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27 de marzo de 2024
La sucesión de Tupã está en curso
El superordenador Cray XT-6 del Instituto Nacional de Investigación Espacial será sustituido antes de 2026
Si no fuera por el nombre del protagonista, la frase podría estar perfectamente en el titular de una página de negocios. Sin embargo, en lugar de la entidad mitológica tupí-guaraní, estamos hablando del Cray XT-6, el superordenador del Centro de Predicción del Tiempo y Estudios Climáticos (CPTEC), órgano del Instituto Nacional de Investigación Espacial (INPE). Desde 2010, es el responsable de la previsión del tiempo en nuestro país.

Al inicio de sus operaciones, Tupã (como fue bautizado) era una de las supercomputadoras más potentes del mundo. Según el sitio web Top500.org, el equipo ocupaba la 29ª posición en la lista y era el tercero más potente del mundo dedicado a la predicción del tiempo. Su capacidad era tan grande – 205 TFlops – que, según estimación del profesor Plinio Thomaz Aquino Junior, coordinador del curso de Ciencias de la Computación del Centro Universitario FEI, un minuto de su procesamiento sería equivalente a una semana en una buena laptop actual (equipada con procesador i7, memoria de 8 GB y almacenamiento en disco SSD).
Instalado en Cachoeira Paulista, en el interior de São Paulo, casi al lado de la Rodovia Presidente Dutra, Tupã se extiende por un área de 100 m2 y, cuando estaba en plena operación, consumía alrededor de R$ 5 millones anuales en energía eléctrica entre procesamiento y refrigeración.
La importancia de su procesamiento de datos se muestra en la lista de entidades que reciben información generada por él: Ministerio de Minas y Energía, Ministerio de Agricultura, Operador Nacional del Sistema Eléctrico (ONS), Agencia Nacional de Aguas (ANA), Centro Nacional de Desastres Naturales (CENAD), Centro Nacional de Monitoreo y Alertas de Desastres Naturales (CEMADEN), Dirección de Hidrografía y Navegación de la Marina (DHN) y Departamento de Control del Espacio Aéreo de la Aeronáutica (DECEA), además de varios centros estatales de meteorología.
El jeito brasileño
Una de las características más notables de este tipo de máquina es su vida útil bastante corta, estimada entre 4 y 6 años, aún más considerando su costo, cerca de R$ 50 millones en la época (equivalentes a R$ 110 millones actuales). Es decir, era un hecho conocido que necesitaría ser reemplazado a mediados de la década de 2010. El contrato original de mantenimiento con el fabricante era de cinco años, pero fue posible negociar una extensión por dos años más. Al final de este período, en 2017, el INPE propuso la compra de una nueva máquina con capacidad de procesamiento 30 veces mayor que la de Tupã, por US$ 150 millones. La propuesta no fue aprobada.
Sin presupuesto para comprar una nueva supercomputadora (recordando que su sustitución no era un hecho inesperado), entró en escena el famoso “jeitinho brasileiro”. En 2018, por US$ 9,6 millones (poco más de US$ 12 millones actualizados, cerca del 10% del costo actualizado de la supercomputadora), se compró una computadora auxiliar, una Cray CX-50, con capacidad de procesamiento hasta un poco superior a la del Tupã: 303 TFlops. Fue acoplada a la máquina original, permitiendo la división de los trabajos entre los dos equipos.
En esa época, llamó la atención la decisión de desactivar seis de los 14 gabinetes del Tupã. Además de buscar una reducción en el consumo de energía eléctrica, esta medida tenía como finalidad preservar componentes, a fin de que pudieran ser usados como piezas de repuesto en eventuales necesidades de mantenimiento, ya que Cray dejó de suministrarlas al final de la extensión del contrato de mantenimiento. Esto redujo la capacidad de procesamiento de la máquina en casi un 30%.
En un intento de prolongar la vida útil de Tupã por dos años más, hasta 2020, se adquirieron otras dos máquinas Cray CX-50, una en 2019 y la otra al año siguiente. Paralelamente, en un intento de minimizar los impactos del fin de la vida útil de Tupã, se firmó un convenio de cooperación técnica con el Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD).
Por US$ 729 mil (¡menos del 10% del costo de los Crays!), preveía el suministro de un equipo complementario que pudiera realizar algunas de las tareas que aún eran ejecutadas por el superordenador original. Su costo demuestra que fue una solución paliativa. Este equipo llegó a mediados de 2021 y ayudó a reducir un poco el trabajo del sobrecargado Tupã.
