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La potenza di HPC5, un contributo contro la pandemia

Il progetto Exscalate4CoV e il ruolo del supercomputer Eni nella battaglia contro il Covid-19.

di Maria Pia Rossignaud
03 giugno 2020
9 min di lettura
diMaria Pia Rossignaud
03 giugno 2020
9 min di lettura

Lo sviluppo tecnologico ha il grande vantaggio di fornire strumenti polivalenti e rivelarsi utilissimo all’uomo, creando connessioni inaspettate, soprattutto nei momenti di crisi. Un caso ad esempio, è quello di Eni e dell'Unione Europea unite nella lotta contro il Covid-19. Come? Attraverso lo stanziamento di fondi adeguati, la creazione di una rete di ricercatori, le università, le aziende farmaceutiche di altissimo livello e grazie all’utilizzo di uno dei più potenti calcolatori al mondo.

Sono questi i pilastri del progetto Exscalate4Cov, un programma di cooperazione tra Pubblico e Privato, finanziato dal fondo dell'Unione Europea Horizon 2020: un’iniziativa volta a contrastare la pandemia del Coronavirus e a migliorare la gestione e l’assistenza dei pazienti. Il consorzio E4C, coordinato dall’azienda farmaceutica italiana Dompé Farmaceutici, riunisce diciotto istituzioni e centri di ricerca in sette Paesi europei e utilizza il supercomputer HPC5 del Green Data Center di Eni. Il nome del progetto che parte da un acronimo, EXSCALATE ovvero EXaSCale smArt pLatform Against paThogEns (in italiano “piattaforme intelligenti di calcolo exascale per il contrasto dei patogeni”), richiama ai macchinari di calcolo exascale, che attualmente, costituiscono le piattaforme di supercalcolo intelligente più potenti ed efficienti a livello di utilizzo energetico al mondo. E4C ha una “biblioteca chimica” di 500 miliardi di molecole e una capacità di elaborazione di oltre 3 milioni di molecole al secondo, risorsa fondamentale nella ricerca di un vaccino contro un agente patogeno.

Il supercalcolatore HPC5

L’inclusione di Eni in un progetto di tale entità è direttamente legata alla ricerca scientifica e all’innovazione tecnologica cui l’azienda energetica italiana ha sempre assegnato un ruolo fondamentale. Infatti, proprio nel 2020 l’azienda ha inaugurato il supercalcolatore HPC5 (acronimo di High Performance Computing Layer 5, ovvero un calcolatore di alto rendimento di livello 5). Un “super-cervellone” di ultima generazione, tra i dieci computer più potenti al mondo, il primo tra i non governativi, che, combinato al suo predecessore HPC4, riesce a raggiungere una velocità di calcolo pari a 70 milioni di miliardi di operazioni matematiche in un secondo (petaFLOP/s). Una cifra impressionante, soprattutto se si considera che HPC4 da solo, con un terzo della sua velocità, impiega due mesi a elaborare le stesse informazioni che la nuova macchina svolge in dieci giorni. Ciò costituisce un fondamentale avanzamento per catalizzare le ricerche di chimica teorica necessarie a impostare il lavoro dei ricercatori che si stanno occupando del vaccino contro il COVID-19. Mappare la molecola di un virus e le sue interazioni con altre molecole richiede milioni di abbinamenti e verifiche, un lavoro minuzioso di raccolta dati e di catalogazione che solo un sistema di processori tanto potente riesce a svolgere in tempi più o meno rapidi. Ma un altro enorme vantaggio di questo macchinario riguarda la sua alimentazione: l’HPC5 è al primo posto tra i computer finora prodotti in tutto il mondo per risparmio energetico. Con un solo Watt di elettricità, è in grado di calcolare quasi venti miliardi di operazioni al secondo, uno strumento si può dire avveniristico, di cui Eni si è dotata per studiare la conformazione della Terra applicando sofisticati algoritmi che permettono di ottenere modelli geofisici molto approfonditi. Si è riusciti, ad esempio, a elaborare modelli del sottosuolo talmente accurati da individuare cosa si nasconde diversi chilometri sotto la superficie. È così che è stato possibile arrivare a Zohr, il più grande giacimento di gas mai scoperto nel Mediterraneo.

