Mempercepat Dekarbonisasi: Fugaku dalam Perlombaan Menuju Net Zero – Warungku Terkini

Ilmuwan Asia (5 Juli 2023)

Oleh Marinel Mamac dan Jihan Al-Shdifat

Ketika memulai debutnya pada tahun 2020, superkomputer Fugaku dielu-elukan sebagai inti dari Masyarakat 5.0 Jepang, yang dapat memecahkan masalah sosial dan meningkatkan ekonomi suatu negara dengan bantuan teknologi digital. Superkomputer tercepat di dunia pada saat itu, menjadi judul dalam daftar TOP500 setiap tahun sejak diluncurkan hingga Juni 2022.

Tujuan utama Fugaku adalah untuk mencapai tujuan berkelanjutan di bidang yang diikutinya,” Profesor Satoshi Matsuoka, direktur Pusat Ilmu Komputasi RIKEN dan bagian dari tim di belakang Fugaku, mengatakan dalam sebuah wawancara dengan Supercomputing Asia.

Dengan daya komputasi 442 petaFLOPS, superkomputer tercepat di Jepang dikembangkan oleh ilmuwan RIKEN dengan filosofi pengutamaan aplikasi. Itu adalah, Itu dibangun tidak hanya untuk mencapai keunggulan komputasi demi dirinya sendiri, tetapi untuk memecahkan masalah terbesar di zaman kita. “Banyak dari krisis ini berkaitan dengan netralitas karbon,” catat Matsuoka.

Emisi karbon telah menjadi tujuan penting di antara para peneliti di Jepang, salah satu penghasil emisi karbon terbesar di dunia. Pada tahun 2030, Jepang bertujuan untuk mengurangi emisi karbon sebesar 46 persen dibandingkan dengan baseline tahun 2013. Perangkat keras komputasi kinerja tinggi (HPC) saat ini; Dengan perangkat lunak dan generasi berbakat, Jepang memimpin negara-negara Asia dalam mencapai tujuan ini.

>
Mengatasi masalah karbon.

Dalam setengah jam atau lebih Anda membolak-balik majalah itu, pembakaran bahan bakar fosil telah melepaskan sekitar 1,9 juta metrik ton karbon dioksida (CO2) di seluruh dunia. Dari 50 miliar ton gas rumah kaca setara CO2 dan CO2 yang dikeluarkan setiap tahun, 73,2 persen berasal dari sektor energi, 18,4 persen, dan 5,2 persen dari industri. Sisanya 3,2 persen berasal dari tempat pembuangan sampah dan air limbah.

Memang, Dunia memiliki caranya sendiri untuk menyeimbangkan berbagai hal: lamun menyerap hingga 83.000 metrik ton karbon per kilometer persegi, sementara hutan menyerap sekitar 30.000 metrik ton karbon per kilometer persegi.

Namun, sekitar 40 persen gas tersebut akan masuk ke atmosfer dan 30 persen akan diserap oleh air laut sehingga menyebabkan pengasaman laut. Meningkatnya emisi karbon dan pesatnya urbanisasi hutan kita; kebakaran hutan pertambangan; Karena pertanian yang tidak berkelanjutan dan naiknya permukaan laut, inovasi emisi karbon menjadi semakin penting.

Mengatasi masalah karbon dunia melibatkan dua sisi mata uang yang sama. Yang pertama melibatkan pengurangan emisi gas rumah kaca—mulai dari penggunaan sumber energi terbarukan hingga pengendalian emisi karbon di bidang pertanian. Ini termasuk memastikan efisiensi energi yang lebih baik di berbagai industri. Yang kedua adalah menemukan cara untuk meningkatkan penyerapan karbon dari atmosfer, baik secara langsung menyerap emisi atau meningkatkan penyimpanan karbon alami hutan dan padang lamun kita.

Ini tugas yang sulit—namun para ilmuwan di RIKEN dan di seluruh dunia terus memanfaatkan kekuatan HPC.

>
Mengurangi emisi karbon.

Inti dari tujuan penelitian dekarbonisasi Fugaku adalah mengembangkan jaringan energi terbarukan yang kuat. Matsuoka menjelaskan bahwa harapan terbesar untuk netralitas karbon Jepang terletak pada tenaga angin dan matahari.

Sejalan dengan ini, negara ini bertujuan untuk menghasilkan 10 gigawatt tenaga angin lepas pantai pada tahun 2030. Untuk memungkinkan hal ini, negara telah berinvestasi dalam ladang angin lepas pantai setinggi 200m.

“Setiap bilah seperti gedung pencakar langit,” kata Matsuoka. “Karena benda-benda ini sangat besar, bilahnya berada di atas awan dan benar-benar dapat mempengaruhi cuaca. Ini membuat mereka sangat sulit untuk dirancang.

Agar ladang angin lepas pantai ini berfungsi, para ilmuwan perlu memikirkan lebih dari sekadar fisika untuk mengubah energi angin menjadi listrik. Mereka adalah kondisi cuaca ekstrim; Daya komputasi Fugaku digunakan untuk menjalankan simulasi berdasarkan bahan pisau dan desain keseluruhan.

Dalam hal energi matahari, tim fisika Jepang sedang mengerjakan cara membuat sel fotovoltaik yang lebih aman dan efisien di dalam negeri. “Angka ini terlalu tinggi untuk beroperasi. [physical] Tes,” tunjuknya.

