Cómputo de Alto Desempeño (Donativo hecho por el CERN) y su importancia para la UNACH y la región

Introducción

En la ciencia, los avances y los descubrimientos de primera, se hacen con herramientas de primera. El Cómputo de Alto Desempeño es una herramienta indispensable en el avance de la ciencia y la tecnología en cualquier sociedad moderna.

El pasado mes de agosto del 2015, la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) donó servidores a la UNACH, en un hecho sin precedentes en la historia de América Latina, dicha donación, inaugura una nueva etapa en el desarrollo tecnológico del Estado, ya que en los tiempos actuales, una sociedad que no computa, no compite.

La donación se concretó gracias a una colaboración cercana entre el CERN y la UNACH, el Capítulo Suiza-Liechtenstein de la Red Global de Mexicanos Calificados en el Exterior, y el Club Rotario Oriente de Tuxtla; es decir, involucró el trabajo y compromiso de mexicanos fuera y dentro del país, y de varios sectores de la sociedad.

Así también, será crucial el compromiso que se adquiera en los próximos años para darle seguimiento y asegurar su crecimiento y perfeccionamiento con el fin de que esté a la par de los centros de cómputo más modernos del país y de América Latina en general.

El donativo consiste en 384 servidores y demás equipo de cómputo, a partir del cual se creará el Laboratorio Regional de Cómputo de Alto Rendimiento (LARCAD) de la UNACH.

Este donativo, sin precedentes en la historia de los donativos del CERN [1], es trascendental para la Universidad y para la región de Chiapas y Centroamérica, ya que permitirá que muchas actividades académicas tales como la investigación científica, la educación a distancia y las labores administrativas, entre otras, cambien completamente para incluir la gran ventaja de procesar datos en un equipo de alta calidad. Esto pondrá a la UNACH en el nivel de universidades como la UNAM, UAM y otras instituciones públicas de educación superior del país como la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP), la Universidad de San Luis Potosí y el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional (CINVESTAV).

El miércoles 26 de agosto del presente año, fueron donados 364 servidores del Centro de Cómputo del CERN (Consejo Europeo para la Investigación Nuclear), a la Universidad Autónoma de Chiapas (UNACH), México.

Estos equipos llegaron a la UNACH el pasado 11 de octubre y se espera que el Laboratorio Regional de Cómputo de Alto Desempeño de la UNACH, esté funcionado a principios de 2016.

El equipo de cómputo que ya no cumple los altísimos requerimientos específicos para el CERN, es regularmente reemplazado. Sin embargo, este equipo todavía puede ser usado en entornos con menos demandas, incluyendo universidades e institutos científicos alrededor del mundo.

Desde 2012 alrededor de 1533 servidores y 103 switches han contribuido de esta manera a proyectos científicos y educacionales específicos. Esta vez, además de los servidores, se donaron 24 switches de red y 26 racks (anaqueles especiales para el equipo de cómputo) a México.

Estos servidores, algunos de los cuales se usarán para procesamiento de datos mientras que otros serán destinados a almacenamiento, serán usados por la comunidad universitaria. Así mismo se crearán las bases para que exista participación de los institutos mexicanos, para una variedad de proyectos científicos y educacionales en los campos de Física, Matemáticas, Energía y Ciencias Ambientales. El equipo de cómputo también estará disponible para la gran comunidad de usuarios en América Central, con los cuales la Facultad de Ciencias en Física y Matemáticas (FCFM) y el Centro Mesoamericano de Física Teórica (MCTP) comparten actividades científicas.

También se beneficiarán de esta capacidad de cómputo en incremento, estudiantes de diferentes niveles en Chiapas y otras áreas de los alrededores de la región, gracias a sus programas dedicados a educación a distancia y actividades de divulgación.

Con la infraestructura de este laboratorio regional, se establecerán las bases para crear en el estado de Chiapas, el segundo Intercambiador de Tráfico de Internet (Internet Exchange Point, IXP) del país, el cual mejorará la conectividad y los servicios de Internet en el sur-sureste de México y Centroamérica.

