Universidad Nacional Autónoma de México
Dirección General de Servicios de Cómputo Académico
Año 7 Núm. 74, Publicación Mensual, 27 de Noviembre de 2008

ARTÍCULOS

 

Año 6, Número 63, Octubre de 2007

Kan Balam: herramienta para competir con investigación de frontera
Karin Hollenberg
José Antonio Sánchez Yllanez

Kan Balam es la supercomputadora paralela más poderosa de México y América Latina con una capacidad de procesamiento de 7.113 Teraflops (7.113 billones de operaciones aritméticas por segundo). Cuenta con 1,368 procesadores (cores AMD Opteron de 2.6 GHz), una memoria RAM total de 3,000 Gbytes y un sistema de almacenamiento masivo de 160 Terabytes. Se encuentra instalada en la Dirección General de Servicios de Cómputo Académico (DGSCA) de la UNAM.
La asignación de recursos para el uso de Kan Balam es mediante convocatoria abierta y permanente a la comunidad universitaria, a cargo del Comité Académico de Supercómputo integrado por especialistas de diversas dependencias universitarias.

A ocho meses de su puesta en marcha, la supercomputadora Kan Balam (1) registró más de 4,500,000 horas de uso de CPU, con una utilización del 81.18% de su capacidad instalada, durante el periodo del 16 de enero al 30 de septiembre de 2007.

En el equipo de supercómputo de la UNAM trabajan 190 usuarios, de 31 dependencias universitarias, quienes desarrollan 90 proyectos de investigación en temas como la modelación de la calidad del aire, superconductividad, predicción de estructuras de proteínas, tectónica, interacción de ADN con elementos atmosféricos, fármacos, dinámica interestelar, nanociencias y algoritmos genéticos, entre muchos más.

Nubes interestelares formadas mediante cálculo numérico en Kan Balam de una región de alrededor 100 años luz, al cabo de aproximadamente 10 millones de años. Las nubes se forman por colisiones de corrientes de gas interestelar, definidas por tonalidades de blanco a rojo, pasando por verde y amarillo, que indican sucesivamente un mayor grado de compresión en el gas. En las regiones más densas (en rojo), se formarán las estrellas y sistemas solares.

Los académicos que utilizan el equipo de supercómputo de la UNAM provienen de los centros de Ecología, Geociencias; de Investigaciones Interdisciplinarias en Ciencias y Humanidades; las facultades de Ciencias, Contaduría y Administración; de Estudios Superiores Cuautitlán y de Estudios Superiores Zaragoza. Así como de los institutos de Astronomía en sus sedes de Ciudad Universitaria, Ensenada y Morelia; Instituto de Matemáticas, Unidad Cuernavaca; de Biología, Biotecnología, Ciencias Nucleares, Física, Fisiología Celular, Geofísica, Geografía, Geología, Ingeniería, Investigaciones en Materiales, Investigaciones en Matemáticas Aplicadas y en Sistemas, entre varios más.

El proceso de investigación que mayor número de horas de uso ha demandado de Kan Balam es el denominado “La turbulencia interestelar y sus implicaciones en la formación de las estrellas”, con 200 mil horas de CPU, desarrollado por los investigadores Enrique Vázquez Semadeni, Javier Ballesteros, Adriana Gazol, Ricardo González y Robbie Banerjee, así como el estudiante Raúl Naranjo del Centro de Radioastronomía y Astrofísica (CRyA), del Instituto de Astronomía, con sede en Morelia.

La investigación “Simulación 3D en paralelo de grandes sismos de subducción superficiales” de Mario Chávez González, del Instituto de Ingeniería, y Eduardo Cabrera Flores de la Dirección General de Servicios de Cómputo Académico (DGSCA) utilizó 1,024 procesadores por siete horas, cantidad de proceso extraordinaria, que fue autorizada por el Comité Asesor de Cómputo mediante acuerdo excepcional.

La turbulencia interestelar y sus implicaciones en la formación de las estrellas

Esta investigación consiste en la realización de simulaciones numéricas de turbulencia supersónica en el medio interestelar de nuestra galaxia en diversos regímenes, con la finalidad de entender la formación de nubes interestelares y, dentro de ellas, de las estrellas, ambos procesos inducidos por la turbulencia.

