Supercálculos para la ciencia española

¿Puede una gran instalación de supercomputación acelerar la actividad científica de un país como España? Tras casi tres años en servicio, el supercomputador Mare Nostrum del Barcelona Supercomputing Center/Centro Nacional de Supercomputación (BSC) ha permitido desarrollar 400 proyectos científicos de diversa índole.

'Mare Nostrum' ha bajado del cuarto al noveno puesto mundial

Un comité de expertos selecciona los proyectos que usarán la máquina

Pronostica la contaminación atmosférica en España

Preparan un supercomputador 100 veces más potente

¿Para qué sirve este gigante de metal y silicio que ha invadido una antigua capilla de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC)? Gracias a su gran capacidad de cálculo, los científicos, desde sus centros de investigación, pueden realizar complejas simulaciones. Se estudia desde el funcionamiento del corazón de un paciente a la formación del universo, la forma tridimensional que pueden adquirir las proteínas o el pronóstico de la contaminación atmosférica en Europa.

Inaugurado en julio de 2005, Mare Nostrum ha sido impulsado y es gestionado por un consorcio formado por el Ministerio de Educación y Ciencia, la Generalitat de Cataluña y la UPC, que corren con todos los gastos. "Por vez primera, los científicos españoles pueden acceder a una gran capacidad de cálculo informático como herramienta para investigar sin tener que recurrir, con grandes dificultades, a equipos en el extranjero", afirma Francesc Subirada, director adjunto del BSC.

Grandes compañías como IBM, que proporciona la tecnología de la máquina, y Microsoft han apostado por desarrollar la supercomputación del futuro en España con investigadores del BSC. De rebote, se ha atraído talento: 180 investigadores de 23 países trabajan en el centro e incluso algunas compañías como Repsol, Airbus y Gas Natural contratan los recursos.

Cuando se estrenó, en mayo de 2005, Mare Nostrum era la cuarta máquina más rápida del planeta; ahora sólo es la novena, a pesar de duplicar su potencia con 10.240 nuevos chips en noviembre de 2006 hasta los 94,21 teraflops (94,21 billones de cálculos por segundo). Los 4.812 chips antiguos se reciclaron y se repartieron en cinco nuevos supercomputadores de menor potencia que se instalaron en el CeSViMa (Centro de Supercomputación y Visualización de Madrid), el Instituto de Astrofísica de Canarias y las Universidades de Cantabria, Málaga y Zaragoza, que, sumados al Mare Nostrum constituyen la Red Española de Supercomputación (RES).

Algunas voces critican los supercomputadores porque son muy caros comparados con las redes Grid, en las que miles de equipos, desde PC a grandes ordenadores, ofrecen parte de su tiempo para calcular independientemente y luego volcar los resultados vía Internet. Sin embargo, no pueden trabajar al mismo tiempo como los miles de chips de un supercomputador. "Aplicaciones de gran complejidad que exigen resolver un gran número de variables, como el estudio de proteínas, sólo son factibles de simular en supercomputadores", asegura Subirada.

Las instalaciones de la RES trabajan prácticamente las 24 horas de los 365 días del año. Cada cuatrimestre, un comité de 44 expertos selecciona los mejores proyectos científicos que usarán alguna de las máquinas. Por ejemplo, en el periodo que va de octubre de 2007 a enero de 2008 se asignaron un total de 20 millones de horas de computación a 87 proyectos de investigación.

El grupo de Javier Jiménez Sendín, de la Universidad Politécnica de Madrid, ha estudiado durante más de tres años en el Mare Nostrum la turbulencia en la capa límite que se desarrolla a una distancia de un milímetro de la superficie del ala de un avión. Ha trabajado para Airbus para encontrar la mejor manera de pintar la superficie del ala, "de forma que la resistencia de las fibras que estarían alineadas con el flujo de aire se reduzca alrededor del 10% y permita un ahorro de combustible del 6%, y por tanto una menor contaminación". Este modelo informático está siendo utilizado actualmente por numerosos investigadores. Ahora quieren simular los flujos de aire más alejados de la pared del avión. "En cinco años", espera Jiménez Sendín, "debemos ser capaces de calcular la capa límite de un avión completo con una resolución lógica, sin ninguna aproximación".

Carme Rovira, investigadora del Parque Científico de Barcelona, trabaja en la simulación cuántica de procesos biológicos en los que se forman o rompen enlaces químicos. "Con el Mare Nostrum tratamos de entender el mecanismo de acción de fármacos contra la tuberculosis como la isoniazida (INH), que a veces no es efectiva debido a las mutaciones en el gen que codifica la enzima catalasa-peroxidasa, que activa el fármaco, lo que da lugar a casos de tuberculosis resistente". En colaboración con científicos de los institutos de Biología Molecular y de Investigación Biomédica de Barcelona y de la Universidad de Manitoba (Canadá) se espera poder diseñar nuevos fármacos y variantes de la enzima.

Científicos del programa conjunto de investigación en biología computacional del BSC y el Instituto de Investigación Biomédica y del Instituto Nacional de Bioinformática han determinado la existencia de un código, hasta ahora oculto, que juega un papel clave en la regulación de la expresión génica, afirma el investigador Modesto Orozco.

El investigador y fundador del Instituto de Tecnología Química de Valencia, Avelino Corma, trabaja con el Mare Nostrum en la simulación de estructuras de nanopartículas de óxidos metálicos para rediseñar materiales a los que proporcionar nuevos comportamientos catalizadores. Estas investigaciones pueden tener implicaciones en el desarrollo de productos farmacéuticos, explica Corma.

El Instituto de Investigaciones Biomédicas en Barcelona estudia por medio de modelos computacionales de qué forma las redes neuronales en la corteza cortical estarían conectadas para desarrollar una tarea concreta, tarea que realiza la denominada memoria de trabajo. Tras 500.000 horas de cálculos han simulado 2.000 redes neuronales y mediante algoritmos genéticos propios se ha obtenido una veintena de redes de neuronas que podrían ser la base de la función de la memoria de trabajo, explica el investigador Albert Compte. "Pueden ser pistas para que otros científicos traten de solucionar disfunciones en la memoria de trabajo, que está asociada tanto a un elevado nivel de inteligencia como a la esquizofrenia", explica.

Gustavo Yepes, de la Universidad Autónoma de Madrid, simula en Mare Nostrum la formación y la evolución de galaxias, cúmulos de galaxias, supercúmulos de galaxias, regiones vacias de galaxias, etc... en diferentes volumenes cúbicos de entre 150 millones de años luz y 1.500 millones de años luz de lado. Uno de sus actuales retos es el estudio de la formación de las primeras galaxias en el Universo, cuando éste tenía menos de 1.000 millones de años de vida.

Mare Nostrum aún tendrá una nueva ampliación, antes de la llegada del futuro supercomputador Mare Incognito, hacia 2011, una máquina con 100.000 procesadores de nueva generación y una velocidad de cálculo de 10 petaflops, 100 veces más potente que el actual equipo. IBM ha llegado a un acuerdo con el BSC para desarrollar la nueva máquina, en la que invierte cinco millones de euros.

Un equipo de 40 investigadores del BSC, liderados por Jesús Labarta, trabaja en el desarrollo del nuevo ordenador para que las aplicaciones científicas puedan funcionar con ese elevado número de chips. También deberán reducir el consumo energético del nuevo: Mare Nostrum engulle 10 megavatios a la hora, lo que cuesta 1,2 millones de euros al año.