In attesa del Grid: dal monitoraggio della Terra alla scoperta di buchi neri

In un’epoca nella quale i gruppi di ricerca che lavorano sui maggiori problemi scientifici del nostro tempo – dai modelli climatici alla biologia molecolare, alla fisica delle alte energie - sono più numerosi e geograficamente dispersi che mai, il Grid offre una valida prospettiva per rafforzare le collaborazioni a distanza, formando organizzazioni virtuali che sono in grado di lavorare in remoto, condividendo dati, strumenti e risorse.

L’occasione per fare il punto sullo sviluppo del Grid in chiave europea è stato il workshop “Grid e la collaborazione a distanza per la comunità spaziale”, che si è recentemente tenuto nella sede italiana dell’ESA, ESRIN, presso Frascati. Nel corso delle due giornate di workshop, circa 40 tra ricercatori e rappresentanti delle industrie hanno discusso gli aspetti scientifici e industriali delle applicazioni del Grid, con un occhio non solo ai sistemi attuali, ma anche al probabile sviluppo futuro del calcolo condiviso.

Ed ESRIN ha rappresentato lo scenario ideale del dibattito, visto che lo stabilimento ha come suo compito principale l’archiviazione e la distribuzione di dati di osservazione della Terra, compito che diventa giorno dopo giorno sempre più impegnativo. Solo per fare un esempio, nei primi tre anni della sua vita operativa, il satellite Envisat ha generato un archivio di oltre due milioni di gigabyte (ovvero due petabyte), una quantità sufficiente di informazioni da riempire 20 milioni di casellari. Ed è stata proprio la necessità di rendere maneggevole questa messe di dati e di metterla a disposizione degli utenti che ha spinto ESRIN a rivolgersi alla tecnologia di calcolo condiviso, il Grid appunto.

"Abbiamo inaugurato un servizio di Grid-on-demand dedicato all’osservazione della Terra, basandoci sulla nostra rete locale," spiega l’organizzatore del workshop Luigi Fusco (ESA/ESRIN). "Da questo sito gli utenti possono accedere a grandi volumi di dati di osservazioni delle Terra. Possono analizzarli facilmente, includendo nuovi algoritmi appositamente sviluppati per ricavarne i migliori risultati. E il tutto ad alta velocità."

Fino a oggi le applicazioni hanno riguardato la realizzazione di mosaici per il monitoraggio su scala mensile della concentrazione di clorofilla a livello planetario e per il tracciamento degli spostamenti degli iceberg nelle regioni polari.

All’ESA non è solo il concetto di tecnica di calcolo condiviso a interessare: molto concretamente il Grid è visto anche come metodo per realizzare corsi comuni per lo staff dei vari direttorati interni e dei diversi stabilimenti dell’Agenzia. Come esempio pratico, i gruppi interessati hanno partecipato in remoto al workshop sul Grid dalla sede olandese dell’ESA, ESTEC, da quella tedesca, ESOC e dall’Università di Madrid, utilizzando un software (ISABEL) compatibile con il Grid stesso.

ESRIN partecipa anche al progetto Megalab, recentemente annunciato. Megalab sta per Metropolitan e-Government Application Laboratori, ed è un’iniziativa della Regione Lazio che mira a stabilire un link informatico ad alta velocità tra il centro di Roma e Frascati, mettendo in rete i numerosi enti di ricerca e dando vita a un "network metropolitano" (MAN, Metropolitan Area Network). La rete metropolitana è un modo per dare impulso alla competitività regionale e per offrire servizi innovativi sia alla scienza che al mercato degli affari.

Le Grids: le reti

Il principio alla base del calcolo condiviso Grid è piuttosto semplice: una batteria di calcolatori fanno meglio e più velocemente qualsiasi cosa che un singolo computer possa fare da solo. I membri della batteria di computer non devono necessariamente essere nello stesso edificio. E neppure nello stesso paese o nel medesimo continente. Tutto ciò che conta è che siano in rete fra loro.

Una rete di calcolatori geograficamente dispersa – o “distribuita” – permette di offrire agli utenti l’accesso a servizi di calcolo avanzato, a potenza di calcolo, a memorie estese, consentendo la soluzione di compiti estremamente complessi, che andrebbero ben oltre la portata del singolo calcolatore o di una rete locale.

“Il termine Grid è stato mutuato dal modo con cui funzionano le reti elettriche,” ricorda Domenico Laforenza, dell’Istituto di Tecnologia e Scienza del’Informazione del CNR di Pisa: "Nessuno ha bisogno di sapere da dove venga l’elettricità o come sia trasmessa: basta il fatto che sia lì e che si possa usare. Il Grid ci permette di dire la stessa cosa della potenza di calcolo."

Tipi diversi di Grid sono già usati da vari istituti di ricerca, come per esempio l’ENEA, che ha una rete di calcolo condiviso che collega 12 dei suoi siti distribuiti nel paese, mentre il CNR coordina un progetto a livello nazionale che mette in rete 20 siti con 1400 nodi e 2800 processori.

Su scala ancora maggiore, il progetto EGEE (Enabling Grids for E-sciencE), supportato dalla Commissione Europea, ha lo scopo di realizzare una rete intercontinentale di calcolo condiviso per applicazioni scientifiche. Il progetto, finanziato dalla Commissione Europea con 32 milioni di euro, coinvolge 70 partner distribuiti in 26 paesi.

