Supercómputo al servicio de la sociedad

Dr. José Luis Morán López Coordinador del Grupo de Ciencia e Ingeniería Computacionales (GCIC), IPICYT

El IPICYT ha contado con equipos de supercómputo desde el 2006. En ese año se inauguró el Centro Nacional de Supercómputo (CNS) y fue reconocido como un Laboratorio Nacional por el entonces Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT).

Una supercomputadora es una computadora que puede realizar un número extremadamente grande de operaciones matemáticas por segundo, comparada con otros equipos disponibles en ese momento.

Las capacidades para realizar un número dado de operaciones matemáticas por segundo han ido en aumento desde el primer equipo que se construyó en 1946. A esa máquina se le llamó Computador e Integrador Numérico Electrónico (ENIAC, acrónimo de Electronic Numerical Integrator And Computer). Aunque originalmente se diseñó para calcular la trayectoria de misiles, pronto se empezó a usar en otros problemas. Entre ellos establecer las condiciones para hacer detonar la bomba atómica de hidrógeno.

La ENIAC ocupaba una superficie de 167 m² y operaba con un total de 17 468 tubos de vacío (conocidos vulgarmente como bulbos); su peso era de 27 toneladas y cuando estaba en operación subía la temperatura ambiente en la sala a 50 grados. Este equipo podía realizar cerca de 5000 sumas o 300 multiplicaciones por segundo.

Como anécdota es importante mencionar que esta computadora, aunque diseñada por  John Presper Eckert y John William Mauchly, fue programada principalmente por mujeres en la Escuela Moore de Ingeniería de la Universidad de Pennsylvania. Entre ellas se encontraban, Betty Holberton, Kay McNulty, Marlyn Wescoff, Ruth Lichterman, Betty Jean Jennings y Fran Bilas.  

Con el desarrollo del transistor, inventados en 1947 y puestos en operación a principios de los años 50, las cosas cambiaron drásticamente y se pudieron construir equipos cada vez mas potentes, que requerían un espacio mucho menor y se reducía la producción de calor y el consumo eléctrico.

En la actualidad la supercomputadora más rápida en el mundo es la llamada Frontier, fabricada por la compañía Cray en los Estados Unidos. Ésta es capaz de realizar en un segundo la fabulosa cantidad de 1.2 x10 18 operaciones (hexaflops). ¡¡¡Esa cantidad es un uno seguido por 18 ceros!!!  

La supercomputadora con la que contó en su inicio el CNS fue construida por la misma compañía y tenía un rendimiento de 0.95 x10 12 (Teraflops). Con el paso del tiempo los equipos principales han sido substituidos en 2007, 2013 y 2017. Nuestra supercomputadora actual, llamada Thubat Kaal 2, solo puede realizar un millón de veces menos operaciones por segundo que la más rápida del mundo. Aún así, es uno de los mejores equipos en el país y permite estudiar fenómenos complejos.

Con el fin de enseñar a utilizar la supercomputadora y promover su uso en problemas de alto impacto social, el Grupo de Ciencia e Ingeniería Computacionales, anidado en el Centro Nacional de Supercómputo, y con la colaboración de las Divisiones de Materiales Avanzados, Geociencias Aplicadas, Biología Molecular y Sistemas Dinámicos y Control, organizó en el mes de agosto y principios de septiembre cuatro Escuelas Nacionales de Supercómputo orientadas al estudio de problemas específicos. 

En la primera de ellas, la Escuela Nacional de Supercómputo para Biomedicina Molecular, los participantes aprendieron a usar herramientas de programación avanzadas para analizar y visualizar datos, habilidades esenciales en biomedicina. Se les entrenó en técnicas de inteligencia artificial (IA) para predicción y clasificación, aplicadas a proyectos de suma importancia, como la identificación de neumonía y COVID-19 y la clasificación de microalgas a partir de imágenes. Estos conocimientos les permitirán enfrentar problemas complejos y contribuir de manera significativa a la investigación en biomedicina. Se espera que estas aplicaciones puedan conducir a diagnósticos más precisos, tratamientos más efectivos y estrategias preventivas más sólidas.

