Preview document (🔗 origineel)

---

Kabinetsvisie supercomputers en supernode in Nederland

Hoofdpunten 

De grote maatschappelijke uitdagingen waar ons land, Europa en de wereld
voor staan vragen om krachtige, soms ook niet conventionele oplossingen.
Tot die uitdagingen behoren in ieder geval de toekomstige
energievoorziening, de beveiliging van ons land tegen wateroverlast
-vanuit de zee en vanuit het binnenland- de gevolgen voor het weer door
klimaatveranderingen, de vergrijzing en de volksgezondheid en zo meer.
Eén van de belangrijkste en bewezen manieren waarop vandaag dieper
inzicht verkregen kan worden in de processen die de wereld drijven in de
komende jaren, is Computational Science. Computational Science is de
ontwikkeling en het gebruik van modellen, ondersteund door de
grootschalige inzet van computers. Deze toepassing, ook wel High
Performance Computing (HPC) genoemd, is bij uitstek geschikt om ons een
beeld te vormen van de toekomst en scenario’s door te rekenen.

Nederland is in de afgelopen 25 jaar nauw betrokken geweest bij de
ontwikkeling van dit nieuwe onderzoeksdomein, ook wel de derde
methodologie in de wetenschap genoemd (te onderscheiden van
“experiment” en “theorievorming”). Reeds in 1984 hebben de
ministeries van OCW en EZ de aanzet gegeven tot de vorming van een
nationaal beleid voor HPC, waaraan NWO sinds 1990 vormgeeft met de
stichting Nationale Computerfaciliteiten. Met deze steun hebben zich
toonaangevende onderzoeksgebieden, zoals atmospheric science en
theoretische chemie, ontwikkeld, die dankzij de aanwezigheid van een
nationale supercomputer in Nederland een stempel zetten op ons nationale
researchprofiel.

Economische en demografische ontwikkelingen in de wereld maken het
steeds belangrijker dat op Europees en op nationaal niveau wordt gewerkt
aan een verdere profilering van ons land als kennisland, zowel voor de
opleiding van studenten en promovendi als voor het aantrekken van
leidende onderzoekers en bedrijven. Maar het is evenzeer belangrijk om
de onafhankelijkheid van ons wetenschappelijk onderzoek en onze
beleidsbeslissingen te garanderen.

In het Partnership for Advanced Computing in Europe (PRACE) wordt daarom
op Europees niveau gewerkt aan het creëren van een top-infrastructuur
van hoogwaardige rekenvoorzieningen (supercomputers), die gelijkwaardig
is aan de ICT-infrastructuur van de VS en Azië. Nederland neemt deel
aan PRACE met het doel de Nederlandse belangen bij de vormgeving van
deze top-infrastructuur maximaal te garanderen. Voor de
implementatiefase van deze Europese infrastructuur hebben de ministeries
van Economische Zaken en Onderwijs Cultuur en Wetenschap een
maatschappelijk-economische verkenning laten uitvoeren.

Deze visie, waarin het accent ligt op supercomputers, moet worden gezien
in de context van het advies van ICTRegie, dat een integrale benadering
van de ICT-infrastructuur voor wetenschappelijk onderzoek in Nederland
beschrijft. De kabinetsreactie op dat advies vormt dan ook het
uitgangspunt voor deze onderhavige visie.

Conclusies.

De grote maatschappelijke uitdagingen van de toekomst vergen een
krachtige inzet van moderne methoden voor scenario-ontwikkeling en
analyse. E-Science en Computational Science zijn bij uitstek de methoden
die dit mogelijk maken.

De nationale aanwezigheid van topvoorzieningen voor High Performance
Computing draagt bij aan de oplossing van grote maatschappelijke
problemen in Nederland, aan de bevordering van sleutelgebieden in
Computational Science en aan de economische structuurversterking door
innovatie, profilering en werkgelegenheid.

De positieve maatschappelijke en economische effecten van het bezitten
van een Supernode in Europees verband zijn de investeringen waard (zie
de Economische Effecten Analyse van Ecorys van 26 oktober 2009).

De Supernode kan in verschillende branches tot concurrentievoordelen
leiden en een belangrijke bijdrage leveren aan het opleiden van nu
schaarse deskundigen.

Niet investeren in een Supernode, betekent dat de bestaande cyclus van
gebruik door kennisinstellingen en bedrijven in Nederland wordt
doorbroken. Hierdoor zal een belangrijk deel van het talent, dat voor
het bedrijfsleven en de wetenschap nodig is, niet meer kunnen worden
verworven (brain drain). Investeren in supercomputers is van belang om
de bedrijven die hier nu gebruik van maken voor Nederland te behouden.

Nederland dient daarom een krachtige speler te blijven in de vormgeving
van de Europese ICT-infrastructuur. Dit betreft ook de bouw van een
supercomputer-infrastructuur van internationale allure, zoals door het
European Strategy Forum on Research Infrastructures (ESFRI)
geprioriteerd. De integrale uitvoering van het ICTRegie advies, zoals
onderschreven in de kabinetsreactie, is daarvoor een goed uitgangspunt.

Nederland heeft een nationaal belang bij het participeren op het hoogste
niveau in PRACE om de toegang tot en de expertise bij het gebruik van
supercomputers te garanderen voor maatschappelijke sleutelgebieden en
wetenschappelijke profilering in Computational Science.