Enrique Vázquez Semadeni explicó que esta investigación describe cómo nacen las estrellas, cómo se forman, en dónde, con qué frecuencia, cuántas y de qué masas, como parte del estudio de formación estelar que se hace en todo el mundo.
Destacó que una aportación suya de frontera consiste en la realización del primer cálculo numérico de formación de nubes interestelares y, simultáneamente, de formación de estrellas dentro de ellas, que además de gravedad, turbulencia y enfriamiento, incluye al campo magnético.

“La inclusión del campo magnético es un aspecto novedoso de este estudio de la UNAM, ya que hasta ahora no se había tomado en cuenta, a pesar de que se sabe que el campo magnético es importante en las nubes de nuestra galaxia. Otros grupos en el mundo realizan estudios similares pero, por ahora, llevamos la delantera en este aspecto. Los resultados de este cálculo, que debe concluir en algunas semanas más en su proceso en Kan Balam, deberán de resolver muchas incógnitas sobre la rapidez con la que se forman las estrellas en la galaxia.”

Precisó que lo que la meteorología busca en el planeta, y su grupo lo estudia a escala de nuestra galaxia; es algo así como el estudio del clima de nuestra galaxia. En particular, así como en la atmósfera terrestre se forman las nubes y éstas producen lluvia, de la misma manera en el espacio se forman nubes y estas “gotas de lluvia” serían las estrellas.

En diversas etapas del desarrollo del estudio de “Turbulencia interestelar”, los astrónomos universitarios han trabajado con el apoyo de entre 30 y 140 procesadores de Kan Balam, y con el cluster del CRyA, permitiéndoles realizar cálculos numéricos que anteriormente estaban fuera de su alcance. Por ejemplo, un cálculo que realizan actualmente en Kan Balam, lleva aproximadamente un mes de procesamiento en 100 procesadores. “En el cluster del CRyA esto se llevaría hasta medio año”, sentenció Enrique Vázquez al precisar que: “Kan Balam da la oportunidad de ejecutar cálculos mucho más rápidos e incluso, hacer algunos que simplemente “no caben” en el cluster del CRyA”.

Enrique Vázquez dijo que Kan Balam es una herramienta fundamental, la cual permite competir y hacer cálculos numéricos de la misma envergadura que en el resto del mundo.
“Lo más importante de Kan Balam es el equipo de investigadores y soporte que la utilizan. No sólo es la potencia de una supercomputadora, sino cómo se usa; la habilidad para encontrar las preguntas clave. Es maravilloso tener una herramienta como ésta, pero por sí sola no es suficiente; se necesita del ingenio y la creatividad para sacarle el mayor provecho y así, si se conjuntan ambas cosas, se tiene la posibilidad de estar en la frontera de la investigación mundial”, concluyó.

Campo de velocidades de propagación en la dirección X, para f £ 0.2 hz, en la superficie del volumen discretizado, 48 y 120s después del inicio del sismo modelado del 19/09/85, Ms=8.1.

Simulación 3D en paralelo de grandes sismos de subducción superficiales

Mario Chávez comentó que los sismos de subducción superficiales de magnitudes Mw mayores a 8 en la vecindad de zonas altamente pobladas, como los ocurridos en Indonesia el 26 de diciembre de 2004, o el del 19 de septiembre de 1985 con epicentro a 340 kms de la Ciudad de México y Mw 8.01, generalmente producen pérdidas importantes a la sociedad, tanto en términos de vidas humanas como económicas.

Dado que el periodo de recurrencia estimado para este tipo de sismos varía de decenas a centenas de años, y las observaciones instrumentales de los mismos data de solo un poco más de 100 años, existe gran interés por parte de la sociedad y, especialmente, de la comunidad sismológica e ingenieril en la obtención de los llamados sismogramas sintéticos (gráficas que muestran la variación en el tiempo de las amplitudes del movimiento del terreno durante los sismos), mediante modelos matemáticos que reflejen de forma adecuada las características de los sismos observados, es decir, la propagación de las ondas sísmicas, que incluyan tanto la fuente sísmica, como la estructura de la corteza terrestre desde la fuente hasta el sitio de interés (por ejemplo, la Ciudad de México o la presa El Cajón de la CFE).