En el proceso conductor de esta donación, la interacción entre el CERN y las instituciones mexicanas, estuvo coordinada por el científico mexicano Luis Roberto Flores Castillo, investigador en el CERN y presidente del Capítulo Suiza-Liechtenstein de la Red Global de Mexicanos Calificados en el Exterior. Esta organización busca activamente el acercamiento de instituciones y científicos mexicanos con investigadores e institutos suizos.

Así también contribuyó a la realización de esta donación, el Club Rotario Oriente de Tuxtla Gutiérrez, a través de su presidente Mario Avendaño Morales.

Por parte de la Universidad, los participantes del proyecto fueron el Coordinador General del MCTP Dr. Arnulfo Zepeda Domínguez, la Dra. Carolina Franco Espinosa, Coordinadora de Tecnologías. E-learning y Comunicaciones del MCTP, el Dr. Sendic Estrada Jiménez, Director de la FCFM, Dra. Karen Salomé Caballero Mora, docente investigadora de la FCFM y el LIA. Jorge Alberto Romo González, Jefe de información del nuevo LARCAD-UNACH. La primera reunión se llevó a cabo en noviembre de 2014 (ver figura 1), en la que el entonces rector Jaime Valls Esponda, a través del entonces Secretario Auxiliar de Relaciones Institucionales Dr. Roberto Villers Aispuro y el Coordinador de Tecnologías de la Información Ing. Marino Pérez Martínez se comprometio a apoyar el proyecto.

La siguiente etapa consistió en plantear al CERN una petición oficial basada en las necesidades de la UNACH, teniendo como primera justificación el uso de los equipos solicitados en investigación científica básica y en educación. El CERN también solicitó que la UNACH se comprometiera a costear el trasporte marítimo desde sus instalaciones. En esta etapa se contactó a la nueva administración de la universidad, siendo fundamentales las participaciones del Dr. Lisandro Montesinos Salazar, Director General de Planeación y el Mtro. Manuel Iván Espinosa Gallegos, Director de Planeación e Instrumentación, así como del Rector Mtro. Carlos Eugenio Ruiz Hernández. Los cálculos para solicitar el equipo se realizaron con base en las necesidades del experimento HAWC [3], de rayos gamma, en el que están involucrados algunos profesores de la FCFM y del MCTP. Parte fundamental en las gestiones y en la supervisión del proceso fue la del Club Rotario Oriente de Tuxla [4], a través de sus miembros y de su Director Mario Ernesto Avendaño Morales. Por su parte el Dr. Flores siguió gestionando el proceso desde el CERN, en su calidad de Presidente del Capítulo Suiza de la Red Global de Mexicanos Calificados en el Extranjero [5] - [6] junto con la Mtra. Virginia Romero Téllez, Coordinadora de Relaciones Interinstitucionales de la misma organización.

El CERN decidió otorgarnos el equipo solicitado, agregando algunos equipos extra, momento en el cual el proyecto se hizo oficial. El equipo salió del CERN el 26 de agosto de 2015 [7] y llegó a Tuxtla el 11 de octubre [8].

El Cómputo de Alto Desempeño es una herramienta muy importante en el desarrollo de simulaciones computacionales a problemas complejos. Para lograr este objetivo, la computación de alto desempeño se apoya en tecnologías computacionales como los los Cluster de computadores o supercomputadores o mediante el uso de la computación paralela. Es decir, aprovechan la capacidad de procesamiento, almacenamiento y memoria de un conjunto de servidores de propósito específico, haciéndolos trabajar como un solo elemento, para lograr un objetivo.

Por esta razón, el Cómputo de Alto Desempeño es una herramienta indispensable y equiparable con la teoría y la experimentación en el avance de la ciencia y la tecnología en cualquier sociedad moderna.

En el caso especial de una Universidad, se vuelve indispensable proporcionar a sus miembros la posibilidad de acceder a este servicio.