De vestigingslocatie van de Supernode vormt een cruciale randvoorwaarde
voor de uiteindelijke omvang van de economische effecten. Met het oog op
de beschikbaarheid van geschikt personeel, de aanwezigheid van het IT
cluster rond SARA, de mogelijkheden voor spin offs en de nabijheid van
Schiphol, heeft vestiging in Amsterdam de voorkeur. 

1.	De betekenis van supercomputers als onderzoeksinstrument

Onderzoek in het bedrijfsleven en in de wetenschap bestaat tegenwoordig
uit drie methodologieën: het experiment, de theorie en modellering (of
simulatie). Die laatste, ook wel de derde methodologie in de wetenschap
genoemd, is de afgelopen 25 jaar tot volle wasdom gekomen. In Nederland
heeft dit proces geleid tot een sterke ontwikkeling van inmiddels
gevestigde onderzoeksdomeinen, zoals de stromingsdynamica (Computational
Fluid Dynamics), met watermanagement en klimatologie als bekende
bijzondere domeinen, de theoretische chemie –waaronder de katalyse en
de ontwikkeling van nieuwe materialen- en andere domeinen, zoals de
astronomie, deeltjesfysica, biofysica, het medisch onderzoek en gaming.
De ontwikkeling van deze derde methodologie gaat hand in hand met de
sterke toename in computervermogen. De beschikbaarheid van
supercomputers en de voortdurende wens tot het begrijpen van complexe
processen zijn de drijvende krachten achter deze krachtige nieuwe
onderzoeksmethodologie.

Men mag volgens Prof. Dr. R.A. van Santen, voorzitter van de TWINS Raad
van de KNAW, inmiddels concluderen dat de Computational Sciences behoren
tot de belangrijkste ontwikkeling in de wetenschap sinds de Tweede
Wereldoorlog. Het is een methodologie die alle wetenschapsgebieden raakt
en breed toepasbaar is. Het is inzetbaar voor zowel fundamenteel
wetenschappelijk onderzoek als in de meest praktische en alledaagse
toepassingen. Het heeft de kijk op, en de processen in, het
wetenschappelijk bedrijf als geheel drastisch verrijkt.

Nederland heeft sinds het “overheidsstandpunt 1984” sterk ingezet op
deze nieuwe ontwikkeling door deze met de nodige apparatuur te
faciliteren. Nu bestaat er een nieuwe mogelijkheid om in Europees
verband de Nederlandse positie een krachtige impuls te geven, door te
kapitaliseren op eerdere investeringen in netwerk-, grid- en
computerinfrastructuur. De bundeling van krachten is in Nederland bekend
onder de term “supernode”, die bestaat uit grootschalige computer-,
data-, netwerk- en visualisatievoorzieningen, en de daarbij behorende
ondersteuning en expertise. Daarin vormt een supercomputer een onmisbaar
element.

Een supercomputer is ontzettend snel in rekenen. Was in 1984 in
Nederland het summum van rekenkracht in staat 100 Mflop/s  (100 miljoen
berekeningen per seconde) te berekenen, in 2009 is dat 60 Tflop/s
(“zestigduizend miljard berekeningen per seconde”), een factor 600
duizend sneller! De huidige maatstaven voor de top liggen echter nog
aanzienlijk hoger. De VS hebben momenteel de snelste supercomputer ter
wereld en houden de eerste plaats op de World ranking list van
supercomputers (Top500) : “Jaguar”, met 1,75 Petaflop/s (17,5 tot de
15e flops/s). Traditioneel staat de VS aan de top, soms afgewisseld door
Japan. Nederland loopt intussen in snel tempo achterstand op en staat
inmiddels op de 93e plaats in de Top500. Europa was tot voor kort
ondervertegenwoordigd aan de top. Deze situatie is inmiddels onderkend
en Europa heeft hierop een antwoord geformuleerd in de vorm van PRACE.
Nederland streeft met zijn deelname aan PRACE na om de Nederlandse
onderzoekers van universiteiten en onderzoekslaboratoria binnen de
industrie toegang te verschaffen tot de meest geavanceerde
supercomputers ter wereld en mede het Europese beleid verder te bepalen.

De grote mondiale uitdagingen, zoals de kennis over het klimaat en het
daaruit volgende veranderende weerbeeld, energie, duurzame materialen,
lage-temperatuur processen, watermanagement en gezondheid zijn
voorbeelden van bijzonder grote, maatschappelijk en economisch
belangrijke opgaven die leiden tot complexe rekenproblemen.
Maatschappelijk worden steeds hogere eisen gesteld aan deze
wetenschapsgebieden om snel en zo nauwkeurig mogelijk antwoorden te
geven die er toe doen. Zo wil men bijvoorbeeld steeds nauwkeuriger
weersvoorspellingen, tot op een gebied van een vierkante kilometer. Dit
vereist dat modellen zo realistisch mogelijk zijn, en dat vergt de meest
geavanceerde ICT-technologieën ter ondersteuning. Supercomputers worden
dan ook bij uitstek gebruikt voor technisch-wetenschappelijk onderzoek.