Esta investigación la realiza Mario Chávez en colaboración con Eduardo Cabrera (DGSCA), Raúl Madariaga (ENS de París) y Kim B. Olsen (Univ. de California, San Diego) desde 2001, cuando iniciaron el modelado 3D de sismos de subducción superficiales con epicentro en las costas del Pacífico de México. Para su trabajo han utilizado los equipos de Supercómputo Origin 2000, el cluster HP Bakliz y en los últimos meses, el cluster HP KanBalam, todo ellos de la UNAM. Mario Chávez y Eduardo Cabrera agregaron “Los dos primeros equipos permitieron la obtención exitosa (comparada con las observaciones) de sismogramas sintéticos 3D (es decir, de los dos componentes horizontales y la componente vertical) de los sismos del 9 de octubre de 1995, Mw 8.1 con epicentro en la vecindad de Manzanillo, Colima (2) y el del 19 de septiembre de 1985 con discretizaciones espaciales de 1000 y 500 metros de volúmenes de la corteza terrestre de 500 x 600 x 125 kilómetros que agotaban su capacidad de memoria existentes”.

Sin embargo, con la entrada en funcionamiento de Kan Balam, en los últimos meses se han mejorado los resultados del modelado en bajas frecuencias (hasta 0.125Hz) del sismo del 19 de septiembre de 1985, con discretizaciones espaciales de 250 y 125 metros (similares a las que utilizan en USA y Japón).

Por otro lado, agregaron que la última discretización requirió la utilización de 1,024 de los 1,368 procesadores de Kan Balam. Además, con los resultados 3D y el apoyo de los Departamentos de Supercómputo y Visualización de la DGSCA se han obtenido, por primera vez, las visualizaciones 3D de la propagación de las ondas sísmicas generadas durante el sismo de 1985, lo cual permite explicar las características de las escasas observaciones instrumentales con que se cuenta para este sismo. Mario Chávez mencionó que la comparación de los sismogramas sintéticos, obtenidos con las discretizaciones de 250 y 125 metros, con las observaciones del sismo de 1985 en suelo firme o roca, tanto en la llamada zona epicentral, como en la Ciudad de México, fueron satisfactorias (3).

Esto último es de gran utilidad para la generación de sismogramas sintéticos 3D asociados a escenarios de ocurrencia de sismos superficiales de subducción “extremos”, como los que se esperan ocurran en la llamada “laguna sísmica” de Guerrero (o en otras partes de la costa del Pacífico de México, desde Jalisco hasta Chiapas), cuyas magnitudes Mw podrían ser de alrededor de 8.5. Los resultados de dichos escenarios como, por ejemplo, las aceleraciones máximas esperadas del terreno en sitios de interés, podrán eventualmente ser incorporadas en los reglamentos sísmicos de construcción en sitios o ciudades de interés. Además, servirán para identificar las zonas de México que potencialmente podrían resultar más afectadas, de ocurrir los escenarios sísmicos “extremos” mencionados, para fines de prevención sísmica.

Finalmente, Mario Chávez y Eduardo Cabrera comentaron que los resultados obtenidos en esta investigación, muestran que el uso de cómputo de alto rendimiento en la UNAM es imprescindible para hacer ciencia de frontera, obtener resultados de utilidad inmediata para la sociedad, además de permitir a los investigadores nacionales estar a la par de sus colegas internacionales.

Para mayor información:

http://www.super.unam.mx/index.php?op=eqhw

NOTAS

1. Véase Gaceta UNAM, num. 3,953 del 18 de enero de 2007.
http://www.dgcs.unam.mx/gacetaweb/historico.html

2. Chávez M., Olsen K. B., Cabrera E. Broadband modeling of strong ground motions for prediction purposes for subduction earthquakes occurring in the Colima-Jalisco region of Mexico, XIIIWCEE, Vancouver, Canada, CD-Rom, Paper 1653, 2004.

3. Cabrera E , Chavez M., Madariaga R. , Perea N., Frisenda M. 3D Parallel Elastodynamic Modeling of Large Subduction Earthquakes,EUROPVM/MPI 2007, París, 2007.


 

 

 

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