Dott. Simone Meloni@. Gruppo di Scienza dei Materiali e Finanza Computazionale. CASPUR
Un approccio europeo al software scientifico
sede di via dei Tizii e presso l’Accademia dei Lincei. Oltre ai rappresentanti dei maggiori centri di supercomputing europei e dei principali costruttori di computer, ai workshop hanno partecipato più di duecento ricercatori in diverse discipline scientifiche, dalla Scienza dei Materiali all’Astrofisica, dalla Fluidodinamica alla Biologia, dalla Chimica alla Climatologia. Parallelamente, attraverso il web, sono stati intervistati i responsabili dei maggiori software applicativi scientifici nelle discipline considerate.
Da quest’indagine è emerso che il principale fattore tecnico che limita lo sviluppo delle scienze computazionali è la man-canza di un’infrastruttura per il disegno, l’implementazione, la manutenzione ed il supporto del software applicativo scien-tifico e la standardizzazione ed il management di dati teorici e sperimentali. Infatti, oggi il maggior impulso all’avanzamento delle scienze computazionali viene dalla disponibilità di codici per le simulazioni piuttosto che dalle performance di picco dei supercomputer. Sfortunatamente però i codici sono spesso sviluppati dalla comunità scientifica stessa, nella maggior par-te dei casi in modo “artigianale”. Questo modello di sviluppo conferisce al software una grande “modernità scientifica”, ma spesso anche un’inadeguatezza informatica: il software così sviluppato “invecchia” molto rapidamente, imponendo frequenti e profonde ristrutturazioni.
A partire dagli anni ’70, la rapida affermazione delle scienze computazionali ha indotto gli stati nazionali, i governi so-vranazionali o le istituzioni federali europee e statunitensi a dotare i propri ricercatori di infrastrutture dedicate al calcolo scientifico. Nella maggior parte dei casi, tali infrastrutture sono state dotate di facility per il calcolo ad alte prestazioni che consentissero ai ricercatori di svolgere i calcoli non alla portata dei sistemi disponibili nel proprio dipartimento. As-sieme all’accesso ai supercomputer, la comunità scientifica ha potuto disporre anche del supporto per il porting delle più dif-fuse applicazioni scientifiche su queste macchine e, in alcuni casi, è stata offerta anche la competenza specifica necessaria per l’ottimizzazione dei codici per il particolare supercompu-ter in dotazione all’infrastruttura stessa.
Oggi ci si domanda se questa tipologia di infrastruttura sia sufficiente per supportare la ricerca computazionale futura; a tal proposito, a partire dalla metà del 2006, la European Science Foundation (ESF) ha promosso un’indagine intitolata “Forward Look on European Computational Science”1 ed
alcune istituzioni scientifiche e tecniche europee, tra cui il CASPUR, stanno collaborando e finanziando questo studio. In un anno e mezzo di attività sono stati organizzati 12 workshop, quattro dei quali organizzati dal CASPUR presso la
1 Tutte le informazioni sono disponibili sul sito ufficiale del Forward Look all’indirizzo https://cyberinfrastructure.caspur.it
26
E’ importante notare che mentre la realizzazione di una versione iniziale di un software che implementi un metodo o un modello è parte integrante del lavoro scientifico, la sua ge-neralizzazione ed inclusione in codici di comunità è un’attività puramente tecnica che, per quanto detto in precedenza, non è proficuo far svolgere ai ricercatori stessi.
L’infrastruttura proposta dal Forward Look, in linea anche con quanto suggerito da un rapporto PITAC2, è basata su quattro
pilastri: standardizzazione di dati e procedure, sviluppo e man-tenimento (manutenzione) di archivi elettronici e software applicativo scientifico, disseminazione e supporto del software, trasferimento tecnologico verso la società e le imprese private. Analizziamo ora i vari elementi dell’infrastruttura. La stan-dardizzazione servirà come base per lo sviluppo di software modulare ed interoperabile, che dovrà essere anche in grado di usare basi di dati sperimentali. L’adozione di questi standard permetterà di poter facilmente combinare tra loro i moduli degli archivi elettronici per ottenere dei codici che risolvano specifici problemi applicativi, anche multi scala ed interdisci-plinari. Questi moduli, che saranno sviluppati a partire dal software esistente, dovranno essere implementati in modo efficiente e robusto; dovrà anche essere possibile utilizzarli in modo trasparente, ossia senza che altro codice col quale saranno combinati debba dipendere dalla loro specifica im-plementazione. Ciò permetterà di rendere indipendenti i vari livelli software dalla specifica implementazione di un modulo, che potrà essere quindi ottimizzata per una data macchina; in questo modo, in pratica, si limiterà il problema della prematura obsolescenza del software. Sarà anche necessario predisporre un adeguato servizio di training e supporto agli utenti, elemen-to divenuelemen-to particolarmente importante negli ultimi anni a causa del crescente interesse verso le simulazioni e la modelli-stica numerica da parte di ricercatori sperimentali. Infine, per rispondere al crescente interesse delle imprese private verso l’adozione dei metodi computazionali, andrà anche predisposta una struttura di supporto che possa soddisfare le esigenze di rapidità, affidabilità e riservatezza tipiche della ricerca indu-striale. Vale la pena sottolineare come questa struttura sia in linea con i principi espressi nell’Agenda di Lisbona3.
