Computación para experimentar con Sistemas Complejos

¿Qué tienen en común el lanzamiento de un satélite al espacio, la dinámica de los fluidos y la investigación sobre el origen del universo? En todos estos ejemplos, aparentemente distantes entre sí, se utiliza modelado y simulación computacional, métodos fundamentales que recurren a la computadora como laboratorio de investigación.

En el área de Modelado y Simulación Computacional del ICC se estudia la naturaleza y los sistemas de las ingenierías apoyados en tecnologías de la información y las comunicaciones. Frecuentemente no es posible realizar un experimento porque resulta muy costoso, riesgoso o complejo llevarlo a cabo mediante ensayos tradicionales. Por este motivo, a través de modelos formales lógico-matemáticos, o modelos ciber-físicos, se formalizan estructuras y reglas de comportamiento para un sistema bajo estudio permitiendo indagar su evolución en el tiempo. Esto hace posible razonar sobre el modelo, que es una abstracción de la realidad, mediante “experimentos” del tipo “qué pasaría si…”, explorando las consecuencias de realizar cambios sobre el sistema original y su entorno.

Para generar una simulación por computadora, primero se define cuál es el fenómeno que se quiere estudiar (ingenieril, físico, químico, biológico, meteorológico, socioeconómico, urbano, etc.) o combinaciones de ellos. Luego se proponen ecuaciones matemáticas que rigen el comportamiento del fenómeno. Una vez establecidas esas fórmulas, para que se transformen en resultados prácticos cuantitativos, es necesario usar recursos computacionales y, en particular, software eficiente para modelado y simulación. De este modo, el conjunto de técnicas que se usan para resolver los modelos numéricos constituye la denominada simulación por computadora o modelo computacional, que trata de imitar la realidad del fenómeno y capturar aquellas características elegidas como principales por el investigador.

Uno de los desafíos que se presentan en este área de trabajo es el de poder combinar en un mismo modelo diversos fenómenos físicos/naturales con fenómenos humanos/sociales, lo que suele requerir la confección de modelos híbridos.

“Si imaginamos por ejemplo el caso de una inundación en una ciudad combinado con el tránsito vehicular, por un lado existe software para modelar y simular tránsito urbano y, por otro lado, herramientas para estudiar el comportamiento de fluidos, pero modelar la interacción entre ambos fenómenos puede ser muy complicado”, explica Rodrigo Castro, investigador del ICC, doctor en ciencias de la computación y profesor en el Departamento de Computación de Exactas-UBA.

Inundar a propósito una ciudad para entender su funcionamiento o generar un atasco real de tráfico sería inviable y absurdo, tanto por sus riesgos como por los costos que ello implica. Para abordar este tipo de escenarios se utiliza simulación y control híbrido (combinación de sistemas discretos y continuos) y computación distribuida (sistemas y plataformas de cómputo paralelo y distribuidos).

En un modelo continuo, lo físico sería por ejemplo el comportamiento del agua o de la temperatura ambiente, que se modela mediante ecuaciones bien conocidas. En cambio la parte discreta sería cómo reacciona un conductor ante la emergencia de calles anegadas, si frena o sigue, dónde dobla o retoma una calle, etc., lo que se conoce como un sistema de agentes móviles. Este tipo de combinaciones de fenómenos de distinta naturaleza suelen dar lugar a sistemas complejos, aquellos que no admiten soluciones con un único tipo de teoría. “Es fundamental considerar cuál es la escala de tiempo (segundos, minutos, horas o días) en la que ocurren los eventos que se pretenden simular, por ejemplo para el caso de la inundación y el comportamiento de peatones y conductores. Combinar escalas de tiempo grandes y pequeñas es una tarea compleja si se quiere obtener resultados en tiempos razonables”, expone el investigador.

El ICC y el experimento ATLAS en CERN

En el año 2013, el Departamento de Computación se sumó a una iniciativa de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN con sede en Ginebra, Suiza) para incorporar colaboraciones específicas en computación, siguiendo un modelo ya consolidado internacionalmente para el área de física. En este contexto, el grupo de Simulación de Eventos Discretos, del Área de Modelado y Simulación del ICC, dirigido por Castro, mantiene una colaboración permanente con el experimento ATLAS en CERN. ATLAS es uno de los detectores del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, ocasionalmente popularizado como “máquina de Dios”), un anillo de 27 km de circunferencia ubicado 100 metros bajo tierra. En dicho ATLAS se explora la naturaleza fundamental de la materia que nos rodea y las fuerzas elementales que dan forma al universo. Más de 3000 científicos de 38 países colaboran actualmente en ATLAS.

El grupo de becarios e investigadores de Exactas desarrollan nuevos algoritmos y métodos de modelado y simulación computacional, abarcando desde la simulación de la trayectoria de partículas subatómicas hasta la simulación de redes de datos, data centers y clusters que procesan en tiempo real unas 40 millones de colisiones de partículas por segundo (como referencia, se estima que el detector de colisiones de partículas de ATLAS genera y procesa entre 60 y 80 Terabytes por segundo, lo que equivale a un orden cercano a dos veces el tráfico mundial de Internet). El trabajo es riguroso y se aspira a no perder ni un byte de información durante la captura y filtrado de datos de la física. Los datos que son considerados útiles se almacenan permanentemente para que, luego, equipos de físicos de todo el mundo pueda analizarlos. “Diseñar estas redes y clusters para que sean eficientes y procesen cada vez más información es un desafío de una escala enorme. Gran parte de las decisiones que se toman sobre cómo diseñar sus redes y protocolos toman en cuenta resultados provistos por el modelado, simulación y control automático de infraestructuras de cómputo intensivo”, afirma Castro.

Y concluye: “proveemos mecanismos para evaluar los futuros diseños de las redes de datos y definir nuevas arquitecturas de procesamiento. En esta instancia los estudiantes de grado y doctorado del grupo toman las problemáticas de ATLAS como contexto para sus temas de tesis, hacen estadías de investigación en el CERN y los mejores avances en nuevos modelos y motores de simulación se traducen en publicaciones científicas del área”.

Argentina y el CERN

En su reciente publicación “Argentina y el CERN” el Ministerio de Relaciones Exteriores y Culto, a través de la Misión Permanente de la República Argentina ante los Organismos Internacionales en Ginebra puso de relieve la contribución de científicos argentinos a los experimentos que operan en el LHC, el mayor experimento en física del mundo, en donde el grupo de Simulación de Eventos Discretos del ICC viene desarrollando un rol importante.