La solución – hardware y software
En septiembre de 2023, se anunció la liberación de US$ 200 millones para la compra de una nueva supercomputadora que reemplazará definitivamente a Tupã y sus agregados. Su implementación completa se realizará en cuatro fases: la primera estaba prevista para 2023, y la última, para 2026.
Hay poca o ninguna información en la prensa sobre esta nueva máquina, lo que permite suponer que el proceso de licitación aún no ha finalizado. De todos modos, el INPE ya ha anunciado que inteligencia artificial y machine learning forman parte de la solución, así como un sistema de suministro de energía generada por luz solar, el primero del mundo, según Gilvan Sampaio, coordinador general de Ciencias de la Tierra del INPE. Además, según Sampaio, está previsto que su implementación sea modular, con nuevos módulos con tecnología cada vez más avanzada siendo incorporados a lo largo de diez años, lo que prolongará su vida útil y permitirá la incorporación de nuevas tecnologías aún en desarrollo.
La intención declarada es que esta nueva máquina sea capaz de realizar predicciones meteorológicas cada vez más precisass, llegando a indicar inicios y finales de lluvias en la casa de los minutos.

Para que todo esto suceda, desde 2021 viene siendo desarrollado por científicos brasileños un nuevo modelo de predicción numérica climática. Este modelo fue bautizado como MONAN (model for ocean-land-atmosphere prediction o modelo para predicción de los océanos, superficies terrestres y atmósfera). Viene siendo desarrollado por un comité compuesto por representantes de varias entidades, entre laboratorios, universidades, Fuerzas Armadas y ministerios: Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (INPE), Instituto Nacional de Meteorología (INMET), Instituto Nacional de Investigaciones de la Amazonía (INPA), Laboratorio Nacional de Computación Científica (LNCC), Fundación Cearense de Meteorología y Recursos Hídricos (FUNCEME), Universidad Federal de Campina Grande (UFCG), Universidad Federal de Mato Grosso do Sul (UFMS), Universidad Federal de Pará (UFPA), Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ), Universidad Federal de Río Grande (FURG), Universidad de São Paulo (USP), Centro Gestor y Operacional del Sistema de Protección de la Amazonía (CENSIPAM), Ejército Brasileño (EB), Fuerza Aérea Brasileña (FAB), Marina de Brasil (MB) y Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovaciones (MCTI).
También participan las entidades internacionales Servicio Meteorológico Nacional (SMN), de Argentina, y World Meteorological Organization (WMO). Este grupo de especialistas está dividido en subcomités especializados. Cada subcomité desarrolla un modelo matemático específico, que será incorporado al nuevo sistema. El plan de desarrollo de estos modelos abarca un período de cinco años, prorrogables por cinco años más, con los siguientes temas:
- atmósfera;
- océano y hielo continental y marítimo;
- superficie y suelos continentales;
- meteorología espacial;
- hidrología de superficie y subsuperficial.
El subcomité de Sistema Integrado de Modelado se encargó de pensar en el sistema en su conjunto e imaginar cómo se integrarán sus diferentes partes. A su vez, atentos a la adquisición de datos, al funcionamiento del sistema y a su rendimiento general, existen subcomités de Procesamiento de Alto Rendimiento y Calidad de Código, Asimilación de Datos del Sistema Terrestre, Métodos Avanzados de Asimilación de Datos y Aplicaciones de Inteligencia Artificial y Métodos de Pre y Post-procesamiento de Predicciones de Tiempo y Clima.
De la misma manera que el hardware, los diversos módulos del nuevo modelo se están desarrollando y volviendo funcionales a lo largo del tiempo. El primero en ser implementado es el de atmósfera, que será seguido por el del océano y el hielo continental y marítimo. El módulo de atmósfera permitirá predicciones a corto plazo, de unos días. Con el segundo módulo, que deberá estar operativo en hasta cuatro años, será posible anticipar eventos climáticos en meses.
Un modelo nacional
La importancia del desarrollo de un modelo matemático nacional se hace evidente cuando se consideran unos pocos factores críticos: el tamaño de Brasil, con sus dimensiones continentales, y la variedad y especificidad de su geografía y sus biomas.
