> FocusUnimore > numero 37 – giugno 2023
Unimore: a European hub for High Performance Computing
“Materials design” is the computer-aided design of new materials with useful functionalities for future technologies. It is a strategy that is developing enormously and will soon make Unimore a European, national and regional hub on Materials Design and High Performance Computing (HPC), integrating and developing the interdisciplinary skills that are indispensable for this topic. The team is based on the close collaboration of three research groups, all active in the computational sciences applied to the physics of matter, physical chemistry and numerical optimisation, represented by the three coordinators of the proposal: Alice Ruini and Marco Prato from the Department of Physical, Computer and Mathematical Sciences – FIM and Alfonso Pedone, Department of Chemical and Geological Sciences. The impact of “Materials design” can be crucial for energy, economic and environmental sustainability and for European technological autonomy, particularly in a region such as Emilia-Romagna, which is focused on high-tech, value-added manufacturing. The classes of systems of interest include: new materials for sustainable energy, in particular for batteries and fuel cells; materials and nanosystems for information technologies, including quantum and emerging ones; intelligent materials for health and environmental protection.
Il ‘Materials design’ è la progettazione tramite computer, anche detta in silico, di nuovi materiali con funzionalità desiderate per le tecnologie del futuro. Questa strategia si sta sviluppando enormemente grazie alla rapida evoluzione di high-performance computing (HPC), analisi dei dati e machine learning, combinati con metodi teorici sempre più predittivi per lo studio dei fenomeni chimico-fisici fondamentali e delle interazioni rilevanti in gioco. L’integrazione di queste componenti è oggi considerata determinante per accelerare il ciclo di caratterizzazione e scoperta di nuovi materiali e proprietà.
Questa linea strategica intende fare di Unimore un polo europeo, nazionale e regionale su Materials design e HPC, integrando e sviluppando le competenze interdisciplinari indispensabili per questo tema. Il team è fondato sulla stretta collaborazione di tre gruppi di ricerca, tutti attivi nelle scienze computazionali applicate alla fisica della materia, alla chimica fisica e alla ottimizzazione numerica, rappresentati dai tre coordinatori della proposta: Alice Ruini e Marco Prato del Dipartimento di Scienze Fisiche Informatiche e Matematiche – FIM e Alfonso Pedone Dipartimento di Scienze Chimiche e Geologiche
“Caratteristica centrale di questo progetto – spiega la prof.ssa Alice Ruini – è la scelta di investire non solo sulle applicazioni, ma anche sullo sviluppo di metodi teorici e numerici, algoritmi, codici e workflow automatizzati, con implicazioni per la ricerca di frontiera, per una nuova formazione nelle scienze computazionali soprattutto nei corsi di studio e nei dottorati esistenti, con rilevanti ricadute nell’ambito della Terza Missione. Tra i punti di forza della proposta si segnalano le sinergie già esistenti con gruppi e centri internazionali di primo livello, sia teorico-computazionali e HPC, sia sperimentali. L’integrazione delle simulazioni con spettroscopie e microscopie di punta, svolte in Ateneo e presso grandi infrastrutture europee, sarà una componente chiave in tutto il progetto”.
Questa linea è strategica anche per l’impatto del ‘Materials design’ su classi di sistemi che possono risultare cruciali per la sostenibilità energetica, economica e ambientale e per l’autonomia tecnologica europea, particolarmente in una regione come l’Emilia-Romagna, orientata alla manifattura ad alta tecnologia e valore aggiunto.
Tra le classi di sistemi di interesse va menzionato: nuovi materiali per la sostenibilità energia, in particolare per batterie e fuel cell; materiali e nanosistemi per tecnologie dell’informazione, anche quantistiche ed emergenti; materiali intelligenti per la salute e la salvaguardia ambientale. “Dal punto di vista delle risorse computazionali, – prosegue la prof.ssa Alice Ruini – questa proposta mette a valore gli investimenti europei e nazionali sul supercalcolo, a cui sappiamo accedere con bandi competitivi, e le recenti iniziative HPC promosse dall’Ateneo.
