L’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, attraverso la sezione di Pisa, coordinerà ChEESE-Factory, il nuovo progetto europeo dedicato allo sviluppo di software scientifico, supercalcolo e intelligenza artificiale applicati allo studio della Terra solida e dei rischi naturali. L’iniziativa prosegue il percorso avviato con ChEESE e ChEESE-2P, programmi europei nati per preparare codici di simulazione capaci di funzionare sulle infrastrutture di calcolo più potenti disponibili in Europa, comprese le architetture exascale e post-exascale.
Il progetto è finanziato nell’ambito dell’iniziativa EuroHPC per i Centri di Eccellenza ad alte prestazioni, un programma competitivo che sostiene un numero limitato di comunità scientifiche in grado di sviluppare applicazioni scalabili, interoperabili e utilizzabili sulle grandi infrastrutture europee di calcolo. La coordinazione affidata a INGV colloca l’Italia in una posizione centrale nello sviluppo dei futuri strumenti digitali destinati alla modellazione geofisica, alla valutazione dei pericoli naturali e al supporto delle decisioni in contesti di emergenza.
ChEESE-Factory si concentra sui cosiddetti flagship codes, cioè software di riferimento sviluppati dalla comunità scientifica per simulare terremoti, eruzioni vulcaniche, tsunami, processi geodinamici e altri fenomeni complessi della Terra solida. Non si tratta di semplici programmi di calcolo, ma di modelli numerici in grado di ricostruire l’evoluzione di sistemi fisici caratterizzati da molte variabili, materiali diversi, scale temporali differenti e forti interazioni tra processi geologici, geofisici e ambientali.
Nel caso di un terremoto, per esempio, un modello può simulare la propagazione delle onde sismiche nel sottosuolo, valutando come la struttura geologica locale possa amplificare o attenuare il movimento del terreno. Per un’eruzione vulcanica, il calcolo può includere dinamica dei fluidi, dispersione di ceneri, traiettorie dei flussi piroclastici, interazione tra magma e atmosfera e possibili conseguenze sulle aree circostanti. Per gli tsunami, i sistemi devono combinare la sorgente sismica o vulcanica con la propagazione dell’onda marina e con l’impatto previsto lungo le coste.
L’elemento centrale è la capacità di eseguire queste simulazioni in tempi compatibili con le esigenze operative. La ricerca geofisica non richiede solo modelli accurati, ma anche sistemi capaci di produrre scenari rapidamente quando si verifica un evento reale. Per questo ChEESE-Factory includerà servizi di urgent computing, cioè modalità di accesso prioritario a risorse di supercalcolo per eseguire simulazioni ad alta intensità subito dopo terremoti, crisi vulcaniche o altri eventi geologici rilevanti. L’obiettivo è ridurre il tempo tra la raccolta dei dati e la produzione di informazioni utili per monitoraggio, protezione civile e valutazione del rischio.
L’intelligenza artificiale verrà integrata insieme alla simulazione numerica tradizionale, non come sostituto dei modelli fisici. Il progetto punta a utilizzare machine learning scientifico, analisi avanzata dei dati e procedure AI per accelerare alcuni calcoli, individuare schemi nei grandi volumi di dati geofisici, migliorare le previsioni probabilistiche e rendere più efficiente l’esplorazione di scenari complessi. In pratica, l’AI può aiutare a selezionare configurazioni rilevanti, stimare più velocemente parametri difficili da calcolare o analizzare risultati prodotti da migliaia di simulazioni, mentre il supercalcolo continua a fornire la base fisica e numerica delle elaborazioni.
Uno dei risultati attesi riguarda lo sviluppo di sistemi di previsione probabilistica più avanzati. Nei rischi naturali non è possibile indicare con certezza assoluta quando avverrà un terremoto o quale sarà l’evoluzione esatta di un’eruzione. È però possibile costruire scenari, stimare intervalli di probabilità, valutare l’incertezza dei dati e confrontare differenti evoluzioni possibili del fenomeno. Il supercalcolo permette di eseguire molte simulazioni variando parametri e condizioni iniziali; l’AI può contribuire a gestire questa complessità, individuando correlazioni e rendendo più rapido l’uso operativo dei risultati.
ChEESE-Factory lavorerà anche sulla qualità e sulla riusabilità dei dati. Il progetto prevede dataset conformi ai principi FAIR, cioè progettati per essere trovabili, accessibili, interoperabili e riutilizzabili. Questo aspetto è importante perché le simulazioni geofisiche producono quantità enormi di dati, spesso difficili da confrontare o riutilizzare se non sono accompagnati da metadati, formati condivisi e procedure standard. Rendere questi dati più organizzati e interoperabili significa permettere a ricercatori, centri di calcolo e istituzioni pubbliche di utilizzare gli stessi risultati in modo più efficace.
La struttura del progetto include 18 organizzazioni partner in otto Paesi europei, con 29 istituzioni di ricerca e oltre 40 gruppi specialistici. Oltre a INGV partecipano CINECA, che ospita il supercomputer europeo Leonardo, e Intecs Solutions, impresa italiana specializzata in software e sistemi ad alta affidabilità. Questa composizione mostra che il progetto non riguarda soltanto la ricerca accademica, ma la costruzione di una filiera che unisce geoscienze, sviluppo software, infrastrutture HPC, industria e servizi per la gestione del rischio.
Un’altra priorità sarà l’efficienza energetica. Le simulazioni su supercomputer richiedono grandi quantità di energia e l’ottimizzazione del software non serve soltanto a ridurre i tempi di calcolo, ma anche a contenere il costo energetico dell’elaborazione. I codici verranno quindi progettati per sfruttare in modo più efficace processori, GPU e architetture eterogenee, evitando sprechi di memoria, comunicazioni inutili tra nodi di calcolo e ripetizioni non necessarie nelle simulazioni.
Il progetto prevede inoltre servizi per la comunità scientifica, flussi di lavoro HPC e AI, attività formative e una scuola estiva permanente destinata a ricercatori, sviluppatori e utenti specializzati. Il punto non è solo produrre software avanzato, ma renderlo robusto, documentato, accessibile e utilizzabile anche da chi deve applicarlo in contesti reali di monitoraggio, analisi e gestione delle emergenze.
ChEESE-Factory consolida quindi una trasformazione importante nelle scienze della Terra: i modelli geofisici non vengono più sviluppati esclusivamente come strumenti di ricerca, ma come infrastrutture digitali europee capaci di combinare simulazione fisica, intelligenza artificiale, dati condivisi e supercalcolo per affrontare terremoti, vulcani, tsunami e processi geodinamici con maggiore velocità, precisione e capacità di valutare l’incertezza. Le precedenti fasi ChEESE avevano già lavorato sull’ottimizzazione di codici per sismologia, vulcanologia, tsunami, geodinamica e rischi glaciali; la nuova iniziativa punta a trasformare questo patrimonio in servizi più maturi e direttamente utilizzabili anche per la gestione del rischio.