Wetenschap
Het optimaliseren van de gegevensstroom over aardbevingen maakt wetenschappelijk onderzoek naar The Big One mogelijk
Niemand kan precies voorspellen wanneer een aardbeving zal plaatsvinden. Sinds de Northridge-aardbeving met een kracht van 6,7 in Los Angeles County in 1994, die 72 doden, 9.000 gewonden en 25 miljard dollar aan schade veroorzaakte, heeft Zuid-Californië met spanning gewacht op ‘The Big One’:een verwoestende aardbeving met een kracht van minstens 7,8 en een kracht van minstens 7,8. 44 keer sterker. Seismologen kunnen alleen maar zeggen dat dit binnen de komende dertig jaar kan gebeuren.
Hoewel wetenschappers niet kunnen voorspellen wanneer en waar aardbevingen zullen toeslaan, is voorbereiding de sleutel tot het verbeteren van de veerkracht van de samenleving tegen grote aardbevingen. In het bijzonder heeft het in het USC gevestigde Statewide California Earthquake Center (SCEC) CyberShake ontwikkeld, een rekenplatform dat honderdduizenden aardbevingen simuleert om regionale seismische gevarenmodellen te berekenen.
De resultaten onthullen geografische gebieden in Zuid-Californië die het grootste risico lopen op hevige schokken en hebben de bouwvoorschriften van Los Angeles en het ontwerp van de aardbevingsmodellen van de U.S. Geological Survey, 's lands grootste bureau voor aard- en geologische wetenschappen, beïnvloed.
CyberShake-onderzoeken – en veel van de moderne wetenschap echter – zijn zeer data- en computerintensief. Met berekeningen in meerdere stappen die bijdragen aan talloze onderling verbonden rekentaken die worden uitgevoerd op lokale en nationale supercomputers om 600.000 verschillende aardbevingen te simuleren, is de wetenschappelijke workflow van CyberShake complex. Het Information Sciences Institute (ISI) van USC Viterbi herbergt de tools om dergelijke enorme gegevens te genereren en te beheren.
Ewa Deelman, onderzoeksprofessor in computerwetenschappen en onderzoeksdirecteur bij ISI, heeft sinds 2000 voortdurend een geautomatiseerd workflowbeheersysteem ontworpen en bijgewerkt, genaamd Pegasus.
Geoptimaliseerde workflows
Pegasus – genoemd naar Planning for Execution and Grids (PEG) en Deelmans liefde voor paarden – zet onderzoeksexperimenten om in geoptimaliseerde workflows. Vanwege het abstracte ontwerp kan het worden gebruikt door wetenschappers op verschillende gebieden, van seismologie tot natuurkunde en bio-informatica.
Deelman vergelijkt het met een kookrecept:‘Je kunt hetzelfde recept in verschillende keukens gebruiken. Verschillende gebruikers kunnen het recept (de workflow) uitvoeren, maar dan met hun eigen kookgerei (rekenmiddelen). Als je dingen breed genoeg ontwerpt, kunnen ze breed toepasbaar worden."
In 2016 gebruikten wetenschappers van de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) Pegasus om zwaartekrachtsgolven in het universum vast te leggen, waarmee ze de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein bevestigden en de Nobelprijs voor natuurkunde 2017 verdienden. Tijdens de 16 jaar durende samenwerking tussen ISI-computerwetenschappers en LIGO-leden beheerde de software duizenden workflows met miljoenen taken.
De Collaborative and Adaptive Sensing of the Atmosphere (CASA), een technisch onderzoekscentrum dat zich toelegt op het verbeteren van de voorspelling en reactie op gevaarlijke weersomstandigheden, heeft zijn pijpleidingen ook naar Pegasus geport. Omdat zwaar weer lokale bronnen en computercapaciteit kan vertragen en in gevaar kan brengen, stuurt het programma de gegevens van CASA naar cloudinfrastructuren om een continue workflow te garanderen.
Geïnspireerd door het gedrag van dieren
CyberShake vertrouwt de afgelopen 15 jaar op Pegasus, inclusief zijn meest recente onderzoek met de grootste reeks aardbevingssimulaties tot nu toe. Pegasus beheerde 2,5 petabytes aan gegevens en voerde in 108 dagen 28.120 workflowtaken uit om seismische gevarenkaarten te produceren in 772.000 knooppunturen.
"Zonder Pegasus zouden we dit soort wetenschap onmogelijk kunnen doen", zegt Scott Callaghan, computerwetenschapper bij SCEC en hoofdontwikkelaar van CyberShake. SCEC gaat CyberShake uitbreiden naar Noord-Californië, waarbij nu gebruik wordt gemaakt van de snelste supercomputer ter wereld:Frontier. Pegasus zal aan hun zijde blijven staan.
"Elke keer dat we een van deze onderzoeken uitvoeren, komen we altijd onverwachte uitdagingen tegen. Maar ik heb er vertrouwen in dat het Pegasus-team ons, bij eventuele workflow-problemen, kan helpen er doorheen te werken, zodat we de allernieuwste wetenschappelijke inzichten kunnen blijven verkrijgen klaar," zei Callaghan.
Deelman doet nu onderzoek en conceptualiseert SWARM, een ander workflowmanagementsysteem dat is geïnspireerd op de slimme coördinatie van groepsgedrag tussen sociale dieren, zoals mieren. Ze is ook van plan de besluitvorming van Pegasus te verbeteren met kunstmatige intelligentie, en zo opnieuw te bedenken hoe workflowsystemen in de toekomst zullen werken.