Supercomputador Mare Nostrum: la máquina prodigiosa que puede salvar a la humanidad

El segundo capítulo de Gigantes de la Ciencia nos lleva a la bella ciudad de Barcelona, donde dentro de una antigua capilla se encuentra uno de los supercomputadores más potentes de Europa

¿Quieres pruebas de que estás viviendo en el futuro? Tu teléfono inteligente tiene dentro un procesador que es 200 millones de veces más rápido que el ordenador que llevó a los astronautas a la Luna. Tu ordenador de casa tiene la potencia suficiente para crear imágenes realistas de mundos que no existen, componer música de la nada o imitar la inteligencia humana.

Pero hay veces que la ciencia tiene preguntas demasiado complejas y hace falta más potencia de cálculo. Bienvenidos al supercomputador Mare Nostrum. Esta ICTS, Instalación Técnica y Científica Singular, se encuentra en el Centro Nacional de Supercomputación (BSC, Barcelona Supercomputing Center), en Barcelona. Mare Nostrum es el nombre que ha utilizado el BSC para referirse a las diferentes actualizaciones de su supercomputador más potente en cada momento.

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El actual Mare Nostrum 4 será próximamente sustituido por el quinto. Mientras tanto, funciona a pleno rendimiento dentro de una gran jaula de cristal, en el interior de la capilla desacralizada Torre Girona. El escenario es propio de una película del agente. 007, un entorno espectacular para una de las herramientas más poderosas de la ciencia.

“Un supercomputador no es más que una máquina que tiene muchos procesadores muy potentes con memoria, que permite a los procesadores comunicarse con una latencia pequeña y con un ancho de banda muy grande”, explica el profesor Mateo Valero, director del BSC. Pero cabe preguntarse, ¿por qué es necesaria una instalación tan grande cuando hoy en día hay millones de ordenadores conectados a través de Internet en la nube? La respuesta: es una cuestión de velocidad.

Como explica Valero, “los procesadores están colaborando en la ejecución de un programa, muchos de ellos pueden estar esperando información de otro y hasta que no viene no hacen nada. Hay aplicaciones, por ejemplo, la dinámica molecular, en la que cada muy poco tiempo los procesadores tienen que intercambiarse información acerca de la posición de cada molécula. Imagínate, millones de puntos, y tú quieres ver cómo evoluciona esto, calculando las fuerzas que actúan sobre ellas, y así calculas cuál es el próximo movimiento. Pero eso lo hacen todas las moléculas, que su vez tienen que enviar su la nueva posición a todas las demás. Eso en un computador distribuido tipo SETI, iría más lento que el caballo malo en las películas del oeste», sentencia.

Un país como España no puede permitir que no se forme gente en estas especialidades y que seamos solo usuarios

“Hay otro tipo de computación que no se hace en supercomputadoras, que es en la nube”, prosigue Valero. “Vas a Amazon o a Google y tienes ofertas, una hora de CPU por tanto dinero. La operación es diez veces más cara que lo que sale esta instalación. Pero, además, hay dos factores. Uno, que si tienes grandes cantidades de datos tienes que poner esos datos allá y no los tienes aquí. Privacidad. Y, además, un país como España no puede permitir que no se forme gente en estas especialidades y que seamos solo usuarios”.

“La supercomputación son cálculos, pero también son datos, cantidades enormes de datos que en algunos casos tardarían días en moverse de un computador a otro, y que si los dejas en un lado que no es el tuyo, te los van a ‘pispar’”.

Las posibilidades son enormes: “El cuerpo humano, nuevos materiales, simulaciones de nuevos coches, baterías, o sea, todo aquello que el matemático físico o ingeniero pueda representar con números y que necesite mucha potencia de cálculo. En estos casos supercomputador es la única herramienta que hay. Pero hay problemas para los que todavía no tenemos suficiente potencia de cálculo, a pesar de que tenemos una potencia enorme”, concluye Valero.

