Benvenuti. al Centro Nazionale per la Ricerca e Sviluppo nelle Tecnologie Informatiche (CNAF) dell'istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN)

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1 Benvenuti al Centro Nazionale per la Ricerca e Sviluppo nelle Tecnologie Informatiche (CNAF) dell'istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) 1

2 Le attività dell'infn studio dei costituenti fondamentali della materia ricerca teorica e sperimentale, nei campi d fisica subnucleare, nucleare e astroparticellare sviluppo di tecnologie e strumenti di ricerca d'avanguardia per le proprie esigenze di ricerca 2

3 L'INFN oggi fondato nel 1951 con 4 sedi oggi si articola in: 4 laboratori nazionali 20 sedi presso Università 11 gruppi collegati, 1 centro di calcolo nazionale (CNAF) e ci lavorano: ~ 2000 dipendenti ~ 2450 associati Universitari ~ 1300 studenti Universitari ed assegnisti 3

4 I Laboratori dell'infn LN Legnaro LN del Gran Sasso LN Catania LN Frascati 4

5 Gli strumenti per il calcolo notevole tradizione di promozione di sviluppi tecnologici avanzati necessari per le proprie attività di ricerca; esigenze derivanti sia dalla fisica teorica che dalla elaborazioni di dati sperimentali particolarmente stringenti, hanno spesso richiesto nuovi originali sviluppi in campo informatico 5

6 Gli strumenti per il calcolo Esempi di sviluppi originali legati al calcolo scientifico: Rete della ricerca italiana (INFNet[1983], poi GARR [1991]) Calcolo massicciamente parallelo per la fisica teorica (progetto APE) sviluppo del middleware e dell'infrastruttura di calcolo distribuita GRID notevole impulso alla creazione di esperienze e competenze nel calcolo e opportunità di collaborazione scientifica a livello nazionale ed internazionale in molte sedi INFN 6

7 Calcolo per gli esperimenti (I) Oggi la maggior parte dei dati sperimentali prodotti dai rivelatori consistono in collezioni di immagini digitali con con informazioni spazio-temporali tali immagini, o eventi indipendenti, si prestano bene alla elaborazione parallela debolmente accoppiata grandi moli di dati stoccati in modalità per lo più a sola lettura scalabilità naturale, in passato, con aumento numero di processori coinvolti nell'elaborazione 7

8 Calcolo per gli esperimenti (II) Nel campo della fisica sperimentale, largo uso di risorse di calcolo: acquisizione dati simulazioni con tecniche Monte Carlo di apparati sperimentali in quantità spesso > dati sperimentali ricostruzione e selezione degli eventi prodotti da apparati sperimentali e da simulazioni analisi finale delle interazioni elementari 8

9 Le infrastrutture per il calcolo L'INFN ha sempre provveduto a dotarsi, spesso autonomamente, delle risorse di calcolo necessarie fin dal 1954, quando si dette avvio a Pisa, su suggerimento di Fermi, agli studi che portarono alla realizzazione della prima Calcolatrice Scientifica (CEP) l'evoluzione ha seguito (e a volte anticipato) le tendenze generali in quasi tutte le sedi si è curato di far crescere e mantenere competenze nei sistemi di calcolo 9

10 Il caso di LHC i numeri di LHC collisore da 7+7 TeV 27 km tunnel dipoli superconduttori nuova scala di energia e di risoluzione (10-20 m) fiotti di protoni che si scontrano ogni 25 ns interazioni che creano migliaia di particelle secondarie costo 5 BChF nel dicembre 2009 prime collisioni registrate dagli esperimenti 10

11 Il caso di LHC collisore 7+7 TeV 27 km tunnel 11

12 Le domande per LHC abbiamo capito il meccanismo che origina la massa? di che cosa è fatta la materia oscura? ricerca di segnali oltre la violazione di CP dello S.M. quali sono le caratteristiche del plasma guarkgluone ricerca di possibili candidati supersimmetrici qual è il meccanismo che può dare ragione dell'asimmetria materia-antimateria dell'universo conferma dell'esistenza del campo di Higgs misura di interazioni con nuclei ad elevatissima energia 12

13 Gli strumenti ad LHC 13

14 Sperimentare ad LHC 9 dicembre 2009 Prime Collisioni a 900 GeV con campo magnetico 14

15 Il flusso dei dati in LHC 40 M leve l 1 - Hz (4 0 TB spec leve 75 KH ial har /sec) l 2 - z (75 dwa 5 K emb. GB/s re Hz ( pro e 5 G cesso c) B/se leve l3c) rs PCs 2 0 (300 0 Hz MB data /sec r e ) offl cord i ne flusso equivalente a ana ing & 50 canali TV ad lysis alta definizione 15

