High-Performance Computing en het EuroHPC-initiatief

Vragen en antwoorden

Wat zijn High-Performance Computing en exaschaal-computing?

High-Performance Computing (HPC) heeft betrekking op wetenschappelijke en technologische taken die zoveel rekenkracht vergen dat gewone computers het niet aankunnen. De machines die voor HPC worden gebruikt, worden vaak "supercomputers" genoemd.

De volgende mijlpaal die wat betreft supercomputing in het verschiet ligt, zijn exaschaal-prestaties (dat wil zeggen ten minste 10¹⁸ of 1 miljard miljard berekeningen per seconde). Naar verwachting is dat rond 2021-2022 mogelijk.

Voor welke wetenschappelijke, industriële en maatschappelijke uitdagingen komt HPC van pas?

HPC heeft een interdisciplinair karakter en is in staat om grote hoeveelheden data te verwerken en ingewikkelde berekeningen uit te voeren. HPC is daarom van essentieel belang voor de aanpak van een grote verscheidenheid aan wetenschappelijke, industriële en maatschappelijke uitdagingen:

• - 

  Aardwetenschappen en klimaat:

HPC vormt de basis van klimaatonderzoek en -prognoses, aangezien het meer nauwkeurige en realtime weerberichten en -voorspellingen mogelijk maakt en kan bijdragen tot het beheersen van grootschalige natuurrampen, zoals verwoestende wervelstormen, en tot onderzoek naar het gedrag van de oceanen. Extreme weersomstandigheden hebben in Europa tussen 1970 en 2012 het leven gekost aan 149 959 mensen en 270 miljard euro economische schade veroorzaakt.

Weersvoorspellingen zijn in hoge mate afhankelijk van numerieke simulatie op supercomputers. Hoe krachtiger de supercomputer is, des te preciezer en tijdiger kunnen wetenschappers de omvang en het traject van stormen en overstromingen voorspellen. Dat kan helpen bij de besluitvorming over bijvoorbeeld het activeren van waarschuwingssystemen, waardoor de bevolking tijdig kan worden geëvacueerd en levens kunnen worden gered.

Met HPC-technologie kan verder de klimaatverandering met een steeds hogere resolutie worden gesimuleerd (bijvoorbeeld voor onderzoek naar het gedrag van de oceanen) en kan de ontwikkeling van de natuurlijke hulpbronnen nauwkeuriger worden gemonitord. HPC draagt ook bij aan onze kennis van geofysische processen en de structuur van het binnenste van de aarde, waardoor we natuurrampen, zoals aardbevingen, beter kunnen begrijpen.

Seismologen brengen het aardbevingsgevaar in kaart met behulp van de gegevens over bodembewegingen van meer dan 10 000 seismometers die over de hele wereld zijn geïnstalleerd. Deze enorme hoeveelheid gegevens kan echter alleen worden verwerkt door middel van krachtige HPC-infrastructuur.

• - 

  Veilige, schone en efficiënte energie:

HPC is een essentieel instrument voor het ontwerpen van parken voor hernieuwbare energie of hoogwaardig fotovoltaïsch materiaal, voor het testen van nieuwe en efficiëntere vormen van materiaal voor zonnepanelen, en voor het optimaliseren van turbines voor de elektriciteitsproductie. Zo kan de commerciële levensvatbaarheid van windmolenparken worden voorspeld aan de hand van nauwkeurige beoordelingen van de hulpbron wind, het ontwerp van de parken en kortetermijn-windsimulaties op microschaal ten behoeve van prognoses van de dagelijkse elektriciteitsproductie. Voor de windenergiesector is HPC een cruciaal instrument, met name op locaties met complexe terreinkenmerken.

Dankzij fusie-energie zouden kerncentrales worden vervangen door een veiligere, groenere en nagenoeg onuitputtelijke energiebron. Voor experimentele fusiereactoren wordt momenteel HPC momenteel gebruikt ten behoeve van simulaties en oplossingen op het gebied van het gedrag van fusieplasma, met inbegrip van instabiliteit, turbulent transport, de wisselwerking tussen plasma en de wand, en verhitting.