La rilevanza strategica di questa proposta è connessa alla combinazione di diversi aspetti:
- HPC e data analysis sono identificate come prioritarie a livello europeo, si pensi agli ingenti investimenti in EuroHPC-Joint-Undertaking e relativi bandi, e nazionale si veda il Centro nazionale-ICSC. Inoltre, è ben nota l’enorme capacità di calcolo/dato dell’Emilia-Romagna, che ospita oltre l’80% delle risorse nazionali, tra cui Cineca,centro pre-exa EuroHPC col Supercalcolatore Leonardo, e sede di ICSC.
La Regione Emilia Romagna ha investito nelTecnopolo Manifattura a Bologna e ha identificato HPC e dati come priorità per l’intera regione (“Data Valley”). La ricerca fondamentale e le applicazioni possono quindi fare affidamento su ingenti risorse e potenzialità dal punto di vista dell’hardware.
- La ricerca sui materiali oggi utilizza più del 30% del supercalcolo scientifico in Europa (dati Prace) e in Italia. L’Europa riconosce l’integrazione tra ‘materials’ e ‘digital’ come elemento chiave per accelerare la comprensione e la scoperta di nuove proprietà/funzionalità dei materiali del futuro; l’HPC è fondamentale per la ricerca sui materiali, pertanto oggi è cruciale anche per la sostenibilità e per l’autonomia tecnologica
- Rispetto agli investimenti hardware, finora sono stati più limitati quelli nello sviluppo delle applicazioni, che a sua volta richiede lo sviluppo di metodi teorici, algoritmi e codici per la ricerca di punta, capaci di assicurare il massimo impatto delle tecnologie HPC/dati.
“Oggi è chiaro che questo aspetto sarà invece centrale in futuro: l’hardware non basta. Anche nella formazione è indispensabile creare scienziati computazionali capaci di sviluppare/utilizzare al meglio applicazioni nelle varie discipline, anche attraverso una
formazione magistrale e dottorale proiettata ai metodi/tecnologie più avanzati. Lo sviluppo – spiega la prof.ssa Alice Ruini – di metodi/applicazioni, con materiali come ambito pilota, è occasione unica di posizionamento di Modena in ambito HPC e data, complementare/sinergico rispetto al polo hardware di Bologna.
- Modena è riconosciuta come polo di eccellenza a livello Europeo sul materials design. Anche grazie al ruolo di Cnr-Nano, che coordina il Centro di eccellenza europeo sulla progettazione HPC dei materiali MaX–Materials design at the exascale, proposta che è risultata vincitrice di tre bandi europei estremamente competitivi dal 2015 al 2026. Questo giacimento di competenze ha grande visibilità e riconoscimenti (e significativi co-finanziamenti) a livello europeo, ma va consolidato in quanto non è ancora massimamente valorizzato e messo a sistema in Regione e a livello nazionale, anche in vista di un maggiore coinvolgimento di UNIMORE in opportunità progettuali per le quali è fondamentale avere la necessaria massa critica.
Le risorse richieste sarannofondamentali per potenziare le competenze di interfaccia tra discipline e gruppi di ricerca, in particolare su:
– teoria/simulazione dei materiali con metodi quantistici “first-principles” e di dinamica
molecolare, negli ambiti fisica della materia e chimica fisica computazionali presso il Dipartimento di Scienze Fisiche Informatiche e Matematiche – FIM ed il Dipartimento di Scienze Chimiche e Geologiche,
– metodi avanzati di analisi numerica per l’ottimizzazione, il machine learning e
l’automated data analysis presso il FIM, con l’ulteriore obiettivo di integrare le tecniche di machine learning nelle strategie computazionali/sperimentali e nelle applicazioni legate ai materiali.
“Attraverso questa linea di ricerca – conclude Alice Ruini – sapremo formare sempre più persone competenti, alla frontiera della ricerca su “HPC digital design of sustainable materials” e, in accordo con Cnr e Cineca, rafforzare e strutturare il ruolo di punta di Modena e Unimore nel panorama globale”.