Rekenen op het scherpst van de snede is een noodzakelijke voorwaarde
voor succesvol excellent onderzoek binnen de computational sciences. De
uitdagingen vertalen zich ondermeer in zogenaamde 'grand challenges'.
Zulke uitdagingen vragen zelfs op moderne supercomputers miljoenen (!)
processoruren rekentijd en nemen de huidige nationale supercomputer soms
enkele maanden volledig in beslag. Toch is dit werk inmiddels
karakteristiek voor het Nederlandse nationale research profiel. Daarom
is de KNAW actief om onder leiding van de Twins Raad de samenhang van
het hele computational Science domein te profileren en het succes ervan
helder en manifest te maken. Computational Science is bij uitstek
geschikt om inzicht in en greep te krijgen op het toekomstige, het
ongrijpbaar kleine of juist heel grote of op zaken die anders
ontoegankelijk zouden zijn. 

Het gebruik van supercomputers neemt wereldwijd nog steeds toe. Dit komt
omdat door toenemende rekenkracht de oplossing van nieuwe vraagstukken
binnen bereik komt, maar evenzeer doordat de vraag naar high-end
voorzieningen verder wordt opgestuwd door een bredere bekendheid ermee.
Ook in het bedrijfsleven bestaat belangstelling voor, en wordt gebruik
gemaakt van, supercomputers. Het in Amsterdam georganiseerde PRACE
Industry Seminar heeft deze belangstelling duidelijk aangetoond.
Bedrijven als Shell en Philips gaven te kennen dat de aanwezigheid van
een Supernode een rol speelt bij het kiezen van de locatie om R&D
activiteiten te ontplooien. Het belang van het simuleren van
testsituaties (die onmogelijk, te gevaarlijk of te kostbaar zijn om te
produceren in laboratoria) en het analyseren van data met behulp van
computermodellen, beperkt zich dan ook niet tot de kennisinstellingen of
grote industriële bedrijven, maar betreft ook het midden- en
kleinbedrijf en de grote technologische instituten.

Een uitgebreide European Science Case vormde de basis voor de conclusies
van ESFRI om de voorstellen voor de inrichting van een Europese
“Tier-0” infrastructuur van supercomputers van wereldniveau te
steunen, en als direct uitvoeringswaardig te classificeren.

2.	High performance computing, een korte geschiedenis

Nederland heeft een lange historie op het gebied van grootschalig en
supersnel rekenen. Al lang voordat de eerste echte supercomputer
Nederlandse bodem bereikte liep Nederland in de jaren vijftig voorop als
ontwerper van toenmalige grote computers. Pioniergroepen in de jaren
zestig en zeventig ontwikkelden nieuwe manieren voor het gebruik van
computers en droegen bij aan het conceptualiseren van een geheel nieuwe
lijn in het wetenschappelijk onderzoek waarvan we vandaag de vruchten
plukken.

In 1970 ontstond er in Nederland een eerste begin van nationaal beleid,
gericht op de toenmalige universitaire mainframes. Aan het eind van deze
periode werd duidelijk dat een nieuwe generatie computersystemen, de
vectorcomputers, ongekende versnellingen zouden opleveren. Deze
systemen, die door deze sprong in prestaties “supercomputers” werden
genoemd, gaven de Nederlandse overheid aanleiding te betekenis ervan
voor het onderzoek en de economie te laten onderzoeken. In 1984
verscheen daarop het “Overheidsstandpunt Supercomputers”. Dit gaf de
aanzet tot nationale beleidsvorming, via de installatie van de Werkgroep
Gebruik Supercomputers (1985) en resulteerde later, met steun van SURF,
NWO en de VSNU tot de oprichting van de Stichting Nationale
Computerfaciliteiten –NCF- onder NWO. 

In de afgelopen 25 jaar werden verschillende supercomputers in Nederland
in gebruik gesteld. Op den duur met een regelmaat van één per zes
jaar, met een significante upgrade halverwege. Over de resultaten van
deze inspanningen is sindsdien jaarlijks gerapporteerd. Het gebruik per
onderzoeker en het aantal onderzoekers die op de supercomputer rekenen
is in die periode enorm gegroeid. Van enkele duizenden uren per jaar in
de periode tot 1990 tot miljoenen uren jaarlijks tegenwoordig. In 2007
werd de nieuwste nationale supercomputer, genaamd Huygens, aangeschaft.

In 2004 heeft Nederland het onderwerp Supercomputers op de Europese
agenda gezet, in het kader van de ontwikkeling van een Europese
strategie voor ICT-infrastructuren voor het technisch en
wetenschappelijk onderzoek. Na dit initiatief is er Europees breed het
inzicht ontstaan dat Europa een in de wereld onafhankelijke rol moet
kunnen spelen op het gebied van modelleren, in het bijzonder met het oog
op de grote mondiale uitdagingen. En Nederland heeft aan die verdere
ontwikkeling op vele vlakken meegedaan. Inmiddels is dit uitgemond in
een breed gedragen initiatief tot versterking van de Europese HPC
infrastructuur onder de PRACE organisatie, waarin ons land dan ook sterk
deelneemt.

3.	Het gebruik van supercomputers in de wetenschap 

Supercomputers maken deel uit van de “ICT-infrastructuur”, de
voorwaardenscheppende infrastructuur voor alle wetenschapsgebieden die
van ICT gebruikmaken om in de mondiale wetenschappelijke competitie te
excelleren. Supercomputers vormen daarbinnen de top van de
computerpiramide. Ze worden vooral gebruikt voor simulaties.

Simulaties spelen in het wetenschappelijk proces twee rollen. Op de
eerste plaats om waarnemingen of de uitkomsten van experimenten te
toetsen aan de gangbare theorie, en zo duiding te geven aan die
resultaten (“wat heb ik gemeten”). Op de tweede plaats om de theorie
te gebruiken om voor praktische situaties (de toepassingen) antwoorden
te genereren (voorspellen). 

