meteorológico Nacional y el Centro de Investigaciones del Mar y la Atmósfera de la UBA sumaron este año dos supercomputadoras para ayudarlos en los cálculos de predicción del estado del tiempo en todo el país Crédito: Shutterstock
Nicolás de la Barrera
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12 de diciembre de 2019  • 14:22

El matemático inglés y pionero de la meteorología Lewis Fry Richardson imaginó una forma curiosa de predecir el tiempo, en 1922. El científico se había dado cuenta que la cantidad de ecuaciones a resolver eran tantas, y que la atmósfera variaba tan rápidamente, que una sola persona nunca podría predecir el tiempo sola. Entonces pensó en un estadio, con capacidad para 64.000 espectadores, en el que todos hicieran los cálculos y siguieran la indicaciones de un director de esa especie de "orquesta" sin instrumentos musicales. En ese entonces, la primera computadora programable todavía no se había inventado; y Richardson creyó que nunca podría llegar a predecirse ese sistema caótico que determina si en unas horas habrá sol o fuertes lluvias.

De aquella imagen con decenas de miles de personas calculando que Richardson imaginó tal vez pueda trazarse una analogía con los miles de núcleos de las supercomputadoras que hoy trabajan, en función de nosotros, para entender y predecir los fenómenos de la atmósfera.

El gigante del SMN

Es en esta línea que ahora, dos supercomputadoras de alto rendimiento, instaladas, una en el Servicio Meteorológico Nacional (SMN) y otra en el Centro de Investigaciones del Mar y la Atmósfera (CIMA-Conicet-UBA), servirán, en el caso de la primera, para "afinar" los pronósticos de eventos de alto impacto, mientras que la segunda ampliará el conocimiento de la compleja dinámica de la atmósfera. La adquisición de los equipos forma parte del proyecto Ciencia y Tecnología para la producción del Alerta en Catástrofes Medioambientales, en el que también participan el INVAP, la empresa Frontec y el ex Ministerio de Ciencia y Tecnología.

La supercomputadora que funciona en el Servicio Meteorológico Nacional
La supercomputadora que funciona en el Servicio Meteorológico Nacional Crédito: Fernando Massobrio

La supercomputadora del SMN se terminó de ensamblar en febrero y, tras la instalación del software, comenzó a funcionar a mediados de junio de 2019. Desde ese momento y hasta ahora se trabajó en la configuración de las corridas del modelo de predicción del tiempo. La incorporación de este cluster permite, por un lado, bajar el tiempo del pronóstico determinístico (de dos horas y media a 30 minutos) y también le abre las puertas a otro tipo de pronóstico, en este caso, probabilístico, que permite estimar la confianza y la incertidumbre de que un evento ocurra. "Todo tiene que estar en una ventana horaria para que se ejecute a tiempo y sea pertinente", dice Pablo Loyber, director de tecnología del organismo.

Entre sus propiedades, el Equipo de Cómputo de Alto Rendimiento (HPC) tiene cuatro mil núcleos distribuidos en 128 nodos de cálculo (o sea, varios procesadores en una misma computadora), cinco mil veces más capacidad de cómputo que una PC hogareña y una capacidad de almacenamiento de 1,2 petabytes, equivalentes a 1.200.000 gigas. Se trata de una supercomputadora que, por una parte, es la que posee mayor capacidad de cómputo en nuestro país y que, a su vez, es la más grande de todos los servicios meteorológicos sudamericanos.

Hasta ahora, el pronóstico del tiempo se realizaba en un cluster (un conjunto de computadoras que funcionan como una) mucho más pequeño -que pasará a ser backup- y que hacía solo una corrida de modelo. Con el equipo adquirido, hoy ya se están corriendo 20 miembros de un ensamble.

Pablo Loyber, director de tecnología del Servicio Meteorológico Nacional
Pablo Loyber, director de tecnología del Servicio Meteorológico Nacional Crédito: Fernando Massobrio

"¿Por qué correr 20? La atmósfera es un sistema caótico, su predictibilidad es baja. Podríamos decir que es un sistema impredictible, entonces a lo que uno puede aspirar no es a determinar un estado futuro con total precisión. Lo que uno puede tratar de determinar son familias posibles de estados futuros. No uno solo. Se trata de correr varios casos para poder tener un rango de posibilidades de lo que va a ocurrir", dice Celeste Saulo, directora del SMN. En los próximos días, quienes visiten la web del organismo podrán ver, por ejemplo, la precipitación (o temperatura) esperada y también la posible para una determinada zona del país.

