El grupo HEMCUVE, integrado por investigadores de las Universidades de Extremadura y de Vigo junto con técnicos del Centro de Supercomputación de Galicia (CESGA), han logrado un nuevo récord en simulación electromagnética al conseguir la resolución de 500 millones de incógnitas en el supercomputador Finis Terrae. Así, han superado ampliamente el anterior récord mundial, ostentado por este mismo cuando el pasado verano resolvieron 150 millones de incógnitas. Además, vista la escalabilidad del algoritmo, en fechas próximas podría llegar a duplicarse esta última cifra, apuntando ya al billón americano.
Este área científica es de extremada utilidad en la resolución de problemas electromagnéticos a la hora de diseñar grandes estructuras dotadas de sistemas de radio, como pueden ser barcos, aviones o vehículos terrestres.
El empleo de algoritmos eficientes para la resolución de problemas de este tamaño es fundamental, ya que la resolución "clásica" implicaría almacenar del orden de 500 millones de DVDs (lo que equivaldría a utilizar 20.000 veces la memoria del ordenador más potente del mundo, el RoadRunner del Laboratorio de Los Alamos, Texas). Tan solo el almacenaje del resultado final del problema ocuparía completamente un DVD.
La aplicación empleada en el reto, HEMCUVE++, tiene la cualidad fundamental de utilizar de forma eficiente un número elevado de procesadores, aprovechando así la potencia de los grandes supercomputadores. En esta ocasión se han empleado para los cálculos los mismos nodos y procesadores que se emplearon para el reto anterior, es decir, 64 nodos completos del Finis Terrae, 1024 cores (aproximadamente el 42% del supercomputador). La memoria RAM empleada fue en torno a 6 TB. En cuanto al tiempo empleado, se utilizaron unas 12 horas en los cálculos iniciales (setup), empleando 26 horas de resolución para asegurar la alta precisión del resultado, 20 más que las empleadas para resolver el reto anterior.
El supercomputador gallego ha vuelto a mostrar su capacidad, comportándose de forma excelente durante el reto, aunque según los miembros del Grupo HEMCUVE, el uso que de él hicieron fue "extremadamente exigente". En este sentido destacan que "aunque existen máquinas más potentes, la arquitectura de Finis Terrae es idónea para nuestra aplicación". Y es que al disponer de mucha memoria por procesador, facilita enormemente los cálculos, reduciéndose de forma considerable el tiempo de cálculo y el consumo total de memoria.
De nuevo y como en retos anteriores, cabe señalar la estrecha colaboración entre investigadores y técnicos responsables del Finis Terrae, clave para el cumplimiento del objetivo.
Aunque inicialmente se pretendían calcular 250 millones de incógnitas, la escalabilidad del algoritmo empleado (un algoritmo es escalable cuando puede utilizar un gran número de procesadores de modo eficiente), ha permitido duplicar el número de incógnitas resueltas.
La aplicación empleada en el reto (HEMCUVE++) es el resultado de un proceso de desarrollo continuado del equipo investigador, iniciado en el año 1999 a través de un proyecto financiado por NAVANTIA. Después de mucho tiempo utilizando técnicas aproximadas, que aportaban una idea un tanto burda del comportamiento electromagnético de las estructuras, la evolución de los ordenadores y el desarrollo algorítmico han permitido que, a través de técnicas de gran rigor, se puedan analizar estos problemas.
A pesar de que los trabajos realizados para abordar este reto forman parte del ámbito de la investigación básica, "el código computacional que estamos desarrollando nos servirá para los usos aplicados en los que trabajamos", explica Luis Landesa, miembro del equipo procedente de la Universidad de Extremadura. "Estamos hablando de millones de incógnitas que nos permitirán analizar y en último término predecir el comportamiento electromagnético de estructuras de grandes dimensiones eléctricas con un lujo de detalles hasta ahora inabordable y esto sin duda supondrá importantes ventajas competitivas para aquellas industrias con acceso a esta tecnología".
Precisamente un ámbito de aplicación novedoso de esos usos en los que se está trabajando son los radares de automoción que paulatinamente se están incorporando a los automóviles como elementos de seguridad (alerta de cambio de carril, advertencia de vehículos en el ángulo muerto, control avanzado de velocidad de crucero, etc.).
APLICACIONES PRACTICAS
El comportamiento en términos radar de los distintos objetos de interés (vehículos, peatones, señales de tráfico, guardarraíles, etc.) es prácticamente desconocido, lo que afecta a las prestaciones de los sensores que se incorporan a los vehículos. Según señala José Luís Rodríguez, de la Universidad de Vigo, "esta herramienta permite modelar este tipo de problemas, siendo posible variar todos los parámetros de operación, lo que permite un importante ahorro tanto económico como de tiempo respecto a pruebas experimentales". Actualmente tienen en marcha un proyecto conjunto con el Centro Tecnológico de Automoción de Galicia, CTAG, para el estudio y posible desarrollo de radares de automoción a 79 Giga Hertzios, a través del estudio del comportamiento de un vehículo en modelo sometido a esta frecuencia.
Pero el rango de aplicaciones posibles es muy amplio. Cabe resaltar la resolución de problemas electromagnéticos en el diseño de grandes estructuras dotadas de sistemas de radio, como barcos, aviones y vehículos terrestres, buscando la manera más eficiente de simular el comportamiento electromagnético de las estructuras en la etapa del diseño. Hasta ahora el diseño de antenas en entornos complejos (aeronaves, barcos, satélites) se llevaba a cabo de forma individual para cada antena, y las posibles perturbaciones que causaban unas sobre otras o incluso la interacción con la estructura portante eran consideradas de forma aproximada.
Este grado de aproximación tenía como consecuencia que en muchas ocasiones una vez integradas todas las antenas aparecían problemas de funcionamiento que obligaban a modificar el diseño, con el consiguiente aumento de costes y los retrasos correspondientes.
Con herramientas como estas se podrá abordar estos problemas de forma "global" de manera que se podrá conocer con precisión el comportamiento de los equipos mucho antes de su montaje. "La simulación permite hacer diseños virtuales de la estructura y observar también de forma simulada las reacciones e interacciones entre sus distintos elementos, como el de las antenas y radares", detalla Fernando Obelleiro.
Este nuevo récord mundial abre también la puerta a la aplicación del electromagnetismo computacional en campos como la biomedicina (imágenes radar para detección de tumores, influencia de terminales móviles en el cuerpo humano, etc.), diseño de metamateriales (materiales artificiales con propiedades electromagnéticas inusuales, con gran importancia en la creación de superlentes o paneles de invisibilidad), o el desarrollo de radares de penetración terrestre para la detección de minas antipersona o estructuras geológicas en el subsuelo, entre otros aspectos.