In grote lijnen wordt de ICT-infrastructuur voor research opgebouwd uit
de volgende componenten: een hoogwaardig en veelzijdig netwerk (SURFnet
in Nederland), supercomputers, de koppeling van alle systemen in één
netwerk (Grids genoemd), data-opslag,  datadiensten en visualisatie.
Zo’n ICT-infrastructuur vormt een essentiële voorwaarde voor
geavanceerd onderzoek op een groot aantal verschillende gebieden, zoals
ook aangegeven in het ICTRegie rapport ”ICT-infrastructuur voor het
wetenschappelijk onderzoek in Nederland”. Computational science, in
eerste instantie vooral gedreven vanuit toepassingen en vanuit
rekenmodellen, houdt zich vooral bezig met de methodologie van het
modelleren. De term e-Science is geïntroduceerd in het begin van de 21e
eeuw, en wordt gedefinieerd als wetenschap die in toenemende mate wordt
mogelijk gemaakt door het internet, die gebruik maakt van zeer grote
dataverzamelingen, tera-schaal rekencapaciteit of high-performance
visualisaties. Computational science en e-science hebben belangrijke
samenvallende kenmerken, zoals de optimalisatie van en de efficiency bij
de inzet van de e-infrastructuur. De nadruk bij e-science ligt daarbij
op het gebruik van de infrastructuur voor samenwerking en de inzet van
decentrale systemen, terwijl de nadruk bij computational science ligt op
het ontwikkelen van optimale applicaties in de toepassingsdomeinen. Het
ligt daarom voor de hand dat de inrichting van een supernode en de
oprichting van een e-Science Research Center elkaar belangrijk zullen
versterken. 

 

Recent hebben een ruim veertig hoogleraren hun huidige en toekomstige
onderzoek met supercomputers beschreven. Een verkort overzicht van de
domeinen waarin supercomputers onmisbaar zijn omvat de volgende
disciplines en toepassingen.

 

• Weer, klimaat en milieu: nauwkeurige hoge-resolutiemodelleringen van
lange termijn voorspellingen voor klimaatverandering,
luchtverontreiniging en extreme weersituaties

• Watermanagement: waterstroombeheer in extreme situaties en adviezen
bij calamiteiten

• Nanotechnologie: voorspelling van eigenschappen van samengestelde

nanosystemen om te komen tot innovatieve oplossingen voor
energieproblemen, moleculaire elektronica en biomoleculaire materialen

• Levenswetenschappen, biotechnologie: nauwkeurige dynamische
moleculaire simulatie van eiwitten, interacties van medicijnen,
modellering van complete cellen

• Medische wetenschappen: simulatie van ontwikkeling botstructuren
onder stress, van bloedstromen en hartfunctie, van computational
neurology (hersenonderzoek)

• Energieonderzoek: begrijpen van hoge-energieplasma's, kernfusie,
zonne-energie; modellering van verbrandingsprocessen voor efficiënte en
schone energie

• Astrofysica: studie van de evolutie van sterrenstelsels, van
energieomzettingen onder extreme omstandigheden, ontstaan van het heelal

• Chemie en materiaalkunde: katalyse voor chemische processen bij
lage(re) temperaturen (wassen bij lage temperatuur, olie kraken bij lage
temperatuur, efficiëntere chemische omzettingen), berekening en
verklaring chemische eigenschappen van materialen en hun duurzaamheid,
moleculaire dynamica.

• Computerlinguïstiek/taal- en spraaktechnologie: vertalen en
uitspreken van tekst, het detecteren van fouten in tekst, het
beantwoorden van vragen en het voeren van dialogen.

Nederland heeft een naam opgebouwd in veel van deze disciplines, met
topdeskundigen van wereldniveau, die hun succes mede te danken hebben
aan het gevoerde nationale ICT-infrastructuur beleid (waarin de
supercomputer een essentiële rol speelt).

4.	Supercomputing in industriële en maatschappelijke sectoren 

Het onderzoek dat met supercomputers wordt verricht, vormt ook een
belangrijke voedingsbodem voor de ontwikkeling van industriële,
technologische en maatschappelijke toepassingen. Het gebruik van
Supercomputers (High Performance Computing) is van nut in uiteenlopende
industriële sectoren: de farmaceutische industrie, de automotive
industrie, gaming en artificial intelligence, in brede sectoren als de
chemie, bulk- en fijnchemie, in de halfgeleiderindustrie en in het bank-
en verzekeringswezen. Daarnaast zijn er zwaarwegende maatschappelijke
aspecten, zoals het verantwoordelijk omgaan met energiebronnen en het
waarborgen van veiligheid als gevolg van klimaatveranderingen.

Chemische sector

De chemie is een grootverbruiker van supercomputers. Bijvoorbeeld in de
polymeren industrie. Dit is een enorme markt met grote toegevoegde
waarde. Specifieke producteisen vragen gedetailleerd onderzoek. Daarom
wordt het onderzoek naar nieuwe varianten gedaan met behulp van
computersimulaties en modellering. Meer computer(reken)kracht betekent
onmiddellijk meer (en vooral) sneller inzicht in mogelijke combinaties.
Vooral het aspect van snelheid is belangrijk. Hoe sneller nieuwe
combinaties kunnen worden doorgerekend, des te meer mogelijke
combinaties vergeleken kunnen worden. Het heeft geen zin een analyse te
doen van 1 miljoen verschillende combinaties van stoffen als het
antwoord op een enkele combinatie al een week op zich laat wachten.
Indien het antwoord echter binnen enige uren bekend is, kan men nog
diezelfde werkdag de resultaten verwerken en gebruiken om de analyse bij
te stellen. 

