Um gaªmeo digital de nosso planeta deve simular o sistema terrestre no futuro. Destina-se a apoiar os decisores pola­ticos na tomada de medidas adequadas para melhor se preparar para eventos extremos. Um novo documento de estratanãgia por cientistas europeus e cientistas da computação da ETH Zurich mostra como isso pode ser alcana§ado.

Para se tornar neutra para o clima até2050, a Unia£o Europeia lançou dois programas ambiciosos: Green Deal e DigitalStrategy. Como um componente-chave de sua implementação bem-sucedida, cientistas do clima e cientistas da computação lançaram a iniciativa Destination Earth, que comea§ara¡ em meados de 2021 e deve durar atédez anos. Durante este período, um modelo digital altamente preciso da Terra serácriado, um gaªmeo digital da Terra, para mapear o desenvolvimento do clima e eventos extremos com a maior precisão possí­vel no espaço e no tempo.

Os dados observacionais sera£o continuamente incorporados ao gaªmeo digital, a fim de tornar o modelo digital da Terra mais preciso para monitorar a evolução e prever possa­veis trajeta³rias futuras. Mas, além dos dados de observação convencionalmente usados ​​para simulações de tempo e clima , os pesquisadores também querem integrar novos dados sobre atividades humanas relevantes no modelo. O novo modelo do sistema terrestre representara¡ virtualmente todos os processos nasuperfÍcie terrestre da maneira mais realista possí­vel, incluindo a influaªncia dos humanos na a¡gua, na gestãode alimentos e energia e nos processos do sistema fa­sico terrestre.

O gaªmeo digital da Terra pretende ser um sistema de informação que desenvolve e testa cenários que mostram um desenvolvimento mais sustenta¡vel e, assim, informa melhor as políticas. "Se vocêestãoplanejando um dique de dois metros de altura na Holanda, por exemplo, posso examinar os dados em meu gaªmeo digital e verificar se o dique com toda a probabilidade ainda protegera¡ contra eventos extremos esperados em 2050", disse Peter Bauer , vice-diretor de Pesquisa do Centro Europeu de Previsaµes do Tempo de Manãdio Prazo (ECMWF) e co-iniciador do Destination Earth. O gaªmeo digital também seráusado para o planejamento estratanãgico de águadoce e abastecimento de alimentos ou parques ea³licos e usinas solares.

As forças motrizes por trás do Destino Terra são a ECMWF, a Agência Espacial Europeia (ESA) e a Organização Europeia para a Exploração de Satanãlites Meteorola³gicos (EUMETSAT). Juntamente com outros cientistas, Bauer estãoconduzindo a ciência do clima e os aspectos meteorola³gicos do gaªmeo digital da Terra, mas eles também contam com o know-how de cientistas da computação da ETH Zurique e do Centro Nacional de Supercomputação da Sua­a§a (CSCS), ou seja, os professores ETH Torsten Hoefler , do Institute for High Performance Computing Systems, e Thomas Schulthess, Diretor do CSCS.

Para dar este grande passo na revolução digital, Bauer enfatiza a necessidade de as ciências da terra se casarem com as ciências da computação. Em uma publicação recente na Nature Computational Science , a equipe de pesquisadores da terra e das ciências da computação discute quais medidas concretas eles gostariam de usar para fazer avana§ar esta "revolução digital das ciências do sistema terrestre ", onde eles vaªem os desafios e quais soluções possa­veis pode ser encontrado.

Em seu artigo, os pesquisadores analisam o desenvolvimento constante de modelos meteorola³gicos desde a década de 1940, uma história de sucesso que ocorreu em silaªncio. Os meteorologistas foram os pioneiros, por assim dizer, nas simulações de processos fa­sicos nos maiores computadores do mundo. Como fa­sico e cientista da computação, Schulthess da CSCS esta¡, portanto, convencido de que os modelos meteorola³gicos e clima¡ticos de hoje são ideais para identificar maneiras completamente novas para muitas outras disciplinas cienta­ficas de como usar supercomputadores com eficiência.

No passado, a modelagem de tempo e clima usava diferentes abordagens para simular o sistema terrestre. Enquanto os modelos clima¡ticos representam um conjunto muito amplo de processos fa­sicos, eles normalmente negligenciam os processos de pequena escala, que, no entanto, são essenciais para as previsaµes meteorola³gicas mais precisas que, por sua vez, se concentram em um número menor de processos. O gaªmeo digital reunira¡ as duas áreas e permitira¡ simulações de alta resolução que retratam os processos complexos de todo o sistema terrestre. Mas para conseguir isso, os ca³digos dos programas de simulação devem ser adaptados a s novas tecnologias que prometem um poder de computação muito maior.

Com os computadores e algoritmos disponí­veis hoje, as simulações altamente complexas dificilmente podem ser realizadas na resolução extremamente alta planejada de um quila´metro porque, por décadas, o desenvolvimento de ca³digo estagnou do ponto de vista da ciência da computação. A pesquisa climática se beneficiou de ser capaz de obter maior desempenho por meio de novas gerações de processadores sem ter que mudar fundamentalmente seu programa. Esse ganho de desempenho gratuito com cada nova geração de processador parou hácerca de 10 anos. Como resultado, os programas de hoje geralmente podem utilizar apenas 5 por cento do desempenho de pico dos processadores convencionais (CPU).

Para alcana§ar as melhorias necessa¡rias, os autores enfatizam a necessidade de co-design, ou seja, desenvolver hardware e algoritmos juntos e simultaneamente, como o CSCS demonstrou com sucesso durante os últimos dez anos. Eles sugerem prestar atenção especial a s estruturas de dados genanãricas, discretização espacial otimizada da grade a ser calculada e otimização dos comprimentos dos intervalos de tempo. Os cientistas ainda propaµem separar os ca³digos para resolver o problema cienta­fico dos ca³digos que realizam a computação de forma otimizada na respectiva arquitetura do sistema. Essa estrutura de programa mais flexa­vel permitiria uma mudança mais rápida e eficiente para arquiteturas futuras.

Os autores também veem um grande potencial em inteligaªncia artificial (IA). Pode ser usado, por exemplo, para assimilação de dados ou processamento de dados de observação, representação de processos fa­sicos incertos nos modelos e compressão de dados. A IA, portanto, torna possí­vel acelerar as simulações e filtrar as informações mais importantes de grandes quantidades de dados. Além disso, os pesquisadores assumem que o uso do aprendizado de ma¡quina não apenas torna os ca¡lculos mais eficientes, mas também pode ajudar a descrever os processos fa­sicos com mais precisão.

Os cientistas vaªem seu documento de estratanãgia como um ponto de partida no caminho para um gaªmeo digital da Terra. Entre as arquiteturas de computador disponí­veis hoje e as esperadas no futuro pra³ximo, os supercomputadores baseados em unidades de processamento gra¡fico (GPU) parecem ser a opção mais promissora. Os pesquisadores estimam que operar um gaªmeo digital em escala real exigiria um sistema com cerca de 20.000 GPUs, consumindo cerca de 20 MW de energia. Por razões econa´micas e ecola³gicas, tal computador deve ser operado em um local onde a eletricidade gerada sem CO 2 esteja dispona­vel em quantidades suficientes.