Los usos son tan variados, como el manejo de la administración, hasta la simulación de una nanoestructura para investigación en ciencia básica. Las simulaciones numéricas, permiten el estudio de sistemas complejos y fenómenos naturales que serían demasiado caros o peligrosos de estudiar, o incluso imposibles de analizar por experimentación directa.

En México el 90 % del uso del Cómputo de Alto Desempeño corresponde a proyectos de investigación, el 10 % restante a proyectos de la industria.

De ese 90 % de uso de investigación académica, el 95 % se centra en temas de física y química cuántica, fundamentalmente sistemas moleculares y del estado sólido. El restante 5% lo usan astrofísicos y oceanógrafos, aunque también hay un importante crecimiento en temas relacionados a la bioinformática.

Actualmente en la Universidad Autónoma de Chiapas se realizan investigaciones científicas que requieren del poder del Cómputo de Alto Desempeño para procesar datos, realizar cálculos y llegar a resultados que contribuyen al estado del arte de la ciencia.

Asimismo en el estado de Chiapas y la región de Centroamérica y el Caribe, existen numerosas necesidades de cálculo científico que actualmente se realizan fuera de México por no contar en la región con la infraestructura para su realización.

En la actualidad existen muchas áreas de investigación que se llevan a cabo en la UNACH que involucran la necesidad apremiante del cómputo de alto desempeño.

El desarrollo de nuevas aplicaciones computacionales y métodos numéricos para el avance de la ciencia no puede quedar como la acción de investigadores aislados. La coordinación de diversas disciplinas científicas, así como el desarrollo de nuevas aplicaciones y tecnologías computacionales, deben ser efectivamente valoradas y aprobadas en un planteamiento integrado a nivel institucional, animando además la colaboración regional, nacional e internacional.

Los investigadores que tienen estas necesidades, las han ido cubriendo con colaboraciones de otras instituciones tanto del país como extranjeras. Sin embargo, la colaboración y los tiempos asignados para el cálculo se complican al existir nuevas líneas de investigación con las mismas o más necesidades.

Por otro lado, el depender de otras instituciones para el procesamiento de los datos, hace que se vuelva más difícil el trabajo, ya que su progreso está a expensas de las necesidades y recursos de dichas instituciones externas.

En el estado actual, el buen término de las investigaciones depende también del buen funcionamiento de las conexiones de Internet de la universidad, que no siempre funcionan de manera óptima en los diversos campus, o en distintas partes del camino que se debe recorrer desde la institución externa hasta la UNACH.

Por ello existe un creciente riesgo de que científicos, académicos y alumnos se reubiquen o prefieran regiones con mejores ambientes y comunidades con recursos de cómputo de alto desempeño, debido al apoyo tecnológico, fomentos económicos, y disponibilidad de gente con habilidades y experiencias necesarias para explotar las bondades en los proyectos de investigación, desarrollo y experimentación que hacen uso del cómputo de alto desempeño.

Inclusive actualmente en algunas áreas y líneas de investigación de posgrado, uno de los requisitos para certificar un programa como uno de calidad, por parte de las agencias nacionales, es precisamente el acceso al uso y experimentación en dichos recursos de Cómputo de alto desempeño.

También existe una marcada tendencia a apoyar a las instituciones que cuentan con dicha tecnología, para que sean elevadas o establecidas como Centros de Excelencia, tanto por introducir nuevos métodos y técnicas para la investigación, como por la innovación y eficiencia en la aplicación de esos importantes dominios científicos.

El donativo recibido hará posible la creación del Laboratorio Regional de Cómputo de Alto Desempeño de la UNACH (LARCAD-UNACH), con estrategias que garanticen la operación, mantenimiento, renovación tecnológica y crecimiento en infraestructura y personal, apoyando además con ingresos autogenerados en coordinación con varios sectores.

Las principales actividades en lo relativo a servicios son las siguientes:

Las tres líneas fundamentales de acción:

Así mismo se fortalecerá el soporte académico a los investigadores de la UNACH y la región del sur de México, Centroamérica y el Caribe, así pasará a la etapa de ofertar servicios certificados a la industria, al gobierno y a otros sectores para alcanzar la sustentabilidad.