Ook het doorrekenen van zogenaamde opschalingproblemen van de
laboratoriumomgeving naar industriële productie (wat gebeurt er als je
een stof in grote hoeveelheden gaat produceren) kan uitstekend met
computermodellen worden opgelost. In de chemie wordt dan ook veel
gebruik gemaakt van supercomputers en is men grootverbruiker van
computermodellering. De toenemende nadruk op “green chemistry”
(milieubewust en duurzaam produceren) betekent een belangrijke stimulans
voor deze ontwikkeling. De grote uitdaging daarbij is om afval terug te
dringen (‘zero waste’), te werken met wateroplosbare stoffen en
katalytische reacties te verbeteren. 

De farmaceutische industrie

In het stukje over de chemische sector hebben we over hoeveelheden door
te rekenen combinaties gesproken. In de farmaceutische industrie geldt
deze uitdaging nog veel sterker. Het ontwikkelen van medicijnen “in
silico” richt zich vooral op het doorrekenen van het effect van
medicijnen op het functioneren van enzymen en eiwitten in het menselijk
lichaam. Het bepalen van de juiste stoffen in medicijnen heeft uiteraard
een groot gezondheidsbelang, maar voor de farmaceutische industrie ook
een economisch belang. Het op de markt brengen van medicijnen is een
kostbaar en langdurig proces. Elke keuze die tijdens dat proces gemaakt
moet worden, dient juist te zijn. Het beschikbaar hebben van grote
rekenfaciliteiten is daarbij cruciaal.

De halfgeleiderindustrie 

Dit is een zeer snel groeiende, zeer innovatieve en hoogwaardige sector.
Binnen de sector is het gebruik van supercomputers essentieel voor het
ontwikkelen van de volgende generatie chips. Voor de toekomstige
generatie computerchips zijn nieuwe materialen nodig die worden
ontwikkeld met de huidige supercomputers. Er is nog tamelijk veel
onderzoek nodig om de vragen op te lossen die worden opgeroepen door de
alsmaar verdere miniaturisering van de chips. Vragen op het gebied van
lichtpaden, energieverbruik en dataopslag. De eigenschappen en werking
van nieuwe (alternatieve) materialen voor de halfgeleiderindustrie
worden getest met behulp van complexe computermodellen. Met name het
analyseren van materiaaleigenschappen op het moleculaire niveau (het
zogenaamde “moleculair modelling”) neemt een hoge vlucht. 

Maar ook voor het oplossen van vraagstukken op aanpalende gebieden is
supercomputing van belang. Bijvoorbeeld voor het toekennen van
“watermerken” aan nieuwe chips waarmee inbreuken op patenten kunnen
worden tegengegaan. 

Of bij het oplossen van allerlei wiskundige problemen die samenhangen
met het analyseren van zeer grote databestanden (bijvoorbeeld uit de
deeltjesfysica en de astronomie). Of bij de cryptografie voor de
versleuteling van dataverkeer. 

Maatschappelijke belangen

Vaak wordt wetenschappelijk onderzoek gekenschetst als fundamenteel of
maatschappelijk relevant. Maatschappelijk relevant zijn die
wetenschappelijke resultaten die reeds snel bruikbaar zijn in de
maatschappij. Te denken valt bijvoorbeeld aan het ontwikkelen van
wasmiddelen die werkzaam zijn bij lage temperaturen. Katalyse,
modellering en grootschalige rekenfaciliteiten zijn bij de ontwikkeling
van dergelijke producten onmisbaar. Gebruik van dergelijke wasmiddelen
heeft minder energieverbruik tot gevolg, wat duidelijk een
maatschappelijk belang dient. Een ander voorbeeld is de bescherming
tegen weers- en klimaatinvloeden: hoe hoog gaan we in Nederland dijken
maken, wat dient er te gebeuren met de kustverdediging, en hoe kunnen we
verantwoorde beslissingen nemen in het geval van hoog water? Grote
beschikbare rekenfaciliteiten zijn bij dit laatste onmisbaar.

Het is onder meer om deze reden van veiligheid dat binnen de wereld van
de technologische instituten van Nederland al langer belangstelling
bestaat voor het gebruik van supercomputers. Er is nu een
modellencentrum in oprichting, waarbij het KNMI met ondermeer het RIVM,
Deltares, Alterra, TNO en PBL kennis en krachten bundelen, om een stap
voorwaarts te zetten in het koppelen en/of integreren van modellen uit
verschillende disciplines t.b.v. een integrale vraagstelling en als
Nederland een vooraanstaande positie te behouden. Men verwacht de
business case voor dit modellencentrum rond de jaarwisseling te kunnen
opleveren. Betrokken partijen zien raakvlakken met het nog op te richten
e-Science Research Center en aansluiting wordt dan ook aanbevolen. NWO
en SURF nemen binnenkort een besluit over de vormgeving van het
e-Science Research Center. Het KNMI ziet groot belang bij het in
Nederland hebben van een supercomputer om modellen snel en op de
maatschappelijk gewenste schaal te testen. Het KNMI onderschrijft het
belang van het huisvesten van een Supernode in Nederland.