Por ejemplo, el cerrado y el Pantanal son biomas típicamente brasileños. El primero presenta una gran variabilidad de coberturas vegetales, que van desde los pastizales hasta algo muy parecido a una selva tropical. En los modelos desarrollados por otros países, se representa uniformemente como una sabana africana. En cuanto al Pantanal, no hay nada parecido en el mundo y, consecuentemente, en ningún modelo climático desarrollado en otros países.
Otro factor típicamente brasileño que influye desfavorablemente en el clima es la deforestación. Altera de manera importante las características geomórficas de las áreas que originalmente tenían cobertura vegetal. Como explica el profesor Paulo Artaxo, del Instituto de Física de la USP, una de las principales consecuencias es la reducción del efecto enfriador natural realizado por los bosques a través de los compuestos orgánicos volátiles biogénicos, que son emitidos naturalmente por los vegetales durante su metabolismo.
Una de las formas más comunes de deforestación en Brasil son las quemas. Además del calor, generan gran cantidad de material particulado (carbono negro) que dificulta los movimientos verticales de las masas de aire (convección), como describe el Profesor Alexandre Correia, también del Instituto de Física de la USP. Este fenómeno perjudica la congelación del agua en las nubes y afecta desfavorablemente la formación de las lluvias. También se generan grandes cantidades de CO2 y metano, además de la alteración en el albedo de superficie (parte de la radiación reflejada de vuelta al espacio).
La necesidad de una supercomputadora
Además de la criticidad de las predicciones en sí, una supercomputadora acelera el desarrollo del propio modelo matemático de predicción del tiempo. Esto se debe a que las simulaciones pueden realizarse más rápidamente, lo que permite una comparación más eficaz con los fenómenos reales y posibilita ajustes y nuevas pruebas más rápidamente.
Después de desarrollado y ajustado, un modelo de predicción del tiempo tan complejo como el que se está desarrollando traerá muchos impactos positivos. La rapidez y la precisión de las predicciones de largo y corto plazos son fundamentales para la agricultura, para la generación de energía eléctrica, para la gestión de los recursos hídricos, para el medio ambiente en sí y para la protección de la población contra eventos extremos, por ejemplo.
En la agricultura, una buena previsión meteorológica es indispensable para todo, desde la siembra hasta la cosecha, pasando por la preparación del suelo y la aplicación de los defensivos agrícolas que protegen los cultivos contra las plagas. La importancia del agronegocio en la economía brasileña muestra la criticidad de que las previsiones meteorológicas sean precisas: de acuerdo con el IBGE, el sector representó más del 27% del PIB nacional en 2023, lo que, en valores absolutos, fue equivalente al PIB de Argentina.
En cuanto a la generación de energía eléctrica, datos de 2023 publicados por la Cámara de Comercialización de Energía Eléctrica (CCEE) informan que más del 71% de los 70,2 mil megavatios medios (MWm) generados durante ese año provinieron de las hidroeléctricas. Por cierto, cabe destacar el pionerismo de Brasil en el uso de fuentes de energía renovables: más del 93% de toda la energía eléctrica generada en el país en ese mismo año provino de fuentes renovables.
En cuanto a lo que afecta directamente a la población, no es necesario retroceder mucho en el tiempo para recordar la crisis hídrica vivida en el Sudeste del país entre 2013 y 2014. Las represas que abastecen de agua a la ciudad de São Paulo y al interior del estado llegaron a niveles críticos, lo que llevó a la implementación del racionamiento en la capital y en otras decenas de ciudades. En 2023, el Centro Nacional de Monitoreo y Alertas de Desastres Naturales (CEMADEN) documentó 1.161 desastres naturales, la mayoría relacionados con desbordamientos de ríos y deslizamientos de tierra. Esto representa un promedio de más de tres eventos por día. Fue la mayor cantidad anual registrada desde el inicio de los registros, en 2011, y el saldo fue de 132 muertes, 9.000 heridos y más de 74 mil personas sin hogar.
¿Un final feliz?
Eso es lo que todos esperamos: que este conjunto de hardware y software recapacite a Brasil desde el punto de vista de las predicciones y estudios climáticos, manteniendo el protagonismo que el país ha conquistado a través del esfuerzo conjunto de muchos investigadores y científicos. Uno de sus puntos álgidos ocurrió en 2014, cuando el Modelo Brasileño del Sistema Terrestre (BESM), también desarrollado por el INPE, fue incluido en el 5º Informe del Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC).
Quién publicó esta columna
Ciro Barbieri da Cunha








