RICERCA ITALIANA     

Scienza e Applicazioni di Paradigmi Computazionali Avanzati

Abstract

I paradigmi di computazione avanzati sono essenziali per estendere le frontiere della nostra capacità di elaborare le informazioni in numerosi settori della società contemporanea. Su questo tema, il centro proposto mira a promuovere ricerca, formazione e relazioni con strutture produttive, integrando e condividendo esperienze di varie discipline con una forte componente computazionale.

Scientificamente, il centro perseguirà l'approfondimento dei paradigmi architetturali e algoritmici dalla prospettiva generale dell'informatica e l'applicazione di tali paradigmi a problemi che sorgono in astronomia, ingegneria strutturale e fisica sperimentale. Le applicazioni astronomiche e di ingegneria strutturale si basano principalmente sui paradigmi algoritmici delle differenze finite e degli elementi finiti per risolvere equazioni differenziali, che sono efficentemente risolte da macchine multiprocessore ad accoppiamento stretto. Le applicazioni fisiche considerate in questa proposta sono invece motivate dalla necessità di manipolare enormi quantità di dati sperimentali: i paradigmi algoritmici rilevanti sono quelli tipici delle basi di dati, del data mining e del recupero delle informazioni; l'architettura più appropriata sembra essere il cluster di microprocessori. Attenzione particolare sarà dedicata ai temi che concettualmente unificano i paradigmi architetturali e i domini delle applicazioni, come lo studio dello spettro tra macchine general-purpose e special-purpose e tra software portabile e machine-specific. Si considereranno anche da vicino approcci, come il paradigma di griglia computazionale emerso recentemente, mirati a coordinare l'uso delle risorse computazionali su scala globale.

Le applicazioni della ricerca proposta sono innumerevoli. Nell'industria informatica, i risultati possono influnenzare sia il progetto di piattaforme ad alte prestazioni sia lo sviluppo di software efficiente. In astronomia, l'approccio computazionale metterà in luce nuovi aspetti della struttura e della storia dell'universo. Gli studi dell'ingegneria strutturale, sulla fisica dei mezzi porosi, interesseranno numerosi settori quali la conservazione ambientale (rischi idrogeologici, impatto dell'estrazione di fluidi dalle riserve), la produzione di energia (comportamento delle dighe), la sicurezza dei trasporti (comportamento dei materiali sottoposti al fuoco, p.e., in un tunnel), lo sviluppo di dispositivi biomedici (comportamento dei materiali biologici). Le applicazioni della fisica perseguite all'interno del centro saranno inserite in più vasti progetti regionali e globali per la gestione dei dati prodotti dagli esperimenti condotti al Large Hadron Collider del CERN. Le soluzioni tecnologiche emergenti in questo contesto hanno notevole potenziale di condurre allo sviluppo di applicazioni significative in altri domini, come nel caso del world wide web, originariamente sviluppato al CERN.

Sebbene molte delle linee di ricerca citate siano già attivamente perseguite dai gruppi propopenti, la costituzione del centro porterà benefici sostanziali: (a) la realizzazione di un laboratorio di computazione avanzata con notevole miglioramento dell'applicabilità dei risultati teorici; (b) la sinergia tra gruppi differenti e la definizione di progetti comuni, a cui saranno dedicate la maggior parte delle posizioni del centro; (c) l'avvio, con la cooperazione e le risorse addizionali di altre organizzazioni interessate, di iniziative di formazione; (d) la definizione di un ambito che favorisca la crescita di un già significativo numero di relazioni tra ricercatori del centro e varie organizzazioni produttive. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Relazioni Internazionali

STRUTTURE di RICERCA

Recentemente, le varie unita' proponenti hanno collaborato attivamente con molte istituzioni di ricerca nazionali ed estere, che vengono elencate di seguito.

Astronomia: Universita' di Torino e Roma Tor Vergata; Osservatori of Bologna, Padova e Milano-Merate; SISSA di Trieste; centro di supercalcolo del CINECA di Bologna; Max-Planck-Institute di Garching (Germania); Institute of Astrophysics di Parigi (Francia); Fermilab di Chicago (USA); European Southern Observatory di Garching (Germania); Royal Observatory di Edimburgo (Regno Unito); Universita' di Nottingham (Regno Unito); Universita' del Kansas (USA).