5.	Het belang van supercomputing voor de kenniseconomie

Nederland is een kenniseconomie bij uitstek. Ons land kan zich gelukkig
prijzen met een wijdvertakt netwerk van kennis- en onderzoeksinstituten.
Hun wetenschappelijke output is van hoog niveau en bekend bij vakgenoten
en vindt zijn weg naar toepassingen in de technologie, industrie,
onderwijs en economie. Om dit top-niveau te onderhouden en verder op te
stuwen is een hoogwaardige infrastructuur voor High Performance
Computing een absolute voorwaarde.

Men kan drie lijnen onderscheiden binnen het Computational Science
domein: softwareontwikkeling, applicatieontwikkeling en toepassingen in
de disciplines en het bedrijfsleven. Nederland draagt momenteel sterk
bij aan al deze drie lijnen.

Softwareontwikkeling vindt vooral plaats waar de nieuwe systemen zich
bevinden. Alleen daar is de interactie met leveranciers en met andere
softwareontwikkelaars die zich in de nabijheid daarvan willen vestigen
sterk genoeg om daaraan met succes te kunnen bijdragen. Het betreft dan
compilers, bibliotheken, nieuwe technieken voor parallel rekenen en het
gebruik van multi-core processoren. Nederland doet als principal partner
in PRACE ook mee aan de ontwikkeling van de software voor de
supercomputers van de toekomst. Die supercomputers zullen duizend maal
sneller zijn dan de snelste ter wereld nu en dat brengt uitdagende
vraagstukken met zich mee. Nieuwe software moet kunnen omgaan met
systemen met zeer veel processoren op één chip en tienduizenden van
dergelijke chips in één systeem. Niet alleen de supercomputerindustrie
profiteert van deze ontwikkeling, maar ook de consument, door grote
vooruitgang op bijvoorbeeld het gebied van mobiele telefonie en
computertechnologie voor de particuliere markt. Als land met een grote
software export raakt deze ontwikkeling ons in de kern van dit
kennisgebied. Het principal partnership in PRACE levert enorme kansen om
de vruchten te plukken van deze nieuwe ontwikkelingen. De echte
grootschalige softwareontwikkelingen zullen vrijwel zeker geconcentreerd
worden rond de toekomstige Supernodes in Europa.

Geavanceerd wetenschappelijk onderzoek bevordert niet alleen de
technologische ontwikkeling, de economie en het concurrentievermogen van
Nederland, maar ook het onderwijs en de algemeen maatschappelijke
kennis. Economische en demografische onderzoeken in Europa en de
Verenigde Staten tonen aan dat de hightech-sector een cruciale rol
vervult in de nationale economische voorspoed en een positieve invloed
heeft op het aantal hoog opgeleide inwoners. Het aantal patenten
verleend in Korea, India en China zal aan het einde van het decennium
groter zijn dan in Europa en Japan. De hightech-export vanuit Europa is
afgenomen van 43% in 1980 tot 34% in 2001, terwijl die van de opkomende
economieën in dezelfde periode steeg van 7% tot 25%. De hightech-sector
droeg in de VS tot 2001 bij aan de verbetering van de betalingsbalans
van de Amerikaanse economie, maar sinds 2001 is de waarde van de
hightech-import in de VS groter dan de hightech-export. In een recente
studie van de Europese Commissie, kwam ook naar voren dat in 2025 de R&D
voorsprong van Europa en de Verenigde Staten verplaatst zal zijn naar
Azië, met China en India verantwoordelijk voor 20% van ‘s werelds
R&D. Dit soort voorspellingen zijn verontrustend voor de ambities van
Europa en vragen om een sterke aanpak op het niveau van
ICT-infrastructuren (supercomputers, grids en netwerken) om die trend te
keren. 

Om uitdagend en innovatief wetenschappelijk onderzoek te kunnen
verrichten, en daarmee onze concurrentiepositie te versterken, is op
bijna elk terrein de inzet van computational science vereist. Dat vergt
significante investeringen in de beschikbaarstelling van een Petascale
HPC-infrastructuur, de ontwikkeling van bijbehorende software en
algoritmes, de opleiding van informatici en de noodzakelijke
aanpassingen aan de universiteitscurricula om de laatste technologische
ontwikkelingen te bevorderen. 

Om te zorgen dat de infrastructuur in de pas blijft met de
ontwikkelingen van de technologie en de eisen van de onderzoekers, zijn
bovendien regelmatige upgrades van hardware en software nodig.
Topfaciliteiten in Nederland op Petascaleniveau zijn noodzakelijk om een
boeiend klimaat van wetenschappelijke research en innovatie te creëren,
voor samenwerking bij productontwikkeling en voor het opleiden van
toekomstige generaties specialisten in computational science.
Samenwerking en partnerschap met andere Europese en internationale
organisaties is hierbij belangrijk om schaalgrootte te bewerkstelligen
en om nieuwe kansen voor onderzoek en economische groei te benutten. Zo
kan Nederland ook in de toekomst een centrum blijven van hoogwaardig,
actueel en maatschappelijk relevant onderzoek.