16 Le dimensioni del problema Quantità di dati accumulata da ogni esperimento ad LHC ~ 1 2 MB / evento ~ GB/s durata presa dati ~ 107 s / anno totale: ~ 1-4 PB / anno per esperimento Risorse necessarie stoccaggio dati: PB/anno CPU: ~ 105 processori attuali 16

17 Il problema del calcolo ad LHC Un volume enorme di dati: ~ PB/year Balloon (30 Km) CD stack with 1 year LHC data! (~ 20 Km) Un esercito di processori necessari per analizzarli: Concorde (15 Km) ordine di moderni processori Mt. Blanc (4.8 Km) 17

18 La soluzione distribuita in scala gerarchica ~ 1:5 ~ 1:2:

19 Partecipazione INFN In Italia: INFN partecipa a tutti i quattro grandi esperimenti al LHC realizzati e ora utilizzati da collaborazioni internazionali composte di migliaia di ricercatori in tutto il mondo è motivo di soddisfazione constatare che, nonostante la partecipazione italiana sia inferiore al 20% nei vari esperimenti, TUTTE le collaborazioni sono guidate oggi da colleghi italiani 19

20 Leaders degli esperimenti LHC ATLAS CMS Fabiola Gianoti Guido Toneli CERN Univ. e INFN Pisa ALICE LHCb Paolo Giubelino Pierluigi Campana Univ. e INFN Torino Lab. Naz. di Frascat 20

21 I Tier INFN In Italia: 1 centro Tier1 al CNAF di Bologna ricostruzione + elaborazioni primarie estese 10 centri Tier2 (simulazione + analisi caotica ) complessivamente: CPU e disco comparabili al Tier1 21

22 Centri Tier1 e Tier2 in Italia Tier2 ormai operativi dopo sostanziali potenziamenti infrastrutturali potenziamenti (UPS, imp. raff., imp. elett.) effettuati con approccio modulare altre sedi che già contribuiscono o possono unirsi se necessario ma anche siti non legati al circuito Tier2 hanno negli ultimi tempi razionalizzato e potenziato le sale calcolo (Ts, Pg, Ge, Roma T.V.,...) 22

23 Non solo LHC Molte altre attività scientifiche INFN utilizzano le risorse del Tier1, fra cui: Virgo: interferometro gravitazionale Fermi: telescopio per raggi gamma in orbita intorno alla terra AMS: esperimento che verrà messo in orbita sulla stazione spaziale con il prossimo (ed ultimo) volo dello Shuttle CDF e BaBar: esperimenti di fisica delle particelle basati negli USA Auger: osservatorio per raggi cosmici in Argentina distribuito su una superficie di 3000 km 2 e vari altri 23

24 (I) il CNAF (Centro Nazionale Analisi Fotogrammi) nasce nel 1962 a Bologna costruita nuova macchina per l'analisi automatica delle pellicole impressionate in camera a bolle ospitato presso il CNEN dove esiste un calcolatore IBM 6400, poi sostituito da un IBM 360 negli anni ottanta le tecnologie elettroniche prendono il sopravvento: il CNAF diventa il centro operativo della nascente rete nazionale dell'infn 24

25 (II) nel 1990 nasce il GARR e parte del personale CNAF viene coinvolto nella progettazione e gestione della nuova rete della Ricerca italiana nel 2001, dopo lo spostamento del NOC GARR, l'infn decide di creare presso il CNAF il primo centro di calcolo nazionale a servizio degli esperimenti BaBar, Virgo e di quelli al LHC (Tier1) inoltre, presso il CNAF, si forma il più consistente gruppo di tecnologi che in Italia si occupa dello sviluppo della griglia computazionale 25

26 CNAF oggi 60 persone (23 staff) circa 7 Milioni di Euro di budget annuo molto personale precario con età media ~ 35 anni escluso il costo del personale quattro rami di attività principali: Gestione delle risorse di calcolo (Tier1) Ricerca e sviluppo in particolare nel settore delle infrastrutture di calcolo distribuite (Grid/Cloud) Gestione dei servizi nazionali (GRID, Sistema informativo, ecc.) Supporto alle collaborazioni scientifiche 26

27 Tier1 in azione La costruzione del centro fu prevista in due fasi: Job slots usage una iniziale di servizio agli esperimenti in funzione negli anni e ai test per LHC una seconda dedicata agli esperimenti al LHC che si è conclusa nel

28 Tier1: lavori in corso maggio '08 28

29 Obiettivi e sfide della fase 2 dimensioni della sala: area di 1200 mq potenza dissipabile max di progetto: 1.4 MW spazio per 120 armadi (rack) 2-3 grandi librerie per cassette magnetiche potenza totale generatori diesel: MVA consumo massimo previsto: ~ 2.6 MW come le residenze di una cittadina di persone! requisiti di progetto: funzionamento ininterrotto 24x7 massima affidabilità, manutenibilità, ridondanza supervisione e controllo remoto apparati manutenibilità impianti senza interruzioni di servizio 29