En otra de las escuelas, la orientada a la Remoción de Contaminantes del Agua, se enseñó a los participantes, con visión fisicoquímica a nivel molecular, técnicas avanzadas de simulación de dinámica molecular clásica; el objetivo primordiales fue conducir a los estudiantes al uso de programas de simulación computacional. Estos estudios, pueden ayudar a preservar recursos vitales, garantizar la seguridad alimentaria y proteger los ecosistemas. 

El objetivo de la tercera escuela, orientada al vital estudio del cambio climático,  fue motivar la formación de profesionales en el tratamiento de datos geoespaciales de fenómenos asociados al cambio climático empleando estrategias y metodologías de vanguardia de inteligencia artificial. El aspecto fundamental es analizar variables relacionadas con el aspecto físico del clima como son: concentración de dióxido de carbono en la atmósfera, variabilidad en la temperatura superficial y niveles de precipitación, así como detectar modificaciones en indicadores en la cobertura superficial terrestre (desertificación, cuerpos de agua, etc.).

La última escuela, tuvo como objetivo enseñar a usar los métodos computacionales modernos y análisis matemático basado en teoría de sistemas dinámicos y de procesos estocásticos para series de tiempo de señales biomédicas; por ejemplo, de señales de resonancia magnética funcional (en el cerebro), electrocardiogramas, electroencefalogramas, entre otras. Una interpretación más exacta de los análisis médicos llevará a tratamientos más oportunos y adecuados.

Con el apoyo del Consejo Nacional de Humanidades, Ciencias y Tecnologías (CONAHCYT), se logró becar a 120 estudiantes provenientes de la mayor parte de los estados de la república. Éstos fueron escogidos de las 429 solicitudes recibidas, de las cuales 205 fueron mujeres y 224 fueron hombres. 

La adscripción así como la ubicación por estados de la república fue muy diversa y rica. Los aspirantes tenían su asiento en 23 de los 32 Estados de la república. Esto muestra el gran interés que generaron las actividades alrededor del uso de equipos de supecómputo a los temas, de gran impacto social, mencionados anteriormente. 

Las convocatorias para participar en las escuelas se difundieron también en latinoamérica, recibiendo solicitudes de nacionales de Ecuador, Perú y Colombia.

Otro aspecto a resaltar es que la mayoría de los que se registraron son estudiantes que cursan los últimos semestres de las carreras de biología, química, física, ingeniería ambiental y medicina. La enseñanza recibida les ayudará, sin duda, a orientar sus intereses y actividades en su vida profesional.

De las estadísticas se concluye que la aplicación de técnicas de supercómputo, que incluyen inteligencia artificial, lenguaje de máquina y procesamiento masivo de datos, a problemas de alto impacto social como son la salud, el tratamiento de agua, el calentamiento global y análisis moderno de las señales de tiempo asociadas a la salud humana, tienen un gran interés por parte de estudiantes e investigadores, tanto mexicanos como extranjeros.

El supercómputo es la tecnología informática más avanzada de cálculo numérico que existe actualmente para desarrollar investigaciones complejas de alto nivel de especialización; es la única herramienta que le permite al investigador llevar a cabo, con certeza y velocidad, billones de cálculos matemáticos para estudiar problemas de gran magnitud; su altísima capacidad para procesar simultáneamente grandes volúmenes de información facilita el estudio de fenómenos y condiciones que tan sólo hace menos 30 años eran imposible; sus aplicaciones abrieron en todo el mundo, nuevas líneas de investigación científica en áreas como ingeniería, medicina, geofísica, geografía, astronomía, química, ciencias de la atmósfera y ciencias nucleares, entre otras.

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