Fisica: Sono state attivate molte collaborazioni sia attraverso l' Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) che attraverso il CERN.

Informatica: Universita' di Pisa, Roma La Sapienza, Roma Tor Vergata, e Roma III; Istituto di Matematica Computazionale, CNR, Pisa; INFN, Pisa; CINECA, Bologna; Brown University (USA); Cornell University (USA); Oxford University (UK); University of California at Irvine (UK); University of Cork (IR); University of Glashgow (UK); University of Texas A&M (USA); IBM Research (USA); Akamai (USA).

Ingegneria Strutturale: Politecnico di Milano, Politecnico di Torino, Universita' di Genova, Milano, Palermo, Trieste e Trento; ENEA, Roma; CSIC (Spagna); VTT (Svezia); Universita' di Bruxelles, Lingby, Berlino, Atene, Jyvakyla, Eindhoven, Stoccarda; Universidad Politecnica de Catalunya; Universita' del Galles di Cardiff; CIMNE (Spagna).

STRUTTURE PRODUTTIVE.

In primo luogo, vengono descritte alcune collaborazioni gia' attive con organizzazioni produttive che potrebbero giocare un ruolo chiave nelle attivita' specifiche del centro. Di seguito, si discutera' brevemente il potenziale offerto dal centro per lo sviluppo di nuove collaborazioni.

IBM. E' stata recentemente stabilita una fruttuosa cooperazione con IBM. Nel 1999, G. Bilardi ha trascorso parecchi mesi all' IBM T. J. Watson Research Center, sviluppando due linee principali di collaborazione. La prima attivita' riguarda la modellizzazione e l'ottimizzazione delle prestazioni del sistema di memoria della prossima generazione di multiprocessori commerciali. La seconda linea di attivita' e' relativa al progetto Blue Gene, lanciato nel dicembre scorso e finanziato internamente da IBM con cento milioni di dollari, per la costruzione, entro il 2004, di un computer con un milione di processori. Il progetto Blue Gene si propone di elevare le capacita' computazionali dei piu' potenti sistemi di calcolo attualmente disponibili di ben tre ordini di grandezza, e rappresenta quindi un progetto di dimensioni gigantesche nei campi dell'informatica e dell'ingegneria. Con alta probabilita' Blue Gene restera' l'unico progetto di tale calibro a essere intrapreso nel prossimo futuro. Inoltre, i problemi di inviluppo delle proteine che Blue Gene e' destinato a risolvere sono di cruciale importanza per molte applicazioni mediche e farmacologiche basate sulle informazioni appena rese disponibili dal Progetto Genoma. Oltre alle collaborazioni scientifiche citate sopra, IBM Italia ha recentemente espresso un forte interesse in attivita' di formazione avanzata sulle aree tematiche trattate nel centro.

CINECA. La collaborazione con il CINECA e' attiva su numerose linee, tra le quali alcuni progetti di ricerca congiunti e l'utilizzo dei sistemi CINECA di supercalcolo. Gli informatici di Padova sono coinvolti in un forum di discussione con il CINECA e altre Universita', teso, tra l'altro, a coordinare la crescita di sistemi di calcolo avanzati in varie locazioni del paese, a eseguire valutazioni congiunte delle nuove tecnologie, a pianificare un migliore uso delle risorse di calcolo esistenti e a ridurne i costi. Il CINECA e' inoltre interessato a contribuire a iniziative di formazione nel campo del calcolo ad alte prestazioni.

PARTNERS INDUSTRIALI in PROGETTI EUROPEI. Le seguenti aziende sono partners di vari progetti dell'unione europea cui partecipa anche l'unita` di ingegneria strutturale: Aalborg, Portland; Ind. Math. Institute di Linz; Partek, Helsinki; Metalogenia (Spagna); Liebherr (Germania); Boskalis (Paesi Bassi); Engin Soft (Italia); Quantech (Spagna); Rockfields (Regno Unito); NAFEMS (Regno Unito).

ENEL. E' attiva una collaborazione tra l'ENEL e l'unita' di ingegneria strutturale, su temi di controllo delle dighe.