Reti al lavoro

Piero Benvenuti, presidente dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), mette in evidenza come l’uso del Grid nel settore astronomico ha già portato alla scoperta di circa 30 buchi neri, emersi dal confronto automatico di campi celesti osservati con il telescopio spaziale Hubble e il telescopio Chandra (NASA) per l’astronomia a raggi X. È stato sufficiente sguinzagliare il Grid alla ricerca di una variazione contemporanea nell’emissione di raggi X e in quella di raggi ultravioletti.

È ora in fase di progettazione la realizzazione di un Osservatorio Virtuale che, attraverso la condivisione di dati con tecnologia Grid, consentirà agli astronomi di osservare un "cielo virtuale", ottenuto dalla fusione di dati raccolti da differenti strumenti, a differenti lunghezze d’onda e in tempi diversi.

Nel prossimo futuro, ha aggiunto Benvenuti, l’uso del Grid in astronomia non può che aumentare, considerando progetti come il telescopio spaziale Planck dell’ESA, che ha lo scopo di misurare la radiazione cosmica di fondo; il telescopio spaziale Gaia, sempre dell’ESA, che darà vita a una mappa tridimensionale della nostra galassia e, infine, il telescopio terrestre LSST (Larg Synoptic Survey Telescope).

Oltre la scienza

Come già è accaduto per il Web, è facile prevedere che il Grid e la tecnologia di collaborazione a distanza (e-collaboration) avranno un impatto che andrà ben oltre le specifiche applicazioni scientifiche.

Secondo Federico Rossi della Datamat, l’uso del Grid penetrerà nelle industrie già a partire dai prossimi anni, visto che il lancio e le speranze iniziali sono state prontamente sostituite da un bacino di utenti che ne ha dimostrato, in contesti pienamente operativi, efficacia e convenienza.

I candidati più ovvi per l’uso del Grid sono i settori aerospaziali e automobilistico, ma sembrano realizzabili applicazioni per la finanza, per la salute, per le previsioni meteo locali, finalizzate sia al turismo sia alla realizzazione di eventi sportivi. Ma il Grid può risultare uno strumento utile anche per i mezzi di comunicazione o per lo svago. Potenzialmente la tecnica di calcolo condiviso permette a una rete di animatori cinematografici di essere competitivi con le più grandi strutture di Hollywood.

E mentre l’Airbus è già un esempio di successo di un’azienda europea distribuita in vari paesi, una grande varietà di imprese potrebbero adottare la e-collaboration per coordinare a distanza il lavoro dei vari fornitori e dei collaboratori sparsi sul territorio. Del resto, come ha riferito lo stesso Rossi, secondo un recente sondaggio tra le compagnie del settore dei carburanti (gas e petrolio), l’84% degli intervistati è convinto che la collaborazione a distanza possa giocare un ruolo di rilievo.

La e-collaboration dell’ESA è già in funzione

Massimo Bandecchi (ESA/ESTEC) ha discusso un’attività messa in piedi all’interno dell’ESA che ha dimostrato in che modo le collaborazioni in remoto potrebbero funzionare a livello industriale. In ESTEC, infatti, l’ESA ha realizzato una struttura di progettazione (Concurrent Design Facility, CDF) per la messa a punto delle future missioni spaziali. Il CDF ha in dotazione una rete di calcolatori multimediali e un software che consente a un team multidisciplinare di collaborare in simultanea alla progettazione di una missione.

Il CDF finora è stato utilizzato per circa 30 proposte di missioni e, se inizialmente era stato concepito solo come strumento interno, di recente è stato aperto anche a collaborazioni esterne, incluse sessioni di lavoro congiunte con la NASA e la Stanford University.

Il successo del CDF è stato così considerevole che vari stati membri dell’ESA hanno richiesto la creazione di specifici spin-off e parecchi nuovi CDF stanno prendendo forma all’interno di diverse agenzie spaziali nazionali. La sfida sarà poi quella di mettere in rete, secondo l’approccio del Grid, le stesse strutture che si stanno formando, per consentire una struttura di progettazione simultanea su scala geografica estesa.

Anche all’ESRIN, d’altra parte, si è avviato un progetto pilota di e-collaboration (THE VOICE, acronimo che sta per THEmatic Vertical Oganizations and Implementation of Collaborative Enviroments) con l’intenzione di costruire un’infrastruttura che consenta a gruppi di utenti di collaborare nella ricerca legata alle osservazioni della Terra o di generare prototipi di prodotti scientifici o a elevato valore aggiunto.

THE VOICE avrebbe l’intenzione di dare ai propri utenti la possibilità di integrare i prodotti derivati dalle osservazioni della Terra con prodotti derivati da altre fonti.

Il futuro del Grid

Riassumendo l’evoluzione del Grid e dell’idea di e-collaboration, nel suo intervento Laforenza ha messo in evidenza che il progresso futuro dipende dagli standard condivisi, che permetteranno la collaborazione tra Grid diversi: “Il Global Forum Grid è l’organizzazione deve promuove lo sviluppo degli accordi e delle specifiche, perché rappresenta tutte le forze coinvolte nel Grid: da chi fa ricerca a chi progetta e scrive il software, da chi lo sviluppa a chi lo usa.”