Cientista planeja supercomputador barato para previsões de clima

Talvez o maior desafio diante de especialistas do clima e da informática seja a criação de um supercomputador que possa modelar com precisão o futuro do planeta em uma série de equações, computando como as forças da mudança climática vão afetá-lo. É uma tarefa que exigiria rodar um conjunto imenso de cálculos durante várias semanas e, a seguir, recalcular centenas de vezes com variáveis diferentes.

Tais máquinas vão precisar ser pelo menos cem vezes mais velozes do que os supercomputadores mais poderosos atuais e, ironicamente, o esforço para compreender melhor a ameaça da mudança climática poderia terminar contribuindo para o aquecimento global. Se esse computador fosse construído com a tecnologia existente hoje, uma máquina da chamada escala "exa" consumiria eletricidade equivalente a 200 mil casas, podendo custar mais de US$ 20 milhões anuais em operação.

Por esse motivo, cientistas que planejam a construção dessas máquinas supervelozes estão protelando enquanto esperam o surgimento de técnicas de computação de baixo consumo de energia capazes de reduzir significativamente as exigências de energia desse tipo futuro de computador.

Desenvolver tais técnicas, no entanto, tem sido particularmente complicado porque praticamente todos os aspectos da projeção de computadores velozes consomem mais eletricidade e geram mais calor. Engenheiros de informática acreditam agora que entre 2020 e 2023 deva aparecer a próxima geração de supercomputadores.

Todavia, Krishna Palem, cientista da computação da Universidade Rice, no Texas, crê ter encontrado um atalho.

Ele vem promovendo debates entre arquitetos da informática argumentando que uma abordagem contrária à intuição no projeto do computador – que ele propôs originalmente para dar uma duração maior às baterias de smartphones – também pode ser empregada para construir supercomputadores mais velozes e que consumam menos energia.

Palem afirma que seu método oferece um caminho simples e direto para driblar o gargalo da energia. Ao tirar transistores usados para acrescentar exatidão, seria possível cortar a demanda de energia de cálculo e aumentar a velocidade do desempenho.

Sua defesa do baixo consumo atraiu seguidores entre cientistas do clima. "Cálculos científicos como a previsão do tempo e do clima costumam ser inerentemente inexatos", disse Palem. "Nós demonstramos que a utilização de técnicas de computação inexatas não precisa degradar a qualidade da simulação do tempo".

Os modelos de previsão do clima usam um conjunto imenso de equações diferenciais para simular a interação de física, movimento de fluidos e química. Para criar os modelos, os cientistas transformam o mundo em uma grade tridimensional e calculam as equações.

Os atuais modelos de clima usados com supercomputadores têm células com tamanho de quase cem quilômetros, representando o clima daquela área da superfície da Terra. Para prever com maior exatidão o impacto a longo prazo da mudança climática será necessário encolher o tamanho da célula para apenas um quilômetro. Tal modelo exige mais de 200 milhões de células e quase três semanas para computar uma simulação de mudança climática ao longo de um século.

Para Palem, sua abordagem inexata é mais adequada para a previsão do clima e do tempo porque suas amplas grades de células que calculam separadamente efeitos locais, tais como formação de nuvens, vento, pressão e outras variáveis, podem ser calculadas sem grande precisão.

"Eu vejo a proposta como uma ferramenta necessária que precisamos agora para fazer a ciência avançar", declarou Tim Palmer, físico do clima da Universidade de Oxford. "Não podemos fazer um experimento de laboratório com o clima. Temos de recorrer a esses modelos que tentam codificar a complexidade do clima e, hoje, somos limitados pelo tamanho dos computadores."

Palem afirma que as tecnologias utilizadas para construir os atuais supercomputadores serão caras demais para criar um computador capaz de processar um bilhão de bilhões de cálculos por segundo – um exaflop. Em vez disso, ele defende que computar a velocidade do aquecimento pode ser possível com um novo tipo de computador que usaria chips de baixo consumo para resolver parte do problema.

Ele descreve essa abordagem como computação "inexata". "É uma forma de computar com baixo consumo de energia."

A meta declarada dos engenheiros que estão tentando projetar um computador na escala exa é ficar dentro de um orçamento de energia de 30 megawatts. Contudo, Andreas Bechtolsheim, projetista de redes e computadores de alto desempenho, observou que com a tecnologia atual, seria necessário decuplicar o desempenho dos atuais projetos mais eficazes.

Palem vem pedindo ao mundo da informática para se afastar de seu romance com a precisão há mais de uma década. Há pouco tempo ele conseguiu aliados entre os climatologistas, tais como Palmer, que na publicação "Naturerecently" conclamou a comunidade climatológica à formação de um esforço internacional para construir uma máquina veloz o bastante para resolver questões básicas sobre a velocidade do aquecimento global.

"Astrônomos e físicos de alta energia sabem há muito tempo que a cooperação internacional é fundamental para concretizar a infraestrutura de que necessitam para fazer ciência de vanguarda. Está na hora de reconhecer que a previsão do clima é 'ciência grande' de um nível similar", ele escreveu.

A iniciativa de Palem recebeu alguma ajuda no mês passado quando ele foi premiado com uma bolsa de estudos da Fundação Guggenheim para apoiar a pesquisa com computação de baixo consumo de energia para a previsão do clima.

Entretanto, nem todos estão convencidos de que sua arquitetura computacional será aplicável.

"A computação inexata funciona bem para aplicações móveis em que a consequência de escolher erradamente é baixa. Para problemas importantes, em que os resultados inexatos poderiam levar uma ponte a ser mal calculada ou a conclusões errôneas sobre os mecanismos do clima, a inexatidão é problemática", afirmou John Shalf, chefe do departamento de Ciências da Computação do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley.

Palem e Palmer estão tentando superar essas objeções. No começo do ano, durante conferência de informática técnica na Europa, eles apresentaram um estudo segundo o qual eles podem reduzir acentuadamente a necessidade energética sem comprometer a exatidão da simulação.

Para Palmer, a defesa do investimento necessário não requer explicações.

"É uma quantidade corriqueira de dinheiro quando se pensa no impacto climático na casa dos trilhões de dólares. Na verdade, é uma questão existencial. Se em uma das pontas do espectro nós podemos ajustar, na outra ponta, não vamos sair se não cortarmos as emissões na próxima década."