30 L'implementazione della fase 2 principali componenti: (2+1) trasformatori elettrici da 2.5 MVA ciascuno continuità garantita da sistema di 2 gruppi rotanti (UPS dinamici) con generatore coassiale (2x1.7 MVA) 1 gruppo di continuità statico con generatore (1.25 MVA) refrigerazione con chiller aria-acqua (5+2) per circa 2 MW di potenza frigorifera max. sistemi di rack con circolazione forzata ad isola per condizionamento di precisione (20 kw per rack) Installazione nuovi impianti iniziata in aprile 2008, lavori conclusi a fine

31 Le sale calcolo del Tier1 sala quadri locali a servizio dell impianto meccanico sala 2 (CED) sala CED 1 31

32 Connessione alla rete geografica Il CNAF utilizza la rete della ricerca GARR-G i collegamenti per LHC sono operativi (2x10 Gb/s CNAF<-> CERN, 1 Gb/s T2 <-> T1) il modello di rete GARR-G, basato su circuiti noleggiati, sta diventando obsoleto e sempre meno conveniente: varie reti della ricerca in Europa sono già passate ad un modello basato su acquisizione di fibre ottiche spente 32

33 GARR-G -> GARRx (II) con la nuova rete GARR-x in corso di realizzazione, basata sull'impiego di dark fiber si potranno soddisfare le crescenti esigenze dovute al trasferimento dei dati scientifici: sarà possibile attivare collegamenti a Nx10 Gbps dal Tier1 verso l'esterno i Tier2 potranno essere collegati a 10 Gbps tutte le sedi INFN saranno collegate in fibra previsti accessi ai centri Tier2 od equivalenti attraverso due canali: 10 Gbit/s per trasmissione data 1 Gbit/s per rimanente traffico ma diverranno possibili nuove modalità di utilizzo: creazione collegamenti dedicati punto-punto gestione di protocolli diversi da IP (Lan estese, Storage area network estese, ecc.) per soddisfare nuove applicazioni: accesso remoto allo storage, SAN geografiche, Tier virtuali controlli remoti di apparato control room virtuali 33

34 Le GRID oggi EGEE (Europa), NorduGrid (Europa del Nord), Unicore (Centri di supercalcolo europei), OSG (US Grid) EGEE rappresenta la griglia più estesa: 260+ siti connessi # cores: spazio per i dati: 28 PB (disk) + 41 PB (tapes) # of comunità di utenti: ~200 # di utenti registrati: # di jobs sottomessi ogni giorno: ~

35 La GRID LHC ha reso evidente la necessità di condividere in modo efficiente e sicuro risorse di calcolo appartenenti a istituzioni diverse in tutto il mondo poter sottomettere elaborazioni di dati attraverso un sistema unico che le esegue dove vi sono processori liberi e dati disponibili garantire la sicurezza dell'accesso e la tracciabilità attraverso l'uso di certificati non falsificabili poter gestire con unico catalogo i dati distribuendoli e replicandoli in vari siti con trasferimenti su rete ad alta velocità, garantendone l'integrità per questo è nata la GRID (griglia computazionale) 35

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37 Evoluzione della GRID Europea 37

38 Il futuro della Grid Europea: EGI EGI Council Members (16-Sett-2009) 38

39 Italina Grid Initiative Partecipanti: INFN (Ente capofila) ENEA, CNR, INAF, INGV, Sincrotrone Trieste, varie Univ., Consorzi COMETA, COSMOLAB, SPACI, GARR, Caspur, Sissa, Cilea,... attualmente 51 centri; cores A fine 2010 il MIUR ha assegnato all'infn il primo finanziamento di 2 MEuro per la costituzione di IGI IGI si prefigge non solo di sostenere la rete di centri di calcolo scientifici, ma di offrire servizi per l'innovazione nella società civile, in particolare nella P.A. 39

40 dalla Grid alla Cloud Grid Entry Point Cloud Entry Point 40

41 Conclusioni Le attività scientifiche hanno sempre posto stringenti sfide tecnologiche e i prossimi anni non saranno da meno La crescita esponenziale delle risorse di calcolo è e sarà un fattore essenziale per lo sviluppo scientifico Ma per sfruttare appieno le potenzialità offerte dall'evoluzione tecnologica servono competenze, nuove idee, innovazione dei nostri modelli di calcolo ed è su questo terreno che il CNAF è oggi fortemente impegnato. 41

42 BUON LAVORO! 42