AGIP/ENI. E' attiva una collaborazione tra l'ENI e l'unita' di ingegneria strutturale, sulla modellizzazione della sussidenza con applicazioni alle riserve perolifere.

AUTOSTRADE DEL BRENNERO. E' in fase di finalizzazione una collaborazione con l'unita' di ingegneria strutturale per studiare il comportamento dei tunnel in caso di incendi.

INDUSTRIA BIOMECCANICA Sono attivi progetti e collaborazioni con le ditte Orotig srl (Italia) e Dental Trey srl (Italia).

Le attivita' di ricerca pianificate per il centro sono di considerevole interesse per vari settori di produzione e, nel tempo, potrebbero condurre allo sviluppo di un largo spettro di relazioni. La componente informatica della ricerca si concentrera' su problemi che sono di centrale importanza per i produttori di hardware e software parallelo, un mercato destinato a una crescita sostanziale a causa della saturazione dell'evoluzione delle architetture basate su singolo microprocessore. La ricerca motivata dai problemi di fisica su larga scala potrebbe condurre a sviluppi interessanti per molte organizzazioni pubbliche e private che hanno bisogno di gestire enormi quantita' di dati e renderli accessibili a un grosso numero di agenti cooperanti; parecchie compagnie europee hanno gia' espresso il loro interesse a partecipare a progetti, correntemente in fase di definizione all'interno del V Programma Quadro dell'Unione Europea, per sviluppare il paradigma a griglia. Le ricerche di ingegneria strutturale hanno ulteriori applicazioni in numerose aree, oltre a quelle gia' menzionate sopra: valutazione dei rischi idrogeologici e sismici, di interesse per le agenzie territoriali; immagazzinamento di scorie nucleari, di interesse per le istituzioni pubbliche e per l'industria energetica; applicazioni nel campo dei beni culturali e infine per lo sviluppo di apparecchiature biomeccaniche. I codici numerici sviluppati dall'unita' di astronomia per lo studio dell'evoluzione dei fluidi in tre dimensioni possono essere adattati con sforzo ragionevole per la risoluzione di problemi di turbolenza dei fluidi, aerodinamica, dinamica degli oceani e vulcanologia, tutti campi che hanno applicazioni sia civili che industriali. <<<

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il calcolo e' il processo tramite il quale certa informazione disponibile e' rielaborata in una forma adatta all'uso. In quanto tale, il calcolo gioca un ruolo centrale per molti aspetti della Societa' dell'Informazione. Nonostante il progresso straordinario delle tecnologie di calcolo, misurabile in quasi 10 ordini di grandezza in circa mezzo secolo, esistono ancora domini applicativi dove ulteriori avanzamenti necessitano di nuovi paradigmi algoritmici e architetturali per elaborare l'informazione di interesse. Ad esempio, nel 1993 il Comitato di Fisica, Matematica e Ingegneria del US Federal Office of Science and Technology Policy ha identificato alcune ``Grandi Sfide Computazionali'', che sono tuttora appena approcciabili con i piu' potenti computer, con prestazioni di un Teraflops e memoria di un Terabyte. Le grandi sfide riguardano: meteorologia, genoma umano, turbolenza dei fluidi, dinamica dei fluidi e dei veicoli, circolazione degli oceani, modellistica per superconduttori, quanto-cromo dinamica, e visione artificiale. Questi domini sono di notevole importanza non solo per il progresso delle scienze di base ma anche per le numerose applicazioni in aree quali l'ingegneria e la medicina. Recentemente, con l'esplosione di Internet, si sono rese disponibili elettronicamente enormi quantita' di dati; nuove sfide computazionali stanno quindi emergendo dall'opportunita' di cercare e identificare pattern in una tale massa di dati. La vittoria di queste sfide rendera' possibili molte applicazioni nuove, soprattutto in campo economico.

In questo contesto, l'obiettivo generale del centro e' di realizzare una stretta cooperazione tra ricercatori di varie discipline, sviluppare paradigmi architetturali e algoritmici avanzati e realizzare applicazioni di punta in diverse aree ingegneristiche e scientifiche. A lungo termine, il centro fornira' metodologie e tecnologie che, una volta raggiunto un sufficiente livello di maturita', verranno rese disponibili alla societa' intera, con applicazioni in innumerevoli aspetti della vita sociale, come sta accadendo per molte delle tecnologie maturate nell'ultima decade.