Partecipare al progetto Exscalate4CoV

Ma pur essendo stato ideato e finora utilizzato per tutt’altro scopo, in un momento come questo, HPC5 è diventato anche un alleato fondamentale della scienza. Il fatto poi che si trovasse già collocato sul suolo europeo ha costituito un valore aggiunto. Solo poche settimane prima dello scoppio dell’epidemia del COVID-19 infatti, la Presidente della Commissione Europea, Ursula von der Leyen, aveva definito l’indipendenza infrastrutturale nell’ambito tecnologico come una delle priorità di sviluppo del Vecchio Continente. Dotarsi di macchinari e software adeguati, poteva essere un modo per guadagnare autonomia evitando così di dover ricorrere alle tecnologie di privati o statali di altri Paesi oltre a salvaguardarsi dai i rischi che il grande traffico di dati sulla rete oggi comporta. Da questo punto di vista, il consorzio Exscalate4Cov ha anche un valore maggiore perché tenta di stabilire una connessione virtuosa tra diversi attori europei, in un contesto di crisi epidemiologica come quello attuale. Francesco Frigerio, ricercatore di Eni, ci spiega come è nata l’intera vicenda: “Eni ha aderito al progetto Exscalate4CoV, mettendo a disposizione competenze ed esperienza di ricerca e la capacità di calcolo del supercalcolatore industriale HPC5. L’obiettivo di Exscalate4CoV è quello di mettere insieme conoscenze e tecnologia a livello europeo per fronteggiare al meglio e in tempi rapidi la pandemia, individuando i farmaci più sicuri e promettenti nella lotta al Covid-19”.

Di cosa si occuperà esattamente questo potentissimo macchinario? “Insieme a CINECA, il Consorzio Interuniversitario per il Calcolo Automatico tra i maggiori poli di ricerca computeristica del mondo,” continua Frigerio "abbiamo iniziato a lavorare con l’obiettivo di fare simulazione dinamica molecolare delle proteine sulla superficie di SARS-CoV2, che giocano un ruolo chiave nel meccanismo di infezione del virus. I dati che si otterranno dalla modellazione del comportamento di queste proteine su HPC5, serviranno alla fase successiva del lavoro guidata da Dompé durante la quale si confronteranno le strutture con quelle di una banca dati contenente i 10.000 principi attivi dei composti farmaceutici oggi noti. In questo modo, ci si propone di individuare quali fra questi principi attivi – magari un principio attivo sviluppato per curare una malattia completamente diversa – può interagire con il virus e bloccarlo”.

In altre parole, HPC5 simulerà il comportamento dinamico delle molecole e studierà come queste interagiscono fra loro (ciò che tecnicamente si chiama modellazione molecolare). In questo modo si riuscirà a capire, ad esempio, in che modo il virus risponde al principio attivo di un dato farmaco. Tali calcoli richiedono una potenza di elaborazione impressionante per grandezza, infatti “se questa stessa attività si dovesse fare senza l’aiuto di un grande supercomputer, avremmo bisogno di anni, mentre è probabile che noi in un paio di mesi riusciremo a modellare le circa trenta proteine presenti in Covid-19, per consegnare il lavoro ad altri ricercatori che potranno fare attività sperimentale. Il traguardo entro cui si confida di poter avere un farmaco efficace è la fine del 2020”, continua Frigerio.

Software open source e ricerca collaborativa

Inoltre, secondo i ricercatori, a fare la differenza sarà anche il software scelto per elaborare i dati raccolti. Si chiama Gromax ed è un programma di simulazione dinamica molecolare open source (cioè senza proprietario, aperto a tutti per la modifica e la condivisione dei dati) in grado di sfruttare al meglio le 7280 GPU (unità di elaborazione grafica ottimizzate per il calcolo parallelo di grandi volumi di dati) del supercalcolatore HPC5. Non solo si stanno mettendo in rete diverse realtà e istituzioni, ma si sta ponendo anche molta attenzione all’impatto ambientale, puntando su un modello di ricerca collaborativa. In tal senso, all’interno del territorio dell’Unione Europea, si sono uniti organi pubblici, privati, fondazioni, università e aziende del settore scientifico che, tramite la Commissione, hanno esercitato la funzione di incubatori e principali finanziatori. Un risultato questo non irrilevante se si considerano tutti i timori scaturiti dalla pandemia e le modalità con le quali si sta ricercando il vaccino ed eventuale futura collocazione commerciale. Il fatto che diverse realtà continentali riescano a collaborare attivamente per un bene comune maggiore è senz’altro un motivo di vanto per l’UE e per le stesse parti coinvolte. Del resto, anche il modus operandi scelto dai ricercatori privilegia la cooperazione internazionale. Non a caso si è scelto il modello open source, che favorisce lo scambio di dati e risultati e la possibilità di attingere ai progressi degli altri in un’ottica che è tutt’altro che speculativa ma decisamente orientata alla collaborazione.

“Personalmente credo molto nel valore etico dell’open source e dell’apertura della conoscenza in generale” riprende Frigerio. “Nel caso della ricerca di farmaci, così come di vaccini, utili a bloccare il Coronavirus, senza open science, e quindi la messa a disposizione di tutti delle sequenze di genoma di tutti i virus collegati a SARS-CoV2 come dei repository (depositi ndr) di ricerca contenenti la struttura delle proteine, non sarebbe stato possibile fare nulla. Nessuno, solo con i propri mezzi, avrebbe potuto raggiungere i risultati che stiamo invece raggiungendo tutti insieme, Oltre al sostegno finanziario, mettendo a disposizione HPC5, Eni ha messo a fattor comune il know how dei propri ricercatori. Adesso più che mai" conclude Frigerio "accanto alle risorse finanziarie, occorre una massima apertura della conoscenza, più intelligenze che aggregate tra loro, fermino la propagazione di questo nuovo virus”.