6.	Het nationale belang in Europees perspectief

Infrastructuren en in het bijzonder e-infrastructuren zijn niet langer
aan nationale grenzen gebonden. Het Zesde Kaderprogramma heeft een
sterke aanzet gegeven tot de vorming van pan-Europese
ICT-infrastructuren. Onder het Nederlandse voorzitterschap is de e-IRG
roadmap voor de Europese e-infrastructuur ontwikkeld en heeft Nederland
ook voorzieningen voor High Performance Computing op de politieke agenda
gezet (aangemeld bij ESFRI). In het Zevende Kaderprogramma heeft de
Europese Commissie haar ambities aangescherpt voor een Europese
supercomputerinfrastructuur. Kort daarna heeft ESFRI de plannen voor een
dergelijke zogenaamde Tier-0 infrastructuur voor supercomputers als rijp
voor implementatie geclassificeerd. Deze Tier-0 HPC-infrastructuur is
van wetenschappelijk, economisch en strategisch belang, voor de
wetenschappelijke en economische concurrentiepositie van Europa en voor
de Europese onafhankelijkheid om een oordeel te vormen over de grote
mondiale problemen en hun oplossingsrichtingen.

PRACE

In het voorjaar van 2007 is een samenwerkingsverband getekend tussen 14
Europese landen, waaronder Nederland, onder de naam “Partnership for
Advanced Computing in Europe” (PRACE). Doel van dit
samenwerkingsverband is de realisatie van een Sustainable Pan-European
infrastructure for Advanced Computing. Inmiddels is het
samenwerkingsverband gegroeid tot twintig landen en bestaat er
belangstelling bij nog meer landen voor deelname. 

Het Partnership kent een categorie Principal Partners en een categorie
General Partners. Principal Partners onderscheiden zich van de General
Partners daarin, dat de Principal Partners hebben toegezegd één van de
toekomstige Europese Supercomputers van wereldklasse te zullen
aanschaffen en ter beschikking te stellen aan de Europese
onderzoeksgemeenschap. Met instemming van de ministeries OCW en EZ, en
gehoord het advies van ICTRegie, heeft Nederland zich, vertegenwoordigd
door de Stichting Nationale Computerfaciliteiten van NWO, in november
2008 als Principal Partner gepositioneerd. Deze positionering past
binnen het profiel, dat Nederland in Europa en de rest van de wereld
heeft, als land waarin computational research intensief wordt verricht,
en dat altijd al de krachtigste voorzieningen heeft gehad. 

Inmiddels heeft de Europese Commissie de voortgang rond PRACE beoordeeld
en geconcludeerd dat PRACE de vereiste voortgang heeft geboekt voor de
implementatiefase. Tot nu toe heeft Nederland het maximale uit het PRACE
project gehaald en in een competitie financiering voor twee prototype
systemen in de wacht gesleept. Hiermee wordt het beeld bevestigd dat
Nederland klaar is om in de toekomst als “hosting country” met
succes dit soort competities aan te gaan.

Leidende Europese bedrijven willen bijdragen aan PRACE en hebben samen
met kennisinstellingen en universiteiten één consortium opgericht
teneinde de samenwerking met PRACE vorm te geven. Het uiteindelijke doel
van alle betrokkenen is om te komen tot een technologische basis voor
supercomputing in Europa. Zonder een dergelijke basis zal Europa
afhankelijk blijven van de Amerikaanse en Japanse kennis op het gebied
van supercomputers. Op de langere termijn betekent dit dat de Europese
kennisinstellingen en industrie niet kunnen concurreren op topniveau. 

Europese ICT-superknooppunten (Supernodes)

In de toekomst blijven er in Europa naar verwachting een beperkt aantal
ICT- superknooppunten over. De principal partners in PRACE zijn in een
uitstekende positie om deze knooppunten te vormen. Nederland is met zijn
uitstekende ICT-infrastructuur bij uitstek in een positie om bij te
dragen aan deze Europese initiatieven en te profiteren van de extra
mogelijkheden die dit biedt, waaronder ondersteunende middelen uit
Brussel en versterking van de Nederlandse positie op langere termijn. In
de ICT-agenda 2008-2011 wordt een integrale beschouwing gegeven van de
Nederlandse ICT-infrastructuur. In de voortgangsrapportage op de
ICT-agenda is aangekondigd dat het kabinet zal komen met een reactie op
het ICTRegie rapport over de ICT-Infrastructuur van december 2008. Deze
reactie ligt er inmiddels en daarin heeft het kabinet de voorgestelde
bundeling (van de ICT-infrastructuur) gesteund en opgenomen dat bekeken
zal worden wat de economische effecten zijn van het plaatsen van een
supernode in Amsterdam. Dat rapport is inmiddels af en de conclusies
hebben we beschreven.

Aansluiting houden bij de ontwikkelingen

Voor de Nederlandse wetenschappelijke gemeenschap, maar ook voor het
hightech bedrijfsleven, is het essentieel dat Nederland aansluiting
houdt bij deze ontwikkelingen. De investeringen in de Nationale
Computerfaciliteit bij SARA maar ook de investeringen in een van de
beste onderzoeksdatanetwerken van de wereld (SURFnet) zouden anders
teniet worden gedaan. Juist de combinatie van de Nederlandse expertise
op het gebied van supercomputers én Gridnetwerken heeft veel
dataverkeer en aanverwante bedrijven naar de Amsterdamse regio
getrokken. Maar ook wetenschappelijk heeft het een aanzuigende werking,
bijvoorbeeld op klimaat- en medisch onderzoek. Dankzij de deelname aan
PRACE op het hoogste niveau is Nederland nu als Europese partner ook
uitgenodigd om samen met de VS en Azië te gaan werken aan de
ontwikkeling –vooral op softwaregebied- van de nieuwste generatie
supercomputers die over ruim tien jaar het licht moet gaan zien. Het
gebruik van deze zogenaamde Exascale computers (1000 maal zo snel als de
snelste vandaag ter wereld) vragen om enorme inspanningen op software en
applicatiegebied, die uiteindelijk alle toepassingsdomeinen zal gaan
treffen. Maar deze inspanningen zullen ook alle thans bekende systemen
ten goede komen: van mobiele telefoon, tot laptop tot supercomputer. Dit
is dan ook het moment om te kiezen voor een sterke Nederlandse positie
in deze mondiale ontwikkelingen. 