Gemelos digitales

Vamos a hablar de cifras. Las 48 torres del Mare Nostrum 4 tienen en total 3.456 nodos, cada uno con dos chips de 24 procesadores. Esos son 165.000 procesadores, trabajando a la vez con una memoria principal total de 390 terabytes y un almacenamiento total de 14 petabytes. Es decir, 14.000 teras. Es miles de veces más potente que tu ordenador de casa. ¿A qué se aplica toda esta capacidad de cálculo? Sobre todo, a crear simulaciones llamadas gemelos digitales.

“Siempre que hay un instrumento nuevo, se potencian la ciencia e ingeniería asociadas a ese instrumento”, aclara Valero. “Galileo Galilei, con el telescopio, permitió ver un poquito más lejos, pero ahora hay telescopios enormes. Mi paisano, Ramón y Cajal, utilizaba los microscopios más avanzados alemanes de la época y las técnicas de tintado de Golgi. Esa máquina le permitió, con ayuda de la tecnología, pensar, proponer una teoría, volver a verla. Realimentación. Un supercomputador no es más que un instrumento al servicio de la ciencia y la ingeniería, pero la ventaja es que es de propósito general. Es decir, depende del software que se use, se comporta como un microscopio, un telescopio, un acelerador de partículas o lo que quieras. Por ejemplo, nosotros estamos trabajando en el ITER, que es el gran proyecto de fusión a nivel mundial. Resulta que no hay experiencia de qué ocurre si el plasma se toca la vasija. Nada. Esto vale millones y millones, tú tienes que simular esto, es el único sistema que hay. Dentro de los gemelos digitales hacemos, por ejemplo, el de Smart Cities, hacemos el de Destination Earth, y estamos iniciando el del cuerpo humano. El gran reto que hay en la medicina es hacer un gemelo digital individualizado de cada uno de nosotros”.

Un gemelo digital de un ser humano significa poder simular la interacción de todas las proteínas que participan en los procesos bioquímicos del cuerpo, lo que permitiría diseñar tratamientos personalizados. “Las proteínas, lógicamente, son un factor fundamental junto con los genes”, explica Valero. “Pero por ejemplo, en computadores como los nuestros se ha hecho el avance más grande para mí que ha producido la inteligencia artificial hasta ahora, que es lo hizo Deep Fold, la empresa de Google, que puede predecir, partiendo como entrada de la secuencia de aminoácidos, cómo se pliega una proteína. Hay más de 50.000 investigadores en ello. Les han abierto una una mina con una cantidad de piezas de oro pulido y ¡van como locos! Entrenar esa red neuronal costó muchísimo. El ejecutarla cuesta mucho. Tienes que tener máquinas muy potentes para hacer eso”.

Para la supercomputación, además, son necesarios datos “A partir del covid, ha cambiado un poco la mente de hospitales, la conciencia de la sociedad, de que necesitamos compartir datos para que los médicos e investigadores tengan la mina para poder sacar información”, dice Valero. “También tenemos una copia del EGA European Genome Archive, 20 petabytes de genes, y ahora hay un proyecto europeo que es Beyond One Million Genomes, donde van a secuenciar un millón, porque cuanto más datos, podremos ver muchos tipos de enfermedades”.

Simular el funcionamiento del cuerpo humano para curar enfermedades es un reto enorme, Pero hay un sistema aún más complejo que también está enfermo. Nuestro planeta. El gemelo digital del clima de la Tierra es uno de los grandes proyectos del Mare Nostrum.

El simulador del clima de la Tierra

“Hay cosas que ya estás viendo, pero borrosas. Una de ellas es el comportamiento de la Tierra, de la atmósfera”, cuenta Valero. “Tú tienes que manejar todo eso con miles y millones de nodos, y cada nodo se comunica con otros. En cada nodo tienes que saber la presión, temperatura, viento, y ejecutar un modelo físico. ¡Pues claro que vemos un modelo de la Tierra!, pero borroso. Con los nuevos computadores lo vamos a ver mucho mejor y nos van a poder permitir predecir más cosas, verlas con una claridad enorme”.