En este sentido, se proyecta en el mediano plazo que el LARCAD garantice la operación, mantenimiento, renovación tecnológica y crecimiento en infraestructura y personal, apoyando además con ingresos autogenerados a varios sectores de la sociedad.

La Organización Europea para la Investigación Nuclear tiene sus orígenes a mediados del siglo XX [9]. Al finalizar la Segunda Guerra Mundial los países europeos se dieron cuenta de la importancia de la investigación científica enfocada en la física nuclear. Pierre Auger, Louis de Broglie y Niels Bohr, entre otros, impulsaron el trabajo en conjunto de los físicos de aquella época. Esto permitiría no solo el intercambio del conocimiento, sino que también ayudaría a repartir los altos costos que implicaban las construcciones de centros de investigación dedicados a la física nuclear.

Los estragos de la última guerra eran aun visibles. Por esta razón se optó por un país neutral como Suiza para que albergara las instalaciones científicas. Se decidió entonces construir el nuevo centro de investigación en terrenos que se encontraban a las afueras de la ciudad de Ginebra. Durante una asamblea llevada al cabo en la ciudad de París en 1953 se firmó la convención que establecía la fundación del CERN. Dicho documento fue gradualmente aprobado por los 12 países iniciadores: Bélgica, Dinamarca, Francia, la República Federal de Alemania, Grecia, Italia, Holanda, Noruega, Suecia, Suiza, Reino Unido y Yugoslavia. El 29 de Septiembre de 1954 se dio la última ratificación, por parte de Francia y la República Federal de Alemania, y por consiguiente dicha fecha se considera como el origen del CERN.

El nuevo centro de investigación se colocó rápidamente a la vanguardia en lo que respecta a física nuclear y de partículas elementales. El primer gran acelerador de partículas, con una circunferencia de 630 metros empezó a funcionar en 1959, a éste le siguió otro acelerador circular de 7 kilómetros de circunferencia que entró en operaciones en 1976 y finalmente se construyó un túnel de 27 kilómetros de circunferencia que hoy en día alberga el Gran Colisionador de Hadrones (LHC).

En sus más de 60 años de historia el CERN ha conducido investigación de frontera que ha contribuido a un mayor entendimiento del mundo subatómico. En 1965, al mismo tiempo que un laboratorio en Estados Unidos, se logró la observación del primer antinúcleo formado por un antiprotón y un antineutrón. Con esto se logró un mayor entendimiento de la antimateria, derivando en la utilización de antiprotones para hacerlos colisionar con protones en 1981. Dos años después, gracias a estas colisiones, se logró la detección de las partículas W y Z predichas por modelos teóricos pero cuya existencia aún no había sido probada. La importancia de dicho descubrimiento fue reconocida de inmediato, ya que 1984 los líderes de dicho proyecto fueron galardonados con el Premio Nobel de Física. En 1995 se produjeron los primeros antiátomos de hidrógeno: un aninúcleo formado de un antiprotón orbitado por un positrón (la antipartícula del electrón). El 4 de Julio del 2012 los experimentos ATLAS y CMS del LHC anunciaron el descubrimiento del bosón de Higgs. Esta partícula es la responsable de proveer de masa a las otras partículas que componen todo lo que nos rodea. Gracias a esta verificación experimental el Premio Nobel de Física del 2013 fue otorgado a los creadores del marco teórico que propuso la existencia de la llamada Partícula de Dios.

Hoy en día la Organización Europea para la Investigación Nuclear está compuesta de 21 países miembros, casi todos ellos estados europeos. También existen otros 6 países con el grado de miembros asociados y 5 países observadores. Finalmente el CERN también tiene acuerdos de cooperación con otros 35 países (incluido México).

Con el paso de los años los experimentos desarrollados en el CERN eran tan complejos y costosos que los países miembros no podían financiarlos ni llevarlos a cabo por sí solos. Esto originó que la organización buscara cooperaciones con estados fuera de Europa. Para 1989, con el afán de facilitar el intercambio de información relevante de los experimentos, el físico Tim Berners-Lee creó la primera página web de la historia, dando lugar a lo que tiempo después se conocería como World Wide Web. Hoy en día nos resulta imposible imaginar nuestras vidas sin la WWW.

