Ein hochpräziser digitaler Zwilling der Erde

Um bis 2050 klimaneutral zu werden, hat die Europ?ische Union zwei ehrgeizige Programme gestartet: ?externe SeiteGreen Dealcall_made? und ?externe SeiteDigital Strategycall_made?. Als eine Schl¨¹sselkomponente f¨¹r die erfolgreiche Umsetzung haben Klimawissenschaftler und Informatiker die Initiative ?externe SeiteDestination Earthcall_made? lanciert, die Mitte dieses Jahres starten wird und bis zu zehn Jahre laufen soll. W?hrend dieses Zeitraums soll ein hochpr?zises digitales Modell der Erde entstehen, ein digitaler Zwilling der Erde, um die Klimaentwicklung und Extremereignisse r?umlich und zeitlich bestm?glich abzubilden.

In den digitalen Zwilling sollen kontinuierlich Beobachtungsdaten einfliessen, um das digitale Erdmodell zur ?berwachung der Entwicklung und zur Vorhersage m?glicher zuk¨¹nftiger Trajektorien (Entwicklungspfade) fortlaufend zu pr?zisieren. Neben den herk?mmlich f¨¹r Wetter- und Klimasimulationen genutzten Beobachtungsdaten wollen die Forscher neue, auch f¨¹r das Klimasystem relevante Daten menschlicher Aktivit?ten in das Modell integrieren, so dass das virtuelle ?Erdsystem-Modell? die gesamten Prozesse an der Erdoberfl?che, den Einfluss des Menschen in Bezug auf das Wasser-, Nahrungs-, und Energie-Management, einschliesslich der Prozesse im physischen Erdsystem, m?glichst realit?tsnah abbildet.

Informationssystem zur Entscheidungsfindung

Mit dem digitalen Zwilling der Erde soll ein Informationssystem entstehen, das Szenarien entwickelt und testet, die eine nachhaltigere Entwicklung aufzeigen und damit die Politik besser informieren. ?Wenn man in Holland beispielsweise einen zwei Meter hohen Deich plant, kann ich die Daten in meinem digitalen Zwilling durchspielen und ¨¹berpr¨¹fen, ob der Deich aller Voraussicht nach auch im Jahr 2050 vor zu erwartenden Extremereignissen sch¨¹tzt?, sagt Peter Bauer, stellvertretender Direktor f¨¹r Forschung am externe SeiteEurop?ischen Zentrum f¨¹r mittelfristige Wettervorhersagencall_made (ECMWF) und Mitinitiator von Destination Earth. Auch f¨¹r die strategische Planung von Frischwasser- und Lebensmittelversorgung oder Windfarmen und Solaranlagen soll der digitale Zwilling genutzt werden.

Treibende Kr?fte hinter ?Destination Earth? sind das ECMWF, die externe SeiteEurop?ische Weltraumorganisationcall_made (ESA), und die externe SeiteEurop?ische Organisation f¨¹r die Nutzung meteorologischer Satellitencall_made (EUMETSAT). Zusammen mit weiteren Klimawissenschaftlern treibt Bauer die klimawissenschaftlichen und meteorologischen Aspekte des digitalen Zwillings der Erde voran. Dabei setzen die Experten auf das Knowhow von Informatikern der ETH Z¨¹rich und des externe SeiteNationalen Hochleistungsrechenzentrums der Schweizcall_made (CSCS), namentlich auf die ETH-Professoren Torsten Hoefler, vom Institut f¨¹r Hochleistungsrechnersysteme und Thomas Schulthess, Direktor des CSCS.

Um diesen grossen Schritt der digitalen Revolution zu schaffen, brauche es die Verm?hlung der Erdwissenschaften mit den Computerwissenschaften, betont Bauer. In einer soeben in Nature Computational Science erschienenen Publikation diskutiert nun das Team aus Forschern der Erd- und Computerwissenschaften, mit welchen konkreten Massnahmen sie diese ?digitale Revolution der Erdsystemwissenschaften? voranbringen m?chten, wo sie die Herausforderungen sehen und wo m?gliche L?sungen zu finden sind.

Wetter- und Klimamodelle als Grundlage

In der Publikation blicken sie auf die seit den 1940er Jahren stetige Entwicklung der Wettermodelle zur¨¹ck  -eine Erfolgsgeschichte, die im Stillen stattfand. Die Meteorologen leisteten sozusagen Pionierarbeit bei Simulationen von physikalischen Prozessen auf Grossrechnern. Als Physiker und Computerwissenschaftler ist Schulthess deshalb davon ¨¹berzeugt, dass die heutigen Wetter- und Klimamodelle sich ideal daf¨¹r eignen, auch anderen wissenschaftliche Disziplinen v?llig neue Wege aufzuzeigen, wie man Supercomputer effizient nutzen kann.