Francisco Doblas, director del Departamento de Ciencias de la Tierra en el BSC, aclara que un gemelo digital no es solo un simulador, sino que se puede interactuar con él. “Un gemelo digital en realidad es un instrumento para que un usuario interactúe con la reproducción del sistema”, explica. “El concepto de ejemplo digital se ha utilizado en la industria. Por ejemplo, creas un modelo de un coche. Pero el gemelo digital no es solo el modelo del coche, una réplica del coche. Necesitas un sistema de interacción con el modelo. Esa idea de interactividad es crítica en el concepto de gemelo digital, porque eso es lo que distingue a un gemelo digital de un modelo”.

“Por ejemplo, en nuestro caso, tenemos modelos del sistema terrestre de los océanos, los hielos continentales, los cielos marinos, la atmósfera, y la interacción que tienen, por ejemplo, con la química atmosférica, con la química oceánica”, prosigue. “Las compañías que tienen grandes portfolios de parques de energía eólica necesitan la información sobre el viento con unas características específicas con muy alta resolución temporal, en zonas específicas del planeta, a alturas específicas. Lo que queremos hacer es darle la vuelta a esta idea y darles la posibilidad de que ellos formulen sus propios requisitos al sistema del modelo digital y digan, ‘Bueno, pues tengo turbinas a 80, 100 y a 150 metros de altura. Necesito saber el viento no cada seis horas, sino una vez cada 15 minutos’”.

Esta precisión también se extiende al futuro del clima en nuestro planeta: “Lo más habitual es pensar que las predicciones meteorológicas siempre fallan, cuando en realidad las predicciones meteorológicas han ido evolucionando y mejorando enormemente en los últimos 40 años”, indica Doblas. “Para el cambio climático, por ejemplo, para saber cuál es el nivel de calentamiento que alcanzaremos de aquí a 2050, el nivel de precisión que tenemos es relativamente alto, aunque el horizonte temporal es muy lejano. En ese sentido, los distintos escenarios que se han considerado hasta ahora para simular la evolución del calentamiento en el planeta nos indican que alcanzaremos el umbral de 1,5 grados de calentamiento con respecto a niveles preindustriales aproximadamente en la década de 2030. Muy pronto. Y que, en el año 2050, si no reducimos las emisiones de gases de efecto invernadero de una manera ostensible, y en su lugar continuamos con el nivel de emisiones que tenemos en este momento, estaríamos ya muy cerca de los dos grados de calentamiento. No estamos en la peor trayectoria que consideramos hace 20 años, pero sí estamos en una trayectoria que nos lleva hacia un calentamiento que, los propios países, los propios gobiernos, han considerado inaceptable”.

El futuro de la supercomputación

Si hoy tenemos inteligencia artificial, pruebas de ADN, mejores baterías o mejores vacunas, es gracias al avance en la capacidad de los procesadores, que se han convertido en aceleradores del trabajo de los científicos. La miniaturización en la electrónica es la responsable de estos avances, como explica Mateo Valero: “El transistor es sin duda el instrumento que más ha cambiado el mundo, y lo que lo va a cambiar. Porque se habla de la inteligencia artificial, pero si no hay procesadores, no es posible. Hay chips de entre ocho y diez centímetros cuadrados que tienen 200 mil millones de transistores. ¿Y trabajan rápido? Solamente a dos mil millones de veces por segundo. ¡Qué potencia de cálculo! Pero es que además las supercomputadores tienen centenares de miles de esos. El aumento de la capacidad de proceso y de la memoria permite a los investigadores, soñar, atacar problemas que nunca antes podrían haber atacado”.

Este aumento en la potencia de los ordenadores es lo que ha hecho posible los avances vertiginosos de los últimos años. “En el caso del ADN, en el año 2000 no habían podido hacer ni un secuenciador, porque no había tecnología”, comenta Valero. “Era muy lenta y habían gastado 1.000 millones de dólares. Ahora un secuenciador te hace la secuencia de una célula en dos o tres horas y te cuesta 100 euros”.

