La Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido (UKAEA) y la Universidad de Cambridge están construyendo un gemelo digital de un reactor de fusión planificado para acelerar el desarrollo de energía libre de carbono.
UKAEA y el Open Zettascale Lab de Cambridge crearán una simulación del prototipo de planta de energía de fusión Spherical Tokamak for Energy Production (STEP), que está programada para crear un "plasma ardiente" para 2035 y una producción neta de electricidad para 2040. El proyecto utilizará la tecnología de Intel Max GPU y servidores PowerEdge de Dell.
La energía de fusión podría proporcionar un poder sostenible casi ilimitado, imitando las condiciones del sol, donde los átomos se "fusionan" en otros más pesados, liberando energía. Los científicos creen que la energía de fusión industrial aún está a años o décadas de distancia y, a menudo, se anuncia como la fuente de energía alternativa definitiva, pero una planta de energía de fusión en funcionamiento que puede suministrar energía a la red aún está a años de distancia.
La investigación de STEP se llevará a cabo en Culham, el laboratorio de UKAEA que ya ha albergado JET (el proyecto de fusión Joint European Torus) durante 40 años, y ha participado en movimientos para producir un "tokamak esférico" y el proyecto de actualización MAST que buscaba soluciones cada vez más prácticas como la eliminación de los gases de escape y la energía del reactor.
Si STEP tiene éxito, se construirá un eventual reactor en West Burton en una central eléctrica de carbón recién clausurada.
"Esa escala de tiempo ejerce presión sobre la ingeniería", dijo Rob Akers, director de programas informáticos, UKAEA, en una sesión informativa: "Efectivamente, es un programa increíble para demostrar que la fusión puede ser económicamente viable. Por lo tanto, STEP tiene como objetivo poner la energía de fusión en la red nacional a principios de la década de 2040. Y una parte muy importante de esa misión es desarrollar y nutrir la cadena de suministro que diseñará y construirá las primeras plantas de energía de fusión del mundo. El desafío para nosotros es que no hay tiempo suficiente para hacer ingeniería de la manera como lo hemos estado haciendo durante décadas. Tenemos 17 años para levantar STEP y conectarlo a la red".
En lugar de construir y probar prototipos físicos, los ingenieros de fusión necesitarán simulaciones: "De la misma manera que el sector aeroespacial ha trasladado los túneles de viento al mundo de la dinámica de fluidos computacional, o el sector automotriz ha trasladado el proceso de pruebas de choque al mundo virtual usando elementos finitos... necesitamos hacer lo mismo para diseñar plantas de energía de fusión".
El problema es que los reactores de fusión involucran muchos procesos que son más complejos y difíciles de modelar que los otros ejemplos: "Un reactor de fusión es un sistema increíblemente complejo y fuertemente acoplado y los modelos que sustentan la operación de estas plantas de energía de fusión son algo limitados en su precisión Hay muchos mecanismos de acoplamiento que tenemos que tener en cuenta Hay mucha física que abarca todo el conjunto de carga de la máquina, desde fuerzas estructurales hasta cargas de calor térmico a través de las plantas de energía, electromagnetismo y radiación."
"Un solo cambio en un subsistema puede tener enormes ramificaciones en toda la planta. Significa que tendremos que preocuparnos mucho por el comportamiento emergente que solo se hará evidente cuando construyamos la planta. Y necesitamos para tratar de simular eso de antemano", continuó.
"Tenemos que simular todo, en todas partes, todo a la vez".
Desde el punto de vista computacional, esto es algo muy complejo, dijo Paul Calleja, director de servicios informáticos de investigación de la Universidad de Cambridge: "Es un problema de escala de tiempo múltiple de física múltiple acoplada realmente complicado. Muchas simulaciones se enfocan en escalas de tiempo bastante definidas, pero tenemos escalas de tiempo muy largas, con muchos tipos diferentes de física, todos acoplados".
Las computadoras a exaescala son caras, dijo Calleja: "Cuestan más de 600 millones de libras esterlinas (760 millones de dólares) de capital para implementarlas y consumen más de 20 MW de energía, por lo que cuesta 50 millones de libras esterlinas (63 millones de dólares) al año solo para enchufar ellos en."
UKAEA utilizará la supercomputadora del laboratorio Cambridge Open Zettascale (equipada con procesadores Intel Xeon de cuarta generación) para modelar los problemas físicos y de ingeniería en STEP, resolviendo potencialmente problemas en el "gemelo digital" antes de que surjan en la construcción real. Los socios del proyecto etiquetan esto como el "metaverso industrial", aunque es un proyecto de simulación avanzada sin auriculares VR a la vista. El proyecto también utilizará el almacén de objetos DAOS de Intel para manejar los cientos de petabytes de datos que se eliminarán muy rápidamente cuando se simule un solo incidente de turbulencia de plasma.
UKAEA y Open Zettascale Lab dijeron que eligieron los coprocesadores GPU Max (Ponte Vecchio) recientemente lanzados por Intel, en lugar de las ofertas de GPU dominantes de Nvidia, en parte porque Intel admite una interfaz API, que puede implementar una sola base de código en múltiples arquitecturas aparentemente incluyendo los sistemas Nvidia. Se ha promocionado como un competidor de CUDA de Nvidia, el lenguaje y API líder en el mercado para supercomputadoras construidas a partir de GPU.
CUDA se ejecuta en GPU ARM, pero no se ejecuta en chips Intel.
Arquitectura abierta
"¿Cómo programa para un mundo de GPU en el que no está limitado a una solución de un solo proveedor?" dijo Calleja. "Porque es posible que trabajemos con Intel hoy, pero ¿quién sabe qué sucederá en el futuro? No queremos que nuestros códigos estén bloqueados en un proveedor en particular". El entorno Intel one API se encuentra principalmente en la capa de abstracción multiplataforma SYCL. "Este entorno de API SYCL nos brinda una manera realmente agradable de desarrollar códigos que, si lo deseamos, podemos ejecutar en las GPU de Intel. También podemos ejecutar esos códigos en las GPU de Nvidia e incluso en las GPU de AMD con una recodificación mínima".
Una API puede ofrecer portabilidad, pero los socios del proyecto tendrán que trabajar para incorporar las aplicaciones que desean. Las aplicaciones admitidas actualmente incluyen IA, aprendizaje profundo y dinámica molecular; Open Zettascale Lab planea expandir esto a las áreas que necesitan: ingeniería, materiales de fusión y simulación de plasma.
Respondiendo a una pregunta de DCD , Calleja dijo: "Obviamente, trabajamos con Nvidia. Pero en esta colaboración, realmente queríamos ver un ecosistema completamente abierto que presente un caso mucho más convincente para la democratización. No estamos encerrados en un programa y entorno propietario. Así que creo que el hecho de que Intel ahora tenga un producto de GPU competitivo, que podemos desbloquear con una API, es bastante convincente para que la competencia vuelva al ecosistema".
El proyecto planea compartir las simulaciones y las técnicas de simulación que desarrolla, explicaron Calleja y Akers, por lo que una API abierta es muy importante para la colaboración internacional que prevén.
Cuando se le preguntó acerca de la eficiencia del hardware de supercomputación que utilizará el proyecto, Calleja dijo que el enfoque principal en la eficiencia de la supercomputación estará en el software: "Las ganancias que obtenemos del hardware en términos de producción por megavatio serán eclipsadas por las ganancias que obtenemos de software. Realmente es desarrollar el software para explotar estos sistemas donde obtenemos grandes ganancias en productividad".