In der Vergangenheit wurden in der Wetter- und Klimamodellierung unterschiedliche Ans?tze verfolgt, um das Erdsystem zu simulieren. W?hrend Klimamodelle eine sehr breite Palette physikalischer Prozesse abbilden, vernachl?ssigen sie typischerweise kleinr?umige Prozesse, die jedoch f¨¹r die Wettervorhersagen, die sich auf eine geringere Anzahl von Prozessen konzentrieren, unerl?sslich sind. Der digitale Zwilling wird beide Bereiche zusammenf¨¹hren und hochaufl?senden Simulationen erm?glichen, die die komplexen Prozesse des Erdsystems abbilden. Doch um das zu erreichen, so die Wissenschaftler, gelte es die Codes der Simulationsprogramme auf die neuen Technologien, die eine wesentlich h?here Rechenleistung versprechen, anzupassen.

Da die Code-Entwicklung aus Sicht der Informatik jahrzehntelang stagnierte, lassen sich mit den heute zur Verf¨¹gung stehenden Rechnern und Algorithmen die hochkomplexen Simulationen kaum in der geplanten extrem hohen Aufl?sung von einem Kilometer durchf¨¹hren. Die Klimaforschung profitierte davon, dass sie durch neue Prozessorgenerationen mehr Leistung gewinnen konnte, ohne ihre Programme grundlegend ?ndern zu m¨¹ssen. Dieser kostenlose Leistungsgewinn mit jeder neuen Prozessorgeneration kam vor etwa 10 Jahren ins Stocken. Die Folge ist, dass heutige Programme oft nur noch 5 Prozent der Leistung herk?mmlicher Prozessoren (CPU) nutzen k?nnen.

Um die notwendigen Verbesserungen zu erreichen, betonen die Autoren die Notwendigkeit des Co-Designs, das heisst, der gemeinsamen und gleichzeitigen Entwicklung von Hardware und Algorithmen, wie es das CSCS in den letzten zehn Jahren erfolgreich demonstriert hat. Sie schlagen vor, besonderes Augenmerk auf generische Datenstrukturen, optimierte r?umliche Diskretisierung des zu berechnenden Gitters und Optimierung der Zeitschrittl?ngen zu legen. Weiterhin schlagen die Wissenschaftler vor, die Codes zur L?sung des wissenschaftlichen Problems von den Codes zu trennen, die die Berechnung auf der jeweiligen Systemarchitektur optimal durchf¨¹hren. Diese flexiblere Programmstruktur w¨¹rde einen schnelleren und effizienteren Wechsel auf zuk¨¹nftige Architekturen erm?glichen.

Profitieren von k¨¹nstlicher Intelligenz

Grosses Potential sehen die Autoren auch in der k¨¹nstlichen Intelligenz (KI). Sie kann beispielsweise f¨¹r die Datenassimilation oder die Verarbeitung der Beobachtungdaten und f¨¹r die Darstellung von unsicheren physikalischen Prozessen in den Modellen oder zur Datenkomprimierung genutzt werden. KI erm?glicht somit, die Simulationen zu beschleunigen und die wichtigsten Informationen aus grossen Datenmengen herauszufiltern. Die Forscher gehen davon aus, dass der Einsatz von maschinellem Lernen jedoch nicht nur die Berechnungen effizienter macht, sondern auch die physikalischen Prozesse besser beschreiben kann.

Die Wissenschaftler sehen ihr Strategiepapier als Ausgangspunkt f¨¹r den Weg zu einem digitalen Zwilling der Erde. Unter den heute und in naher Zukunft zur Verf¨¹gung stehenden Rechnerarchitekturen identifizieren sie auf Graphikprozessoren (GPU) beruhende Supercomputer als die erfolgversprechendste Option. Sie sch?tzen, dass der Betrieb eines digitalen Zwillings in vollem Umfang ein System mit ca. 20'000 GPU erfordert, das sch?tzungsweise 20MW Stromleistung ben?tigt. Sowohl aus ?konomischer als auch aus ?kologischen Gr¨¹nden sollte ein solcher Rechner an einem Ort betrieben werden, an dem CO₂-neutral erzeugter Strom in ausreichender Menge zur Verf¨¹gung steht.