• - 

  Gezondheid, demografische veranderingen en welzijn:

HPC speelt een grote rol bij de ontwikkeling van nieuwe soorten geneeskunde. Gepersonaliseerde en precisiegeneeskunde zijn in hoge mate afhankelijk van HPC. Hiermee kunnen op individueel niveau genetische gegevens, gegevens over eiwitten en gegevens over omgevingsfactoren worden verwerkt om ziekten te voorkomen, te diagnostiseren en te behandelen.

Bij kanker heeft bijvoorbeeld elke variant zijn eigen genetische samenstelling, waardoor elke tumorcel en elk tumorweefsel unieke kenmerken met specifieke eigenschappen en kwetsbare punten heeft. Gepersonaliseerde en precisiegeneeskunde zijn erop gericht elke patiënt de juiste behandeling te geven die aan de specifieke behoeften is aangepast.

Het in een vroeg stadium opsporen van zeldzame ziekten is een andere uitdaging die met behulp van HPC efficiënter kan worden aangepakt. Dankzij HPC-technologie kunnen diagnoses en analyses die weken in beslag zouden nemen, in enkele dagen worden voltooid.

Met HPC kunnen bovendien genoomsequenties sneller en doeltreffender worden geanalyseerd. Genetische ziekten zijn een van de belangrijkste doodsoorzaken bij kinderen. Er bestaan er ongeveer 4 100.

Verder wordt in het biomoleculair onderzoek met behulp van HPC gekeken naar de dynamiek van biomoleculen en eiwitten in menselijke cellen. Dit is van cruciaal belang voor een efficiëntere behandeling van auto-immuunziekten, maar ook van kanker en diabetes. In het hersenonderzoek, zoals het FET-vlaggenschipproject "Human Brain Project", wordt HPC gebruikt voor de meerschalige en gedetailleerde simulatie en modellering van het menselijk brein om inzicht te krijgen in de organisatie en werking ervan.

Tot slot vormt HPC het fundament voor de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen. Het ontwikkelen van een nieuw geneesmiddel neemt 10 tot 17 jaar in beslag. Bedrijven en patiënten hebben steeds meer last van de stijgende kosten. Door middel van HPC kan het testen van moleculen van kandidaat-geneesmiddelen aanzienlijk worden versneld. Verder kan met HPC worden onderzocht of bestaande geneesmiddelen ook geschikt zijn voor de behandeling van andere ziekten. De behandeling van patiënten heeft hier baat bij en de kosten van het proces kunnen aanzienlijk worden teruggedrongen.

• - 

  Voedselzekerheid, duurzame landbouw, marien onderzoek en de bio-economie:

HPC is van cruciaal belang voor de ontwikkeling van duurzamere landbouw door middel van het optimaliseren van de productie van voedsel, het analyseren van duurzaamheidsfactoren en het monitoren van plagen, ziektebestrijding en de effecten van pesticiden.

Applicaties met HPC-capaciteit gebruiken bijvoorbeeld RFID-tags waarop een grote hoeveelheid data over het vochtgehalte, het gewicht en de gps-positie van een baal kan worden opgeslagen en gedownload. In de toekomst kunnen microtags met het formaat van bodemdeeltjes op grote schaal worden toegepast om factoren te meten zoals vocht, de ziektelast en zelfs of het gewas klaar is om te worden geoogst.

HPC-technologie kan ook bijdragen tot efficiënt beheer van water en agrarische hulpbronnen en kwetsbare gemeenschappen in de regio helpen door middel van verbeterd droogtebeheer en -respons.

• - 

  Cyberbeveiliging en -defensie:

Daarnaast is HPC van vitaal belang voor de nationale veiligheid en defensie, bijvoorbeeld bij de ontwikkeling van complexe encryptietechnologieën, het traceren en beantwoorden van cyberaanvallen, bij forensische wetenschap of kernsimulaties.

Op het vlak van cyberbeveiliging wordt HPC in combinatie met kunstmatige intelligentie en machine-learning gebruikt bij de opsporing van vreemd systeemgedrag, dreigingen van binnenuit en elektronische fraude, cyberaanvalpatronen in een zeer vroeg stadium (binnen enkele uren in plaats van enkele dagen), of potentieel misbruik van systemen, en bij het nemen van automatische en onmiddellijke maatregelen teneinde tot actie over te gaan voordat vijandige gebeurtenissen zich voordoen.

