October 28, 2021
Para Ilmuwan Membangun Kembar Digital Yang Sangat Akurat di Planet Kita

Para Ilmuwan Membangun Kembar Digital Yang Sangat Akurat di Planet Kita

Kembaran digital Bumi adalah untuk mensimulasikan sistem Bumi secara komprehensif dan pada resolusi tinggi dan berfungsi, misalnya, sebagai dasar untuk memandu langkah-langkah adaptasi terhadap perubahan iklim. Kredit: ESA

Kembaran digital planet kita akan mensimulasikan sistem Bumi di masa depan. Ini dimaksudkan untuk mendukung pembuat kebijakan dalam mengambil tindakan yang tepat untuk lebih mempersiapkan diri menghadapi peristiwa ekstrim. Makalah strategi baru oleh ilmuwan Eropa dan ilmuwan komputer ETH Zurich menunjukkan bagaimana hal ini dapat dicapai.

Untuk menjadi netral iklim pada tahun 2050, Uni Eropa meluncurkan dua program ambisius: “Kesepakatan Hijau” dan “Strategi Digital”. Sebagai komponen kunci dari keberhasilan implementasi mereka, ilmuwan iklim dan ilmuwan komputer meluncurkan inisiatif “Bumi Tujuan”, yang akan dimulai pada pertengahan 2021 dan diharapkan berlangsung hingga sepuluh tahun. Selama periode ini, model digital Bumi yang sangat akurat akan dibuat, kembaran digital Bumi, untuk memetakan perkembangan iklim dan peristiwa ekstrem seakurat mungkin di ruang dan waktu.

Data pengamatan akan terus dimasukkan ke dalam kembaran digital untuk membuat model Bumi digital lebih akurat untuk memantau evolusi dan memprediksi kemungkinan lintasan di masa depan. Namun selain data observasi yang biasa digunakan untuk simulasi cuaca dan iklim, peneliti juga ingin mengintegrasikan data baru tentang aktivitas manusia yang relevan ke dalam model. “Model sistem Bumi” yang baru akan merepresentasikan hampir semua proses di permukaan bumi senyata mungkin, termasuk pengaruh manusia terhadap air, makanan dan manajemen energi, dan proses dalam sistem fisik Bumi.

Sistem informasi untuk pengambilan keputusan

Kembaran digital Bumi dimaksudkan sebagai sistem informasi yang mengembangkan dan menguji skenario yang menunjukkan pembangunan yang lebih berkelanjutan dan dengan demikian menginformasikan kebijakan dengan lebih baik. “Jika Anda merencanakan tanggul setinggi dua meter di Belanda, misalnya, saya dapat memeriksa data di digital twin saya dan memeriksa apakah tanggul tersebut kemungkinan besar masih akan melindungi terhadap kejadian ekstrem yang diperkirakan pada tahun 2050,” kata Peter Bauer, wakil direktur Riset di Pusat Eropa untuk Perkiraan Cuaca Jarak Menengah (ECMWF) dan rekan inisiator Bumi Tujuan. Kembar digital juga akan digunakan untuk perencanaan strategis pasokan air tawar dan makanan atau ladang angin dan pembangkit tenaga surya.

Kekuatan pendorong di belakang Destination Earth adalah ECMWF, Badan Antariksa Eropa (ESA), dan Organisasi Eropa untuk Eksploitasi Satelit Meteorologi (EUMETSAT). Bersama dengan ilmuwan lain, Bauer mendorong ilmu iklim dan aspek meteorologi dari kembaran digital Bumi, tetapi mereka juga mengandalkan pengetahuan ilmuwan komputer dari ETH Zurich dan Swiss National Supercomputing Center (CSCS), yaitu profesor ETH Torsten Hoefler, dari Institute for High Performance Computing Systems, dan Thomas Schulthess, Direktur CSCS.

Untuk mengambil langkah besar dalam revolusi digital ini, Bauer menekankan perlunya ilmu kebumian dikawinkan dengan ilmu komputer. Dalam publikasi baru-baru ini di Nature Computational Science, tim peneliti dari ilmu bumi dan komputer membahas tindakan konkret mana yang ingin mereka gunakan untuk memajukan “revolusi digital ilmu sistem bumi”, di mana mereka melihat tantangan dan apa yang mungkin solusi dapat ditemukan.

Model cuaca dan iklim sebagai dasar

Dalam makalah mereka, para peneliti melihat kembali perkembangan model cuaca yang stabil sejak 1940-an, sebuah kisah sukses yang terjadi secara diam-diam. Bisa dikatakan, ahli meteorologi memelopori simulasi proses fisik pada komputer terbesar di dunia. Sebagai seorang fisikawan dan ilmuwan komputer, Schulthess dari CSCS yakin bahwa model cuaca dan iklim saat ini sangat cocok untuk mengidentifikasi cara yang benar-benar baru bagi banyak disiplin ilmu tentang bagaimana menggunakan superkomputer secara efisien.