Obiettivi piu' specifici:

1. Creare nell'Universita' un laboratorio dotato di sistemi di calcolo ad alte prestazioni di vario tipo, che inizialmente includerebbe multiprocessori e cluster di computer con adeguati strumenti software e di prestazioni. Il laboratorio renderebbe possibile un sostanziale potenziamento della componente sperimentale nelle attivita' di ricerca dei gruppi coinvolti, con notevole beneficio per l'applicabilita` dei risultati.

2. Creare un forum per la collaborazione scientifica tra informatica e altre aree delle scienze e dell'ingegneria. Dalla collaborazione ci si aspettano i seguenti benefici:

(a) Condivisione di risorse intellettuali e finanziarie per raggiungere la massa critica necessaria per giustificare il costo delle attrezzature e dei programmi di formazione.

(b) Disponibilita' di un ambiente per trasferire piu' velocemente ed efficacemente i progressi nell'informatica ad altre discipline

(c) Disponibilita' di un ambiente tramite cui altre discipline possano indicare all'informatica i paradigmi computazionali e i risultati teorici rilevanti per importanti applicazioni.

3. Studiare diversi aspetti fondamentali riguardanti l'universalita' di paradigmi architetturali e la portabilita' di paradigmi algoritmici. I paradigmi architetturali riguarderanno il calcolo su multiprocessori ad accoppiamento stretto, su cluster e su piattaforme special-purpose. Quelli algoritmici includeranno diversi metodi di risoluzione di equazioni differenziali (differenze finite, elementi finiti e Monte Carlo) nonche' diverse tecniche di information retrieval, data management e data mining. Verra' inoltre considerato il recente paradigma a griglia, che combina aspetti sia algoritmici che architetturali.

4. Sviluppare soluzioni con prestazioni nettamente migliori di quelle al momento disponibili per numerose importanti applicazioni scientifiche e ingegneristiche, che richiedono elevata potenza di calcolo e/o capacita' di memoria. Aree di particolare interesse includeranno la fisica dei mezzi porosi (per applicazioni allo studio di incendi nei tunnel, della durata di geomateriali, di rischi idro-geologici, di fenomeni sismici, del comportamento biomedico di materiali biologici), la cosmologia (per applicazioni allo studio della formazione ed evoluzione di strutture cosmiche e alla descrizione della struttura dell'universo), e la fisica sperimentale delle alte energie (per applicazioni all'elaborazione di grandi quantita' di dati, come le migliaia di terabyte prodotti dal Large Hadron Collider al CERN).

5. Contribuire alla creazione di un programma di formazione post-laurea sulle tematiche del centro, per formare esperti che combinino conoscenze in una delle discipline dove il calcolo avanzato gioca un ruolo centrale (incluse, ma non limitate a, quelle oggetto di ricerca del centro) con una solida formazione nella scienza e nelle applicazioni di frontiera dei paradigmi di calcolo.

Organizzazione. Il centro sara' organizzato in quattro unita' di ricerca, che riflettono a grandi linee le principali discipline coinvolte: Astronomia, Fisica, Informatica, e Ingegneria Strutturale. Il centro sara' diretto da un ristretto consiglio che comprenda un rappresentante per ogni unita'.

Il consiglio del centro coordinera' e controllera' l'avanzamento della ricerca e delle attivita' formative del centro e, in particolare, supervisionera' lo sviluppo e il funzionamento del laboratorio di calcolo avanzato. Il consiglio decidera' inoltre le strategie di lungo termine per la continuazione e l'evoluzione delle attivita' del centro oltre l'iniziale triennio finanziato.

Un obiettivo chiave del centro sara' quello di promuovere sinergie tra le diverse unita'. Le attivita' congiunte includeranno l'organizzazione di workshop, la definizione di contratti di ricerca per scienziati, a vari livelli di anzianita', che abbraccino due o piu' unita', e la supervisione di tesi di dottorato e di laurea interdisciplinari. <<<