Een supernode is daarom niet alleen van grote betekenis voor wetenschap
en innovatie, maar ook voor het bedrijfsleven en de positie van
Nederland als kennis- en ontwikkelingscentrum.

 Zie de Economische Effecten Analyse (EEA) van Ecorys.

 Zie ook de ICT-Agenda 2008-2011.

 11 mei 2009: kabinetsreactie op het advies van ICTRegie over de
ICT-onderzoeksinfrastructuur voor het wetenschappelijk onderzoek in
Nederland.

 E-science: de koppeling tussen computertechnologie, moderne
communicatiemiddelen en wetenschap. Computational science: het
ontwikkelen van optimale applicaties in toepassingsdomeinen.

 Zie de EEA van Ecorys, figuur 3.1 pag. 15, tabel 3.2 p. 17, tabel 3.3
p. 19.

 Knooppunt in het Europese supercomputernetwerk.

 Zie de EEA van Ecorys, tabel 3.5 p. 21.

 De Raad voor de Technische Wetenschappen, Wiskunde, Informatica,
Natuur- en Sterrenkunde en Scheikunde (TWINS) is in 2008 ontstaan door
samenvoeging van de Akademie Commissie voor de Chemie (ACC), de Akademie
Raad voor de Wiskunde (ARW), de Commissie voor Biochemie en Biofysica
(CBB), de Raad voor Natuur- en Sterrenkunde (RNS) en de Raad voor
Technische Wetenschappen (RTW).

 Flop/s staat voor floating point operations per second, dus het aantal
berekeningen op drijvende-komma-getallen per seconde. Meestal gebruikt
met voorvoegsels als M, G, T, P of E, voor Mega, Giga, Tera, Peta of
Exa.

 25 jaar grootschalig wetenschappelijk rekenen in Nederland, NWO,
december 2009.

 Zie de World ranking list van november 2009: http://www.top500.org.

 Http://www.top500.org/country/143.

 http://www.prace-project.eu/documents/press-releases-pdfs/D321_press_re
lease_FINAL.pdf

 Tier-0 systeem: een supercomputer met Petascale performance (1
Pflop/s).

 Zie voetnoot 2. Voorbeelden van grote computers uit die tijd: de ARRA,
PTERA, ZERO14 en de ZEBRA.

 Zie de ICTRegie adviezen over de integrale ICT-infrastructuur en de
concrete invulling van een op te richten e-SRC.

 Zie “Het belang van High Performance Computing voor Nederland”,
december 2008, SARA/NCF.

 In de ICT-Agenda 2008-2011 en de Lissabon-Agenda van maart 2000 wordt
het belang van ICT voor de kenniseconomie en informatiesamenleving
benadrukt.

 Bij het 1ste PRACE Industry Seminar in Amsterdam en het tweede in
Toulouse waren al deze industriële partijen vertegenwoordigd.

 Zie EEA Ecorys, p. 24 t/m 28.

 Een compiler is een computerprogramma dat programmeercode vertaalt in
machinecode.

 ICT-Agenda 2008-2011.

 In 2004 stond Nederland met een exportwaarde van $1,7 miljard aan
software op de vierde plaats op de wereldranglijst. 

 Zie de ICT-Agenda 2008-2011, de EEA van Ecorys, p. 30, de Draft Council
Conclusions on the future of ICT Research, Innovation and
Infrastructures van de EC van 2 oktober 2009, p. 3 en 4, Masterplan ICT,
mei 2009, IPN, p. 11 t/m 15. 

 Zie ICT 2030.nl, mei 2009, p. 16 t/m 18.

 Zie de EEA van Ecorys, p. 31.

 In de ICT-Agenda 2008-2011 wordt het belang onderkend van een sterke
ICT-infrastructuur voor het behouden van kennis en het stimuleren van
innovatie. 

 Tier-0 systeem: een supercomputer met Petascale performance (1
Pflop/s).

 De kosten voor de prototype systemen bedragen €750.000. De helft
wordt betaald vanuit het PRACE project, de andere helft wordt betaald
door NCF. Het eerste prototype systeem is een uitbreiding van Huygens om
future software te testen in een pseudo-productie omgeving. Het tweede
prototype systeem is een systeem dat accelerators test, met echte
applicaties van Nederlandse gebruikers van Huygens. 

 December 2008, ICTRegie: ‘towards a competitive ICT infrastructure
for scientific research in the Netherlands”

 11 mei 2009: kabinetsreactie op het advies van ICTRegie over de
ICT-onderzoeksinfrastructuur voor het wetenschappelijk onderzoek in
Nederland

 PAGE    

 PAGE   14