Di masa lalu, pemodelan cuaca dan iklim menggunakan pendekatan yang berbeda untuk mensimulasikan sistem Bumi. Sementara model iklim mewakili serangkaian proses fisik yang sangat luas, mereka biasanya mengabaikan proses skala kecil, yang, bagaimanapun, penting untuk prakiraan cuaca yang lebih tepat yang pada gilirannya, berfokus pada sejumlah kecil proses. Kembaran digital akan menyatukan kedua area dan memungkinkan simulasi resolusi tinggi yang menggambarkan proses kompleks dari seluruh sistem Bumi. Tetapi untuk mencapai ini, kode program simulasi harus disesuaikan dengan teknologi baru yang menjanjikan daya komputasi yang jauh lebih baik.

Dengan komputer dan algoritme yang tersedia saat ini, simulasi yang sangat kompleks hampir tidak dapat dilakukan pada resolusi sangat tinggi yang direncanakan, yaitu satu kilometer karena selama beberapa dekade, pengembangan kode mengalami stagnasi dari perspektif ilmu komputer. Penelitian iklim diuntungkan karena dapat memperoleh kinerja yang lebih tinggi melalui cara-cara prosesor generasi baru tanpa harus mengubah program mereka secara mendasar. Peningkatan kinerja gratis ini dengan setiap generasi prosesor baru berhenti sekitar 10 tahun yang lalu. Akibatnya, program saat ini seringkali hanya dapat memanfaatkan 5 persen dari kinerja puncak prosesor konvensional (CPU).

Untuk mencapai peningkatan yang diperlukan, penulis menekankan perlunya desain bersama, yaitu mengembangkan perangkat keras dan algoritme secara bersama-sama dan secara bersamaan, seperti yang berhasil ditunjukkan CSCS selama sepuluh tahun terakhir. Mereka menyarankan untuk memberi perhatian khusus pada struktur data generik, diskritisasi spasial yang dioptimalkan dari grid yang akan dihitung dan optimalisasi panjang langkah waktu. Para ilmuwan selanjutnya mengusulkan untuk memisahkan kode untuk memecahkan masalah ilmiah dari kode yang secara optimal melakukan komputasi pada arsitektur sistem masing-masing. Struktur program yang lebih fleksibel ini akan memungkinkan peralihan yang lebih cepat dan lebih efisien ke arsitektur masa depan.

Mendapatkan keuntungan dari kecerdasan buatan

Penulis juga melihat potensi besar dalam kecerdasan buatan (AI). Ini dapat digunakan, misalnya untuk asimilasi data atau pengolahan data observasi, representasi proses fisik yang tidak pasti dalam model dan kompresi data. Dengan demikian, AI memungkinkan untuk mempercepat simulasi dan menyaring informasi terpenting dari data dalam jumlah besar. Selain itu, para peneliti berasumsi bahwa penggunaan pembelajaran mesin tidak hanya membuat penghitungan lebih efisien, tetapi juga dapat membantu mendeskripsikan proses fisik dengan lebih akurat.

Para ilmuwan melihat makalah strategi mereka sebagai titik awal dalam perjalanan menuju kembaran digital Bumi. Di antara arsitektur komputer yang tersedia saat ini dan yang diharapkan dalam waktu dekat, superkomputer berdasarkan unit pemrosesan grafis (GPU) tampaknya menjadi pilihan yang paling menjanjikan. Para peneliti memperkirakan bahwa mengoperasikan kembaran digital dalam skala penuh akan membutuhkan sistem dengan sekitar 20.000 GPU, yang memakan daya sekitar 20MW. Untuk alasan ekonomi dan ekologi, komputer semacam itu harus dioperasikan di lokasi di mana CO2– Listrik yang dihasilkan netral tersedia dalam jumlah yang cukup.

Referensi:

“Revolusi digital ilmu sistem bumi” oleh Peter Bauer, Peter D. Dueben, Torsten Hoefler, Tiago Quintino, Thomas C. Schulthess dan Nils P. Wedi, 22 Februari 2021, Ilmu Komputasi Alam.
DOI: 10.1038 / s43588-021-00023-0

“Kembaran digital Bumi untuk transisi hijau” oleh Peter Bauer, Bjorn Stevens dan Wilco Hazeleger, 1 Februari 2021, Perubahan Iklim Alam.
DOI: 10.1038 / s41558-021-00986-y