HPC wordt ook steeds meer gebruikt bij de bestrijding van terrorisme en criminaliteit, bijvoorbeeld voor gezichtsherkenning of het opsporen van verdacht gedrag in drukke openbare ruimten.

• - 

  Slimme, groene en geïntegreerde stedelijke planning:

HPC-technologie ondersteunt de ontwikkeling van slimmere steden dankzij een efficiëntere beheersing van grote vervoersinfrastructuur, waarvoor realtime analyse van enorme hoeveelheden data nodig is.

De ontwikkeling van autonome voertuigen zal bijvoorbeeld afhankelijk zijn van HPC, omdat deze voertuigen gebruik zullen maken van een grote verscheidenheid aan data om de navigatie, de toestand van de wegen, de staat van het voertuig alsmede het comfort en de veiligheid van de passagiers permanent te monitoren en te optimaliseren. Zelfrijdende auto's zullen permanent gegevens uitwisselen met beheers- en toezichtsystemen en worden gesynchroniseerd met grote databanken die hen voortdurend voorzien van realtime informatie over de lokale omgeving, de verkeerssituatie, waarschuwingen en de weersomstandigheden.

• - 

  Kosmologie en astrofysica

Wetenschappers gebruiken HPC om de ruimte nauwkeuriger te observeren, om heftige gebeurtenissen te simuleren die na de oerknal hebben plaatsgevonden en die eventueel zwaartekrachtgolven hebben veroorzaakt, om supernova's en binaire sterrenstelsels op te sporen of om inzicht te krijgen in donkere materie en energie.

Wat is het belang van HPC voor de digitale eengemaakte markt?

De digitale eengemaakte markt moet de virtuele barrières neerhalen en uiteindelijk 28 nationale markten tot één markt omvormen. Een goed functionerende digitale eengemaakte markt kan de EU-economie 415 miljard euro per jaar opleveren en honderdduizenden banen creëren. HPC heeft een enorm potentieel voor het scheppen van banen in het kader van de digitale eengemaakte markt.

HPC is een belangrijke factor, in het bijzonder voor de digitalisering en het concurrentievermogen van de industriesector en de innovatie in die sector. De EuroHPC-omgeving zal het Europese bedrijfsleven en in het bijzonder kleine en middelgrote ondernemingen een betere toegang tot supercomputers verschaffen om innovatieve producten te ontwikkelen.

HPC kan enorme hoeveelheden data in realtime behandelen en verwerken, en levert daarom een fundamentele bijdrage aan het opbouwen van een bloeiend data-economie. Een geïntegreerd computing- en "big data"-ecosysteem op exaschaal stelt de EU in staat optimale resultaten te bereiken en tegelijkertijd voor hoogwaardige gegevensbescherming en -beveiliging te zorgen. Dankzij de EuroHPC-infrastructuur kunnen gevoelige gegevens in Europa worden verwerkt: de persoonlijke levenssfeer, de eigendom en de rechten op toegang en exploitatie worden zodoende in Europa beschermd.

Waarom is het nodig dat de EU het initiatief neemt op het gebied van HPC?

Ondanks de tot nu toe geleverde inspanningen en gedane investeringen beschikt de EU niet over de krachtigste supercomputers en zijn de bestaande supercomputers afhankelijk van niet-Europese technologie. Er is onvoldoende rekencapaciteit beschikbaar om te voldoen aan de steeds grotere navraag. Daarom verwerken Europese wetenschappers en het bedrijfsleven hun gegevens steeds vaker buiten de EU. Dat kan leiden tot problemen in verband met de privacy, gegevensbescherming, bedrijfsgeheimen en eigendom van gegevens, met name voor gevoelige toepassingen.

De Europese toeleveringsketen voor HPC-technologie is gebrekkig en de integratie van Europese technologie in operationele HPC-machines blijft te verwaarlozen. Als er geen duidelijke vooruitzichten zijn op een leidende markt en op de verkoop van een exaschaalmachine aan de overheidssector, zullen de Europese leveranciers zelf niet het risico nemen om machines te ontwikkelen.