Tenemos gente de 30 carreras y el 40% es de 55 países. Traemos mucho talento de fuera de España. Así se hace la ciencia.

“La inteligencia artificial, cuando ‘salió del armario’ es cuando hubo datos suficientes y potencia de cálculo, y eso se ha demostrado”, afirma Valero. “Esto permite que, para simular, por ejemplo, el cambio climático, en paralelo con el programa que simula la física, hay un programa de inteligencia artificial que reconoce patrones para guiarlo”. Valero está especialmente orgulloso de la comunidad científica del BSC: «Lo bueno que tiene este centro es que somos de 800 personas. Hay 700 investigadores con cuatro departamentos, un departamento muy grande de Computer Science (hardware, software) y tres verticales de aplicaciones: Ingeniería, Ciencias de la Tierra y Ciencias de la Vida. Porque todo está relacionado. Tenemos gente de 30 carreras y el 40% es de 55 países. Traemos mucho talento de fuera de España. Así se hace la ciencia».

Este ritmo de avances no puede seguir indefinidamente. Los procesadores están alcanzando los límites físicos en su miniaturización. Esto va a provocar cambios asombrosos en los próximos años. «El transistor, gracias a los físicos, continua una batalla de miniaturización que todavía no ha parado», explica Valero. Estamos muy cerca del fin de la famosa ley de Moore. Esto continuará tres o cuatro o cinco o seis años, y llegaremos a un límite. Hay que buscar alternativas. Hay muchas. Una de ellas, que parece mentira, es utilizar el ADN. Por cierto, el ADN está utilizando ahora para almacenar información. Resulta que 175 zetabytes, en discos de 100 terabytes de cinco centímetros, darían dos vueltas a la Tierra. Pues todo eso se puede meter en mil kilos de ADN».

«Tenemos computadores neuromórficos para simular las conexiones de Ramón y Cajal, a la espera de que alguien descubra como funciona una neurona», prosigue Valero, «El gran elefante blanco es la computación cuántica. Hay muy buena gente trabajando, como en cualquier tema. Mentes privilegiadas. Pero tienen un problema serio, sobre todo el del tema de estabilidad. Siempre serán computadores conectados a los supercomputadoras. En el BSC, de nuevo, intentamos ser pioneros. Ya tenemos uno de la serie dos de la Carme Artigas, y nos toca otro computador cuántico analógico de Europa. Entonces tendremos dos computadores cuánticos pequeños. ¿Cuál es el objetivo? El objetivo es permitir a los investigadores e investigadoras españolas que puedan empezar a desarrollar algoritmos cuánticos.

Superordenadores. Inteligencia artificial. Avances exponenciales. En los años 90, el futurólogo Ray Kurzweil pronosticó la singularidad, el momento en el que los ordenadores superarán a los humanos. ¿Ese es el futuro de nuestra especie? Mateo Valero no lo ve tan claro. «En el primer libro ya predijo una cosa que es mentira: que en el año 2020 los super computadores iban a tener más potencia que la mente humana. Bueno, en el año 42 ya tenían más capacidad que la mente humana para hacer números. ¿Para qué más? Para clasificar imágenes, vale, para cosas rutinarias, pero no han demostrado nada. Todavía no ha habido ese punto de explosión en el cual a partir de ahí pasamos a otro mundo y en el que la mayoría de nosotros moriremos porque no nos podremos adaptar. Eso no es verdad».

El futuro de la supercomputación para Valero es mucho más optimista: «Yo creo que, lo que todo el mundo acepta, es que estas máquinas prodigiosas son ayudas a la toma de decisiones, pero que en algunos casos, como en el del coche autónomo digo, ¿por qué me tienen que quitar a mí la pasión por conducir?»

El Mare Nostrum es una instalación singulares al servicio de los investigadores de España, Europa y el resto del mundo. En los próximos años, su capacidad para hacer prodigios no dejará de crecer y asombrarnos.

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