Hoe supercomputers hun stempel drukken op de samenleving

Een supercomputer is niets meer dan een geavanceerd stuk gereedschap, vindt Ingrid Barcena. De Tier 1-projectleidster bij het Vlaams Supercomputer Centrum (VSC) vergelijkt supercomputers met andere tools zoals microscopen. Een supercomputer is hier slechts het krachtigste instrument in een heel arsenaal aan High Performance Computing (HPC)-infrastructuur.

Net zoals een geavanceerde microscoop ons in staat stelt steeds kleinere dingen te zien, laat de evolutie van HPC ons toe steeds complexere berekeningen uit te voeren. Voor de supercomputer en de microscoop geldt dezelfde regel: hoe complexer het toestel, hoe gedetailleerder de uitkomst. Voor het meest geavanceerde werk is een heel ingewikkelde computer nodig, maar ook minder krachtige exemplaren hebben hun nut.

Simulaties

In eerste instantie dient High Performance Computing, en bij uitbreiding supercomputers, voor gedetailleerde simulaties. De onderzoeksectoren die daar dankbaar gebruik van maken, zijn voor de hand liggend. Denk aan de chemie en de farmacie waar moleculen in detail onderzocht worden, of fysica en wiskunde.

Je komt dagelijks in contact met het resultaat van HPC. Frank Deboosere en Jill Peeters halen hun weersvoorspellingen immers uit simulaties die op krachtige computers draaien. De meest geavanceerde systemen hebben het potentieel om meer te voorspellen dan de volgende regenbui. Zo wil professor doctor Stefaan Poedts zonneweer voorspellen. Daartoe ontwikkelt hij ingewikkelde simulaties waarmee hij op termijn wil waarschuwen voor zonnestormen voor het te laat is en ze schade berokkenen. Om dergelijke voorspellingen werkelijkheid te maken, gaat Poedts op dezelfde manier te werk als de klassieke weerdienst: hij draait verschillende complexe simulaties naast elkaar in een poging de toekomst te extrapoleren aan de hand van bestaande modellen en historische data.

“De professor heeft net als vele andere onderzoekers nood aan meer dan één kans om een supercomputer te gebruiken”, weet Van Rentergem. “Vaak kloppen wetenschappers aan bij meerdere supercomputers om verschillende simulaties uit te testen.”

Naast wiskundige simulaties, maakt HPC ook erg gedetailleerde visualisaties mogelijk. Zo is er het accurate dynamische 3D-model van een plantencel uit 2015. In dat model, opgebouwd met een supercomputer, kan je tot op de individuele atomen inzoomen. Barcena’s vergelijking met een microscoop lijkt plots erg toepasselijk.

Ook ontwikkeling en design leunen sterk op de mogelijkheden van krachtige computers. Wagens, vliegtuigen, raketmotoren… Een krachtige computer staat aan de basis van alle nieuwe ontwerpen.

Zelfs computers worden beter van de krachtige computers. Barcena: “Computerkracht verdubbelt al geruime tijd niet meer. Het wordt steeds moeilijker om snellere chips te bouwen. We lopen tegen de limieten van de huidige technologie aan en nieuwe oplossingen zijn nodig. Samen met imec zetten we HPC in om problemen in de bouw van de microchip van de toekomst op te lossen.” Zo bouwen de krachtigste computers van vandaag mee aan hun opvolgers van morgen.

Praktische toepassingen

Supercomputers en hun kleinere broertjes hebben naast puur academische toepassingen ook een praktischer nut. Visualisaties hoeven bijvoorbeeld niet wetenschappelijk te zijn. Grote bedrijven zoals Pixar en Disney hebben zelf HPC-infrastructuur waarmee ze animatiefilms renderen en CGI aan films toevoegen. Erg krachtige computers maken steeds geavanceerdere animaties mogelijk. Voor het renderen van details als de haartjes op een virtuele tijger (bij de nieuwste Jungle Book) heb je een flink HPC-systeem nodig.

Een ander mooi voorbeeld is een gedetailleerde simulatie van het gedrag van wind op een heel specifiek perceel. Ingewikkelde modellen kunnen zo voorspellen of het interessant is voor een energiebedrijf om windmolens te plaatsen op een bepaalde locatie. Andere onderzoekers proberen dan weer de gevolgen van klimaatverandering te voorspellen op het niveau van kleine regio’s of zelfs steden. Van Rentergem: “Hoe gedetailleerder de simulatie, hoe meer rekenkracht er nodig is om een antwoord op een vraag te krijgen.” Het is dus eenvoudiger om windpatronen voor Europa te simuleren dan het gedrag van wind op de Thorntonbank voor de Belgische kust in kaart te brengen.

Kmo’s

Dergelijke simulaties hebben wetenschappelijk nut, maar ze zijn vooral interessant voor bedrijven. Dat zien het VSC en de Belgische overheid ook. Ze willen Vlaamse bedrijven en dan vooral lokale kmo’s bij High Performance Computing betrekken. “HPC heeft toepassingen ver buiten de klassieke velden.” Barcena illustreert met een tekenend voorbeeld. “Verpakkingen en producten worden geoptimaliseerd met krachtige computers. Wist je bijvoorbeeld dat de vorm van Pringles door een computer bepaald is?” Een krachtige computer optimaliseerde de vorm van de chips in combinatie met de verpakking voor optimale efficiëntie. Een interessante bijwerking van die optimalisatie was een onvoorzien probleem: vroege incarnaties van de chips waren zo aerodynamisch dat ze van de productieband vlogen.

Annemie Depuydt, directeur van het ICTS dat de HPC-infrastructuur van de KU Leuven huisvest, denkt dat een grotere bewustmaking rond de mogelijkheden van HPC alleen maar voordelen kan hebben voor Vlaanderen. “We willen kmo’s overtuigen dat High Performance Computing hen een concurrentieel voordeel kan geven. Zelf zullen ze er beter van worden, terwijl de Vlaamse industrie unieke ervaring opdoet in het parallelliseren van problemen voor HPC-oplossingen. Een dergelijke niche kan onze regio op internationaal vlak een streepje voor geven.”