Daar komt bij dat momenteel elke lidstaat afzonderlijk investeringen doet in de ontwikkeling en verwerving van HPC-infrastructuur. Europa doet weliswaar aanzienlijke investeringen op nationaal en EU-niveau, maar vergeleken met de concurrenten in de VS, China en Japan schieten de investeringen in HPC duidelijk tekort: er wordt per jaar 500 tot 750 miljoen euro te weinig geïnvesteerd. De middelen en financiële investeringen die nodig zijn om een duurzaam HPC-ecosysteem op exaschaalniveau tot stand te brengen, zijn inmiddels van een dergelijke omvang dat geen enkel afzonderlijk land in Europa over de capaciteit beschikt om hier op duurzame wijze en binnen een vergelijkbaar tijdsbestek als de concurrenten van buiten de EU voor te zorgen. De lidstaten moeten daarom hun strategieën voor investeringen in HPC op Europees niveau coördineren en hun middelen bundelen.

Er moet op EU-niveau werk gemaakt worden van bundeling en rationalisatie. Iedereen heeft baat bij gedeelde infrastructuur en het gemeenschappelijk gebruik van bestaande vermogens: de industrie, de middelgrote en kleine bedrijven, de wetenschap, de overheidssector en met name de (kleinere) lidstaten zonder autonome nationale HPC-infrastructuur. Hierdoor wordt met name gewaarborgd dat de EU onafhankelijke toegang heeft tot eigen HPC-technologie.

Wat is het EuroHPC-initiatief?

Op 10 mei 2017 heeft de Europese Commissie in de mededeling over de tussentijdse evaluatie van haar strategie voor de digitale eengemaakte markt haar plannen om te investeren in HPC bevestigd en aangekondigd dat zij van plan is een nieuw rechtsinstrument voor te stellen dat voorziet in een kader voor de aanbesteding van een geïntegreerde exaschaal supercomputing- en data-infrastructuur van de EU.

Het doel was ervoor zorgen dat Europa en de lidstaten op een doeltreffende en efficiënte manier gezamenlijk investeren in de totstandbrenging van een toonaangevend Europees HPC- en "big data"-ecosysteem op het vlak van technologie, toepassingen en vaardigheden, ondersteund door een hoogwaardige computing- en data-infrastructuur van wereldklasse.

Het initiatief maakt de gezamenlijke aanschaf van HPC-machines mogelijk, waarbij alle lidstaten toegang krijgen tot supercomputers met prestaties die tot de wereldtop behoren. Deze machines worden geïntegreerd in een pan-Europese infrastructuur en zijn beschikbaar voor onderzoekers uit de wetenschap en de industrie alsmede uit de overheidssector, ongeacht hun locatie. Door de grotere beschikbaarheid en betere toegankelijkheid van hoogwaardige HPC-middelen worden de gebruikers aangemoedigd hun activiteiten en data in Europa te laten. Zodoende blijven essentiële expertise en menselijk potentieel behouden in de lidstaten.

Waarom stelt de Commissie een gemeenschappelijke onderneming voor om het EuroHPC-initiatief uit te voeren?

De huidige financieringsinstrumenten zijn slechts in beperkte mate bruikbaar voor een dergelijke grootschalige samenwerking op het gebied van supercomputers. Uit een effectbeoordeling is gebleken dat EuroHPC het beste kan worden uitgevoerd door middel van een gemeenschappelijke onderneming. Dit rechtsinstrument maakt het mogelijk de krachten te bundelen met de lidstaten ter ondersteuning van de ontwikkeling van een pan-Europese High-Performance Computing- en data-infrastructuur. Hiermee wordt tegemoet gekomen aan drie dringende behoeften:

• - 

  de aanschaf en toepassing in Europa, binnen een termijn die rekening houdt met de concurrentie, van pre-exaschaal HPC-infrastructuur van wereldklasse;
• - 

  ervoor zorgen dat deze HPC-infrastructuur beschikbaar wordt gesteld aan publieke en particuliere gebruikers voor de ontwikkeling van toonaangevende wetenschappelijke en industriële toepassingen;
• - 

  ondersteuning van de tijdige ontwikkeling van de volgende generatie Europese HPC-technologieën en de integratie daarvan in exaschaalsystemen binnen een termijn die rekening houdt met de concurrentie over de hele wereld.