Altro aspetto chiave è quello della licenze del software: una licenza di tipo open source sembra essere un elemento chiave per permettere il contributo libero dei ricercatori allo sviluppo metodologico e alla sua divulgazione. Fra l’altro, le principali licenze di tipo open source non proibiscono di sviluppare parallelamente un mercato di servizi offerti a pagamento, ad esempio verso il settore industriale. Esempi di questo tipo esistono già ora in diversi settori, tra cui l’ingegneria e la meteorologia.
La governance di tale infrastruttura andrà attribuita alla comunità scientifica, che sarà responsabile di individuare le direzioni di sviluppo e di stabilire le priorità. Analoghe conclu-sioni sono state raggiunte dal gruppo di lavoro HET4, un forum
che ha discusso quali dovessero essere le politiche europee per l’HPC da realizzare nel 7° Programma Quadro.
Sarà anche necessario tenere in stretto contatto il gruppo di
sviluppatori con la comunità scientifica. Le esperienze fatte nella Climatologia e nella Fisica delle Particelle Elementari, dove esistono istituzioni nazionali ed europee fortemente foca-lizzate su specifici problemi scientifici, hanno dimostrato che, istituendo team di sviluppo che lavorino in stretto contatto con i ricercatori, è possibile raggiungere il doppio obiettivo di sviluppare software adeguato e moderno, sia sotto il profilo scientifico sia sotto quello informatico.
Una tale infrastruttura dovrà essere necessariamente di dimensione paneuropea, visto che la ricerca è già organizzata su questa scala, e dovrà sapersi confrontare ed integrare con analoghe iniziative che vanno stabilendosi negli Stati Uniti5,6
ed in Asia.
Un primo tentativo di implementazione di queste raccoman-dazioni, descritte in modo più esteso e dettagliato nel report preliminare di questo Forward Look, è costituito dal CE-CAM++, uno sviluppo dell’attuale CECAM (Centre Européen de Calcul Atomique et Moléculaire). Nella sua rinnovata missione, il CECAM++ si propone come centro di coordinamento europeo delle scienze atomistiche e molecolari computazionali, non solo negli aspetti più squisitamente scientifici e di formazione, ma anche di tutte le attività tecnico-infrastrutturali necessa-rie per lo svolgimento efficiente di simulazioni atomistiche e molecolari. In particolare, CECAM++ si propone di sviluppare e promuovere l’adozione di standard per dati e archivi elettroni-ci e di coordinare lo sviluppo, la manutenzione, la dissemina-zione e il supporto di codici scientifici.
Nel progetto CECAM++ si immagina che i centri di supercalco-lo europei, estendendo il supercalco-loro attuale mandato, possano rappre-sentare i centri di competenza tecnica responsabili del disegno e dell’implementazione dei vari moduli degli archivi elettronici e dei software secondo le priorità identificate dal CECAM++. Per accelerare la realizzazione di questo disegno è stato sottoposto all’ESFRI (European Strategy Forum on Research Infrastructures) un progetto per finanziare la realizzazione dell’infrastruttura che è stata qui descritta, all’interno del 7° Programma Quadro.
Il CASPUR ha partecipato alla stesura di tale progetto e ne risulta uno dei proponenti. Nel progetto si immagina di costrui-re un’infrastruttura federata costituita da un nodo centrale presso la sede generale del CECAM++ a Losanna, al quale si affianchino nodi periferici istituiti nelle altre nazioni europee. I siti periferici saranno caratterizzati da specifici temi di ricerca distinti per sistemi, processi, modelli e/o metodi. Tali siti avranno la responsabilità della realizzazione dei moduli che li implementano. Il CASPUR e l’Università “Sapienza” stanno promuovendo un’azione per l’istituzione di un nodo Italiano a Roma.
In conclusione, per supportare l’evoluzione delle scienze com-putazionali è necessario un cambiamento dell’attuale infra-struttura per il calcolo scientifico in una direzione orientata allo sviluppo e il supporto del software. Il CASPUR ha contri-buito a definire l’architettura di quest’infrastruttura e sta partecipando alla sua realizzazione nel settore delle scienze atomistiche e molecolari.
2 PITAC report on “Computational Science: Ensuring America’s Competitivness” 3 http://europa.eu/scadplus/leg/it/cha/c10241.htm
4 http://www.hpcineuropetaskforce.eu/
5 National Science Foundation’s Office of Cyberinfrastructure 6 Department of Energy’s SCIDAC Programme
