Des scientifiques commencent à construire un jumeau numérique très précis de notre planète – Technoguide

Pour devenir climatiquement neutre d’ici 2050, l’Union européenne a lancé deux programmes ambitieux: «Green Deal» et «DigitalStrategy». En tant qu’élément clé de leur mise en œuvre réussie, les climatologues et les informaticiens ont lancé l’initiative «Destination Terre», qui débutera à la mi-2021 et devrait durer jusqu’à dix ans. Pendant cette période, un modèle numérique très précis de la Terre doit être créé, un jumeau numérique de la Terre, pour cartographier le développement climatique et les événements extrêmes aussi précisément que possible dans l’espace et dans le temps.

Les données d’observation seront continuellement incorporées dans le jumeau numérique afin de rendre le modèle numérique de la Terre plus précis pour surveiller l’évolution et prédire les trajectoires futures possibles. Mais en plus des données d’observation classiquement utilisées pour les simulations météorologiques et climatiques, les chercheurs souhaitent également intégrer de nouvelles données sur les activités humaines pertinentes dans le modèle. Le nouveau «modèle du système terrestre» représentera pratiquement tous les processus à la surface de la Terre de la manière la plus réaliste possible, y compris l’influence des humains sur la gestion de l’eau, de la nourriture et de l’énergie, et les processus du système terrestre physique.

Système d’information pour la prise de décision

Le jumeau numérique de la Terre se veut un système d’information qui développe et teste des scénarios qui montrent un développement plus durable et donc mieux éclairer les politiques. «Si vous prévoyez une digue de deux mètres de haut aux Pays-Bas, par exemple, je peux parcourir les données de mon jumeau numérique et vérifier si la digue continuera selon toute vraisemblance à protéger contre les événements extrêmes prévus en 2050», déclare Peter Bauer , directeur adjoint de la recherche au Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (ECMWF) et co-initiateur de Destination Earth. Le jumeau numérique sera également utilisé pour la planification stratégique des approvisionnements en eau douce et en nourriture ou pour les parcs éoliens et les centrales solaires.

Les forces motrices de Destination Earth sont l’ECMWF, l’Agence spatiale européenne (ESA) et l’Organisation européenne pour l’exploitation des satellites météorologiques (EUMETSAT). Avec d’autres scientifiques, Bauer dirige la science du climat et les aspects météorologiques du jumeau numérique de la Terre, mais ils s’appuient également sur le savoir-faire des informaticiens de l’ETH Zurich et du Centre national suisse de calcul intensif (CSCS), à savoir les professeurs de l’ETH Torsten Hoefler. , de l’Institute for High Performance Computing Systems, et Thomas Schulthess, directeur du CSCS.

Afin de franchir ce grand pas dans la révolution numérique, Bauer insiste sur la nécessité pour les sciences de la terre de se marier aux sciences informatiques. Dans une publication récente dans Nature Computational Science, l’équipe de chercheurs des sciences de la terre et de l’informatique discute des mesures concrètes qu’ils aimeraient utiliser pour faire avancer cette «révolution numérique des sciences du système terrestre», où ils voient les défis et les solutions possibles. peut être trouvé.

Modèles météorologiques et climatiques comme base

Dans leur article, les chercheurs reviennent sur le développement régulier des modèles météorologiques depuis les années 1940, une réussite qui s’est déroulée tranquillement. Les météorologues ont pour ainsi dire mis au point des simulations de processus physiques sur les plus grands ordinateurs du monde. En tant que physicien et informaticien, Schulthess du CSCS est donc convaincu que les modèles météorologiques et climatiques d’aujourd’hui sont parfaitement adaptés pour identifier des façons complètement nouvelles pour de nombreuses autres disciplines scientifiques d’utiliser efficacement les supercalculateurs.

Dans le passé, la modélisation du temps et du climat utilisait différentes approches pour simuler le système terrestre. Alors que les modèles climatiques représentent un très large ensemble de processus physiques, ils négligent généralement les processus à petite échelle, qui, cependant, sont essentiels pour les prévisions météorologiques plus précises qui, à leur tour, se concentrent sur un plus petit nombre de processus. Le jumeau numérique réunira les deux zones et permettra des simulations à haute résolution illustrant les processus complexes de l’ensemble du système terrestre. Mais pour y parvenir, les codes des programmes de simulation doivent être adaptés aux nouvelles technologies promettant une puissance de calcul nettement améliorée.

Avec les ordinateurs et les algorithmes disponibles aujourd’hui, les simulations très complexes peuvent difficilement être effectuées à la résolution extrêmement élevée prévue d’un kilomètre car pendant des décennies, le développement de code a stagné d’un point de vue informatique. La recherche sur le climat a bénéficié de la possibilité d’obtenir des performances plus élevées grâce aux nouvelles générations de processeurs sans avoir à modifier fondamentalement leur programme. Ce gain de performance gratuit avec chaque nouvelle génération de processeur s’est arrêté il y a environ 10 ans. En conséquence, les programmes actuels ne peuvent souvent utiliser que 5% des performances de pointe des processeurs conventionnels (CPU).

Pour réaliser les améliorations nécessaires, les auteurs insistent sur la nécessité de co-conception, c’est-à-dire de développer du matériel et des algorithmes ensemble et simultanément, comme le CSCS l’a démontré avec succès au cours des dix dernières années. Ils suggèrent de porter une attention particulière aux structures de données génériques, à la discrétisation spatiale optimisée de la grille à calculer et à l’optimisation des longueurs des pas de temps. Les scientifiques proposent en outre de séparer les codes pour résoudre le problème scientifique des codes qui effectuent de manière optimale le calcul sur l’architecture système respective. Cette structure de programme plus flexible permettrait une transition plus rapide et plus efficace vers les architectures futures.

Profiter de l’intelligence artificielle

Les auteurs voient également un grand potentiel dans l’intelligence artificielle (IA). Il peut être utilisé, par exemple, pour l’assimilation de données ou le traitement de données d’observation, la représentation de processus physiques incertains dans les modèles et la compression de données. L’IA permet ainsi d’accélérer les simulations et de filtrer les informations les plus importantes à partir de grandes quantités de données. De plus, les chercheurs supposent que l’utilisation de l’apprentissage automatique rend non seulement les calculs plus efficaces, mais peut également aider à décrire les processus physiques plus précisément.

Les scientifiques considèrent leur document de stratégie comme un point de départ sur la voie d’un jumeau numérique de la Terre. Parmi les architectures informatiques disponibles aujourd’hui et celles attendues dans un futur proche, les supercalculateurs basés sur des unités de traitement graphique (GPU) apparaissent comme l’option la plus prometteuse. Les chercheurs estiment que l’exploitation d’un jumeau numérique à pleine échelle nécessiterait un système avec environ 20 000 GPU, consommant environ 20 MW d’énergie. Pour des raisons à la fois économiques et écologiques, un tel ordinateur devrait être utilisé dans un endroit où une électricité produite neutre en CO2 est disponible en quantités suffisantes.

Source de l’histoire:

Matériel fourni par l’ETH Zurich. Original écrit par Simone Ulmer. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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