Más de 25 años después de la creación de Berners-Lee, la necesidad de sobrepasar las fronteras de la física de partículas ha hecho que la ciencia redoble sus esfuerzos en lo que a recursos informáticos se refiere.

En el Gran Colisionador de Hadrones se generan alrededor de 600 millones de colisiones cada segundo entre protones a energías nunca antes alcanzadas por el ser humano. Existen 150 millones de sensores que se encargan de recabar los datos generados por estas colisiones. En total esto resulta en 700 Megabytes de información cada segundo, lo que equivale a tener que grabar un CD de datos en dicho intervalo de tiempo. Si apiláramos uno sobre otro los CD que se graban, al cabo de un año de operaciones del LHC, la torre de discos tendría una altura de 20 kilómetros. Se estima que la cantidad de información generada por el LHC en un año es de 30 millones de Gigabytes.

Es claro que no existe una sola computadora ni un solo centro de supercómputo en todo el mundo que tenga la capacidad, ni de almacenamiento ni de procesamiento para salvaguardar esta cantidad de información. Para hacer frente a este problema se creó la Red Mundial de Computación del LHC (Grid), la cual está formada por 170 centros de supercómputo en 42 países de todo el mundo. De esta forma los datos generados por el LHC son repartidos entre estos centros de supercómputo para que los científicos de todo el orbe puedan acceder a ellos. Al día de hoy en México solo la UNAM es parte del Grid, tal y como se puede apreciar en siguiente imagen.

Sin embargo la física nuclear y de partículas elementales no son las únicas ramas de la física, ni de la ciencia en general, que requieren grandes recursos informáticos.

Históricamente, los primeros usos del supercómputo se dieron en el campo de la meteorología. En este aspecto, los datos necesarios son recabados por satélites espaciales y estaciones terrestres, quienes almacenan esta información en centros de supercómputo. Para predecir el clima se involucran cientos de variables (velocidad del viento, humedad, nubosidad, etc) que solo pueden ser procesadas en supercomputadoras.

A finales del siglo pasado también fue necesario emplear supercómputo en las ciencias biológicas. Prueba de ello fue el Proyecto Genoma Humano, en donde un equipo científico internacional determinó la secuencia del ADN.

Las supercomputadoras también han demostrado ser útiles en las áreas de la ingeniería. Las compañías aéreas simulan el paso de aire alrededor de diferentes piezas de avión y luego combinan el resultado ya que aún hoy en día es imposible simular el paso de aire alrededor de un avión completo.

El sector aeroespacial también se ha visto beneficiado del supercómputo, ya que ha sido empleado para simular las condiciones adversas a las que se podrían enfrentar las naves y vehículos usados en exploraciones espaciales.

En años recientes el uso de supercómputo ha sido enfocado para modelar procesos moleculares, es decir, la simulación y análisis de los movimientos de los átomos y las moléculas. Las investigaciones en dinámica molecular también son utilizadas por la industria farmacéutica para el desarrollo de nuevos medicamentos.

[1] http://mctp.mx/index.html

[2] http://www.cefymap.unach.mx/

[3] http://serversdonations.web.cern.ch/content/list-past-donations-servers-retired-cern-data-centre

[4] http://www.hawc-observatory.org/
https://www.facebook.com/ClubRotarioOrientedeTuxtla/

[5] https://www.facebook.com/mexicanosensuiza/

[6]http://www.redtalentos.gob.mx/index.php?option=com_content&view=article&id=183&Itemid=251

[7] http://cds.cern.ch/record/2048937?ln=es

[8] http://dcs.unach.mx/index.php/noticia/item/3209-arriban-a-la-unach-los-servidores-inform%C3%A1ticos-donados-por-la-organizaci%C3%B3n-europea-para-la-investigaci%C3%B3n-nuclear.html

[9] J. Krige, "History of CERN", Vol. 3.