A Autoridade de Energia Atômica do Reino Unido (UKAEA) e a Universidade de Cambridge estão construindo um gêmeo digital de um reator de fusão para acelerar o desenvolvimento de energia livre de carbono.

A UKAEA e o Open Zettascale Lab de Cambridge criarão uma simulação do protótipo da usina de fusão Spherical Tokamak for Energy Production (STEP), que deverá criar um "plasma em chamas" até 2035 e produzir eletricidade líquida até 2040. O projeto usará a tecnologia Intel Max GPU e os servidores PowerEdge da Dell.

A energia de fusão poderia fornecer energia sustentável quase ilimitada, imitando as condições do sol, onde os átomos se "fundem" em átomos mais pesados, liberando energia. Os cientistas acreditam que a energia de fusão industrial ainda está a anos ou décadas de distância e é frequentemente apresentada como a fonte de energia alternativa definitiva, mas uma usina de energia de fusão em funcionamento que possa fornecer energia à rede ainda está a anos de distância.

A pesquisa STEP será realizada em Culham, o laboratório da UKAEA que já abrigou o JET (Joint European Torus fusion project) por 40 anos e esteve envolvido em iniciativas para produzir um "tokamak esférico" e no projeto de atualização do MAST, que buscou soluções cada vez mais práticas, como remoção de gás de exaustão e energia do reator.

Se o STEP for bem-sucedido, um eventual reator será construído em West Burton, em uma usina elétrica a carvão recentemente desativada.

Essa escala de tempo pressiona a engenharia", disse Rob Akers, diretor de software da UKAEA, em uma reunião informativa: "Na verdade, trata-se de um programa incrível para demonstrar que a fusão pode ser economicamente viável". Portanto, o STEP tem como objetivo colocar a energia de fusão na rede nacional até o início da década de 2040. E uma parte muito importante dessa missão é desenvolver e nutrir a cadeia de suprimentos que projetará e construirá as primeiras usinas de energia de fusão do mundo. O desafio para nós é que não há tempo suficiente para fazer engenharia da maneira como temos feito há décadas. Temos 17 anos para colocar o STEP em funcionamento e conectá-lo à rede.

Em vez de construir e testar protótipos físicos, os engenheiros de fusão precisarão de simulações: "Da mesma forma que o setor aeroespacial transferiu os túneis de vento para o mundo da dinâmica de fluidos computacional, ou o setor automotivo transferiu o processo de teste de colisão para o mundo virtual usando elementos finitos... precisamos fazer o mesmo para projetar usinas de energia de fusão.

O problema é que os reatores de fusão envolvem muitos processos que são mais complexos e difíceis de modelar do que os outros exemplos: "Um reator de fusão é um sistema incrivelmente complexo e fortemente acoplado, e os modelos que sustentam a operação dessas usinas de fusão são um tanto limitados na sua precisão.

"Uma única alteração em um subsistema pode ter enormes ramificações em toda a planta. Isso significa que teremos que nos preocupar muito com o comportamento emergente que só se tornará aparente quando construirmos a planta. E precisamos tentar simular isso com antecedência", continuou ele.

"Temos que simular tudo, em todos os lugares, de uma só vez."

Do ponto de vista da computação, trata-se de algo muito complexo, disse Paul Calleja, diretor de serviços de computação de pesquisa da Universidade de Cambridge: "É um problema realmente complicado de física múltipla acoplada e de escala de tempo múltipla. Muitas simulações se concentram em escalas de tempo razoavelmente bem definidas, mas temos escalas de tempo muito longas, com muitos tipos diferentes de física, todos acoplados".

Os computadores Exascale são caros, disse Calleja: "Eles custam mais de 600 milhões de libras (US$ 760 milhões) de capital para serem implementados e consomem mais de 20 MW de energia, portanto, custam 50 milhões de libras (US$ 63 milhões) por ano apenas para serem conectados."

A UKAEA usará o supercomputador Zettascale Open Zettascale do Cambridge Open Lab (equipado com processadores Intel Xeon de quarta geração) para modelar problemas físicos e de engenharia no STEP, possivelmente resolvendo problemas no "gêmeo digital" antes que eles surjam na construção real. Os parceiros do projeto rotulam isso de "metaverso industrial", embora seja um projeto de simulação avançada sem nenhum fone de ouvido de RV à vista. O projeto também usará o armazenamento de objetos DAOS da Intel para lidar com as centenas de petabytes de dados que serão excluídos muito rapidamente ao simular um único incidente de turbulência de plasma.

A UKAEA e o Open Zettascale Lab disseram que escolheram os coprocessadores GPU Max (Ponte Vecchio) da Intel, lançados recentemente, em vez das ofertas dominantes de GPU da Nvidia, em parte porque a Intel oferece suporte a uma interface API, que pode implementar uma única base de código em várias arquiteturas, aparentemente incluindo sistemas Nvidia. Ela tem sido apresentada como concorrente da CUDA da Nvidia, a linguagem e API líder de mercado para supercomputadores baseados em GPU.

A CUDA é executada em GPUs ARM, mas não é executada em chips Intel.

Arquitetura aberta

"Como você se programa para um mundo de GPU em que você não está limitado a uma solução de um único fornecedor?", disse Calleja. "Porque podemos trabalhar com a Intel hoje, mas quem sabe o que acontecerá no futuro? Não queremos que os nossos códigos fiquem presos a um fornecedor específico." O ambiente de API única da Intel está principalmente na camada de abstração de plataforma cruzada SYCL. "Esse ambiente de API SYCL nos oferece uma maneira muito boa de desenvolver códigos que, se quisermos, podem ser executados em GPUs Intel. Também podemos executar esse código em GPUs Nvidia e até mesmo em GPUs AMD com o mínimo de recodificação.

Uma API pode oferecer portabilidade, mas os parceiros do projeto terão que trabalhar para incorporar os aplicativos que desejarem. Os aplicativos suportados atualmente incluem IA, aprendizagem profunda e dinâmica molecular; o Open Zettascale Lab planeja expandir isso para as áreas necessárias: engenharia, materiais de fusão e simulação de plasma.

Em resposta a uma pergunta da DCD, Calleja disse: "Obviamente, trabalhamos com a Nvidia. Mas, nessa colaboração, queríamos realmente ver um ecossistema totalmente aberto que apresentasse um caso muito mais convincente de democratização. Não estamos presos a um software e ambiente proprietários. Portanto, acho que o fato de a Intel agora ter um produto de GPU competitivo, que podemos desbloquear com uma API, é bastante convincente para que a concorrência volte ao ecossistema."

O projeto planeja compartilhar as simulações e as técnicas de simulação que desenvolve, explicaram Calleja e Akers, de modo que uma API aberta é muito importante para a colaboração internacional que eles preveem.

Quando perguntado sobre a eficiência do hardware de supercomputação que o projeto usará, Calleja disse que o foco principal da eficiência da supercomputação será o software: "Os ganhos que obtivermos com o hardware em termos de produção por megawatt serão insignificantes em relação aos ganhos que obtivermos com o software. É realmente no desenvolvimento do software para explorar esses sistemas que obtemos os grandes ganhos de produtividade".