Цифровой двойник нашей планеты призван в будущем детально моделировать всю систему Земли. Он предназначен для информационн ой поддержки лиц, определяющих политику и принимающих решения. В новом стратегическом документе европейских ученых и компьютерных специалистов ETH Zurich показано, как этого можно достичь.
Чтобы стать климатически нейтральным к 2050 году, Европейский Союз запустил две амбициозные программы: Green Deal и DigitalStrategy. В качестве ключевого компонента их успешной реализации ученые-климатологи и ученые-информатики запустили инициативу Destination Earth, которая начнется в середине 2021 года и, как ожидается, продлится до десяти лет. В течение этого периода должна быть создана высокоточная цифровая модель Земли, цифровой двойник Земли, чтобы максимально точно отображать развитие климата и экстремальные явления в пространстве и времени.
Данные наблюдений будут постоянно вводиться в цифровой двойник, чтобы сделать цифровую модель Земли более точной для отслеживания эволюции и прогнозирования возможных будущих траекторий. Но в дополнение к данным наблюдений, которые обычно используются для моделирования погоды и климата, исследователи также хотят интегрировать в модель новые данные о соответствующей деятельности человека. Новая модель системы Земли будет максимально реалистично отображать практически все процессы на поверхности Земли, включая влияние человека на управление водными ресурсами, продуктами питания и энергией, а также процессы в физической системе Земли.
Цифровой двойник Земли призван стать информационной системой, которая разрабатывает и тестирует сценарии, которые демонстрируют более устойчивое развитие и, таким образом, лучше информируют политиков. «Например, если вы планируете построить двухметровую дамбу в Нидерландах, я могу просмотреть данные в моем цифровом двойнике и проверить, будет ли дамба по-прежнему защищать от ожидаемых экстремальных явлений в 2050 году», – говорит Питер Бауэр, заместитель директора по исследованиям Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF) и со-инициатор Destination Earth. Цифровой двойник также будет использоваться для стратегического планирования поставок пресной воды , продуктов питания, строительства ветряных и солнечных электростанций.
Движущими силами Destination Earth являются ECMWF (Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды), Европейское космическое агентство (ЕКА) и Европейская организация по эксплуатации метеорологических спутников (ЕВМЕТСАТ). Вместе с другими учеными Бауэр занимается климатологией и метеорологическими аспектами цифрового двойника Земли, но они также полагаются на ноу-хау компьютерных ученых из ETH Zurich и Швейцарского национального суперкомпьютерного центра (CSCS), а именно профессора ETH Торстена Хефлера из Института высокопроизводительных вычислительных систем и Томаса Шультесса, директора CSCS.
Для того чтобы сделать этот большой шаг в цифровой революции, Бауэр подчеркивает, что науки о Земле должны быть связаны с компьютерными науками. В недавней публикации в Nature Computational Science группа исследователей из области наук о Земле и компьютерных наук обсуждает, какие конкретные меры они хотели бы использовать для продвижения этой «цифровой революции наук о земных системах», где они видят проблемы и какие возможные решения можно найти.
В своей программной статье исследователи оглядываются на неуклонное развитие погодных моделей с 1940-х годов. Метеорологи первыми начали, так сказать, моделировать физические процессы на крупнейших компьютерах мира. Таким образом, как физик и специалист по информатике, Шультесс из CSCS убежден, что сегодняшние модели погоды и климата идеально подходят для определения совершенно новых способов эффективного использования суперкомпьютеров для многих других научных дисциплин.
В прошлом при моделировании погоды и климата использовались разные подходы к моделированию системы Земли. В то время как климатические модели представляют собой очень широкий набор физических процессов, они обычно не учитывают мелкомасштабные процессы, которые, однако, необходимы для более точных прогнозов погоды, которые, в свою очередь, фокусируются на меньшем количестве процессов. Цифровой двойник Земли объединит обе области и позволит моделировать в высоком разрешении сложные процессы всей системы Земли. Но для этого коды программ моделирования должны быть адаптированы к новым технологиям, обещающим значительно более высокую вычислительную мощь.
При наличии компьютеров и алгоритмов, доступных сегодня, очень сложные симуляции вряд ли могут быть выполнены с запланированным чрезвычайно высоким разрешением в один километр, поскольку на протяжении десятилетий разработка кода с точки зрения информатики застопорилась. Климатические исследования выиграли от возможности повысить производительность за счет использования процессоров нового поколения без необходимости кардинально менять свою программу. Этот бесплатный прирост производительности с каждым новым поколением процессоров прекратился около 10 лет назад. В результате современные программы часто могут использовать только 5 процентов максимальной производительности обычных процессоров.
Для достижения вычислительного прорыва авторы подчеркивают необходимость совместного проектирования, то есть совместной и одновременной разработки аппаратных средств и алгоритмов, что успешно продемонстрировала CSCS в течение десяти лет. Они предлагают обратить особое внимание на общие структуры данных и оптимизированную пространственную дискретизацию вычислительной сети. Ученые также предлагают отделить коды для решения научной проблемы от кодов, которые оптимально выполняют вычисления в соответствующей системной архитектуре. Эта более гибкая структура программы позволит быстрее и эффективнее переключиться на будущие архитектуры.
Авторы также видят большой потенциал в искусственном интеллекте. Его можно использовать, например, для ассимиляции данных или обработки данных наблюдений, представления неопределенных физических процессов в моделях сжатия данных. Таким образом, ИИ позволяет ускорить моделирование и отфильтровать наиболее важную информацию из больших объемов данных. Кроме того, исследователи предполагают, что использование машинного обучения не только делает вычисления более эффективными, но и может помочь более точно описывать физические процессы.
Ученые рассматривают свой стратегический документ как отправную точку на пути к созданию цифрового двойника Земли. Среди компьютерных архитектур, доступных сегодня и ожидаемых в ближайшем будущем, суперкомпьютеры на базе графических процессоров (GPU) представляются наиболее многообещающим вариантом. По оценкам исследователей, для работы цифрового двойника в полном масштабе потребуется система с примерно 20 000 графических процессоров, потребляющая примерно 20 МВт энергии. Как по экономическим, так и по экологическим причинам такой компьютер должен работать в месте, где генерируемая электроэнергия с нейтральным выбросом CO2 доступна в достаточном количестве.
Комментарий Редакции: Как можно понять из этих довольно скупых официальных данных, современные официальные адепты, используя современные официальные графические адаптеры в количестве 20 000 штук (то есть не самый сложный суперкомпьютер) способны смоделировать Землю в разрешении 1 квадратный километр на пиксель. И это – используя существующее программное обеспечение, эффективность которого, как пишут, 5%. Если, используя тот же компьютер на 20 000 процессоров улучшить софт, разрешение можно повысить в 20 раз. А если и компьютер будет более продвинутый, то разрешение можно довести и к пределам человеческого зрения, которые не сильно и велики. Потом останется только населить этот мирок цифровыми человечками, так что следим за развитием событий.
P.S. Все выше изложенное – это довольно пессимистичный сценарий светлого цифрового будущего, на что мы указывали неоднократно используя слово “официальный”. То есть существуют компьютеры официальные, на которых трудятся профессор Питер и профессор Том, а есть компьютеры, про которые эти светлые адепты еще и не слышали, они опережают существующий ширпотреб на десятилетия, если не на столетия. Поэтому вполне может быть, что мы с вами уже давно живем внутри цифрой Земли, но момент когда нас сюда впихнули мы как-то упустили.