De gemeenschappelijke onderneming EuroHPC maakt het mogelijk de gezamenlijke aanschaf en eigendom van supercomputers op efficiënte wijze te combineren, en voorziet in investeringen door de Commissie en de lidstaten in de ontwikkeling van technologie voor de aangeschafte machines.

Wie worden lid van de gemeenschappelijke onderneming EuroHPC?

De gemeenschappelijke onderneming EuroHPC heeft twee categorieën leden, namelijk publieke en particuliere leden. De publieke leden zijn de Europese Unie (vertegenwoordigd door de Europese Commissie) en de 13 lidstaten en geassocieerde landen die de EuroHPC-verklaring hebben ondertekend. Andere lidstaten en geassocieerde landen kunnen op elk moment toetreden tot de gemeenschappelijke onderneming.

De particuliere leden van de gemeenschappelijke onderneming zijn vertegenwoordigers van de belanghebbenden op het gebied van HPC en big data, onder meer uit de academische wereld en de industrie. Twee contractuele PPP's (ETP4HPC en de Big Data Value Association) hebben in brieven de uitvoering van de gemeenschappelijke onderneming EuroHPC ondersteund.

De gemeenschappelijke onderneming EuroHPC zal volgens de planning in 2019 van start gaan en tot eind 2026 operationeel blijven.

Welk budget krijgt de gemeenschappelijke onderneming EuroHPC?

De gemeenschappelijke onderneming EuroHPC zal door de leden gezamenlijk worden gefinancierd. De financiële bijdrage van de Unie zal de administratieve en operationele kosten dekken en 486 miljoen euro bedragen, via begrotingsvastleggingen in het huidige meerjarig financieel kader (MFK) en specifiek door middel van de programma's Horizon 2020 en Connecting Europe Facility (CEF).

De landen die deelnemen aan EuroHPC zullen in het kader van hun nationale HPC-programma's hetzelfde bedrag bijdragen. Verder zullen particuliere entiteiten niet-financiële bijdragen leveren als onderdeel van hun huidige verbintenissen in het kader van de publiek-private partnerschappen ETP4HPC en BDVA.

De gemeenschappelijke onderneming heeft een totaal budget van ongeveer 1 miljard euro en loopt tot 2026.

De gemeenschappelijke onderneming EuroHPC zal op basis van open en vergelijkende uitnodigingen financiële ondersteuning aan de deelnemers verstrekken in de vorm van aanbestedingen of subsidies voor onderzoek en innovatie. Deze uitnodigingen zijn vergelijkbaar met de uitnodigingen die de Commissie hanteert in het kader van Horizon 2020 of ten behoeve van innovatieve overheidsopdrachten.

Welk verband is er tussen HPC, kunstmatige intelligentie en deep learning-technologie?

Deep learning-technologie heeft baat bij het gebruik van HPC. Door de combinatie van supercomputercapaciteit en kunstmatige intelligentie wordt machine learning sneller en efficiënter, waardoor meer innovatieve oplossingen en technologieën tot stand kunnen komen die ons dagelijks leven verbeteren.

Recentelijk heeft het gebruik van kunstmatige intelligentie en deep learning-technieken in combinatie met HPC geleid tot belangrijke doorbraken op het gebied van beeldsegmentatie (herkenning van patronen), spraakherkenning (herkenning van spraak en vertaling ervan in tekst door computers) en zelfrijdende auto's.

De combinatie van HPC, kunstmatige intelligentie en deep learning-technologie is belangrijk voor gebieden als cyberbeveiliging doordat vreemd systeemgedrag, dreigingen van binnenuit, elektronische fraude en andere cyberaanvalpatronen in een vroeg stadium (binnen enkele uren in plaats van enkele dagen) worden opgespoord. Bovendien kan potentieel misbruik van systemen worden geconstateerd en kunnen automatische en onmiddellijke maatregelen worden getroffen voordat vijandige gebeurtenissen zich voordoen.

Meer informatie

Persbericht "Europa investeert in supercomputers"

MEMO/18/3