Huayra Muyu, el remolino del verano

En el SMN, el cluster ya tiene nombre propio: Huayra Muyu. "Es una palabra en quechua. Se llama de esa manera al remolino de polvo que se da en épocas de verano, y que es como un buen augurio", explica.

"Este tipo de equipo, de supercómputo en general, no es un equipo que compraría un banco, usa otro tipo de aplicaciones, que no hacen uso intensivo de la computación en paralelo. Se utilizan más que nada en la academia", explica Loyber. Sin embargo, esta utilidad dista bastante a la del uso que esta computadora tiene en el SMN.

"Ahora, de a poco con el tema de big data e inteligencia artificial se pueden llegar a utilizar, pero no son aplicaciones productivas, esta es la principal diferencia -afirma Loyber-. El desafío de este equipo es que no para, funciona las 24 horas del día, cuatro veces al día hace el pronóstico. Y cuando corre el pronóstico, los procesadores se van todos al cien por ciento de uso, es la principal diferencia con una computadora en la academia, que son de propósito general."

"Fue muy desafiante e interesante, no todos los días uno se encuentra con la posibilidad de implementar un sistema de este tipo", dice Loyber.

En las antípodas de la supercomputadora está este barómetro o higrómetro clásico, con un trozo de cuerda que se contrae o se expande dependiendo de la humedad ambiente y así mueve al hombre o mujer de la casa, indicando tiempo seco o lluvioso
En las antípodas de la supercomputadora está este barómetro o higrómetro clásico, con un trozo de cuerda que se contrae o se expande dependiendo de la humedad ambiente y así mueve al hombre o mujer de la casa, indicando tiempo seco o lluvioso Crédito: Shutterstock

Hidra: otra nueva supercomputadora

El Centro de Investigaciones del Mar y la Atmósfera (CIMA) también incorporó, como parte del proyecto, un equipo con 480 núcleos de procesamiento, que apuntará a mejorar el pronóstico actual, pero que también desarrollará líneas de investigación, por ejemplo, en modelos del cambio climático.

En un cuarto con temperatura controlada es que se encuentra Hidra, llamada de esta forma por la serpiente acuática de muchas cabezas de la mitología griega.

En funcionamiento desde mitad de año, el equipo también debe realizar los millones de cálculos por segundo necesarios para predecir el estado de la atmósfera en un tiempo y espacio.

El nuevo equipo vendrá a reemplazar al anterior con }una capacidad de cómputo de un tercio en relación al actual. "Tener una computadora más potente lo que permite es estudiar la dinámica de la atmósfera con un nivel de detalle mayor", explica Juan Ruiz, investigador del CIMA y docente de la UBA. Un ejemplo: a partir de la utilización de este equipo, se podrá estudiar cómo es la circulación del aire dentro de una nube de tormenta.

"La idea es que cuando tenemos un problema complejo, grande, dividimos ese problema, cada una de estas máquinas resuelve una partecita de estos problemas y se comunican entre ellas", explica Ruiz. Una forma gráfica de comprender el trabajo realizado por la computadora, por ejemplo, es pensar a la atmósfera dividida en cubos de 1 kilómetro de largo, ancho y alto.

"Si queremos cubrir el mundo con todos esos cubitos imaginarios, el modelo lo que hace es calcular el valor de la temperatura en cada uno de esos cubitos en los cuales dividimos la atmósfera. Un modelo numérico lo que tiene que hacer es calcular el valor de la temperatura en cada uno de ellos en distintos tiempos. Si queremos cubrir toda la atmósfera del planeta necesitamos millones de cubitos. Entonces si queremos dar un pequeño salto en el tiempo para saber cómo va a estar la temperatura cinco o diez minutos después lo que necesitamos hacer es resolver una ecuación en cada uno de esos cubitos. O sea, millones de ecuaciones, solo para la temperatura. Eso se replica para el viento, y para otras variables físicas de interés", explica Ruiz. Si se quisiera avanzar en el tiempo, por ejemplo, para estudiar el cambio climático a 40 años, la cantidad de ecuaciones a resolver será, claramente, mucho más grande.

"La ecuación que se resuelve en cada punto no es una ecuación que tenga 200 términos, tendrá cuatro o cinco dependiendo la complejidad con la que uno quiera representar los procesos que ocurren, pero esta misma se tiene que resolver con distintos valores miles de millones de veces", dice Ruiz.

Hidra podrá sumar más capacidad de cómputo, con el objetivo de perfeccionar y pulir, cada vez más, el conocimiento de la física de la atmósfera.

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