Dengan sistem kecerdasan buatan yang dirancang untuk penelitian Fugaku dan energi matahari, para ilmuwan dapat menjalankan miliaran simulasi pada senyawa potensial ini dan menyaring senyawa tersebut dengan lebih efisien. “Salah satu hal yang ditemukan tim kami adalah tingkat konversi energi hampir 25 persen. Ini sangat menjanjikan,” kata Matsuoka. Dari sana, langkah selanjutnya adalah menerjemahkan simulasi sel fotovoltaik ini menjadi kenyataan dan melakukan penelitian lebih lanjut, katanya.

Selain produksi energi, pangan dan pertanian adalah bidang penelitian penting lainnya dengan Fugaku, kata Matsuoka. Dia menunjukkan bahwa produksi makanan menghasilkan banyak karbon dan ternak adalah penghasil gas rumah kaca terbesar di sektor ini. Saat ini, para ilmuwan Jepang sedang bekerja untuk mengembangkan breed ternak rendah metana, dan beberapa mencari cara untuk menghasilkan pakan yang lebih baik dan lebih efisien.

“Yang menarik bagi saya adalah teknik yang digunakan kelompok ini sangat mirip dengan teknik yang telah kami kembangkan untuk bidang biologi lainnya, seperti kedokteran manusia,” kata Matsuoka. “Beberapa infrastruktur yang kami bangun untuk mempercepat penemuan obat dapat diterjemahkan ke dalam produksi pangan;
dan teknik proteomik.”

Area lain yang sedang dieksplorasi oleh para ilmuwan Jepang adalah transportasi laut. Meskipun kapal saat ini adalah tulang punggung perdagangan global, Mereka mengonsumsi sebagian besar energi total dunia — mendorong para ilmuwan di RIKEN untuk mempelajari bagaimana kita dapat membuat kapal lebih efisien.

Matsuoka menjelaskan bahwa merancang kapal ini selalu menjadi tantangan besar. Dalam pembangunan konvensional, Desain kelautan membutuhkan model skala. Danau besar dibangun untuk menguji prototipe kapal kecil, yang panjangnya ratusan meter.

“Untuk pertama kalinya, kami memiliki kemampuan untuk membantu para ilmuwan dalam proses desain kelautan, menghilangkan kebutuhan akan danau besar ini,” kata Matsuoka.

Ilmuwan dari Universitas Tokyo mempelajari kekentalan kolam renang. Fugaku sudah digunakan untuk mensimulasikan kolam, dengan mempertimbangkan ribuan faktor dinamis seperti desain kapal kargo dan sekrup yang akan menggerakkannya. Matsuoka menunjukkan bahwa ini memungkinkan mereka meningkatkan efisiensi energi kapal hingga 10-15 persen, yang dapat berdampak besar di seluruh dunia.

Ada banyak bidang yang didukung Fugaku, mulai dari energi hingga berbagai industri seperti makanan dan material. “Fugaku belum membuat penilaian kumulatif tentang seberapa besar kemungkinannya untuk mengekspos kita. Mungkin itu sesuatu yang harus kita lakukan secara kolektif. Ini secara signifikan akan mengurangi jejak karbon Jepang secara keseluruhan.”

>
Penangkapan karbon.

Setelah mengurangi emisi karbon; Salah satu sisi dari upaya emisi karbon global adalah menangkap karbon yang sudah ada di lingkungan, sebuah proses yang disebut penyerapan karbon.

Para ilmuwan telah mulai mencari CO2 di bawah tanah, dibantu oleh Fugaku dan superkomputer lainnya. Agar metode penyerapan karbon ini berhasil, para ilmuwan membutuhkan HPC untuk memahami cara terbaik menyuntikkan CO2 ke dalam CO2 untuk memahami jutaan peristiwa. tanah seperti tempat dan metode terbaik — dan kemudian untuk mencegahnya melarikan diri.

Jalur lain menuju penyerapan karbon adalah meningkatkan sistem alami dunia untuk menyeimbangkan tingkat CO2. Para peneliti di RIKEN Plant Science Center sedang mempertimbangkan penggunaan Fugaku untuk mengekstraksi energi dari atmosfer dan menggunakan tanaman untuk menyerap lebih banyak CO2.

Upaya ini disejajarkan dengan upaya penelitian di tempat lain di dunia. Blue Waters, superkomputer kecil yang dijalankan oleh University of Illinois, digunakan dalam upaya pemetaan pohon untuk pohon non-hutan, yang dapat bertindak sebagai penyerap karbon yang signifikan, tetapi kurang dipelajari dibandingkan pohon yang ditemukan di hutan. Sementara itu, Pusat Komputer Super Pawsey di Australia sedang menjajaki cara untuk mengubah CO2 menjadi bahan bakar.

>
Tujuan bersama

Untuk Matsuoka, Perlombaan menuju nol bersih bukanlah perlombaan antara negara yang berbeda—itu adalah perlombaan yang kita lawan secara kolektif dari waktu ke waktu. Oleh karena itu, sebagai bagian dari filosofi aplikasi pertama Fugaku, Pusat RIKEN menyediakan siklus komputasi untuk proyek iklim dan emisi karbon yang akan dimulai di seluruh Asia.

Misalnya, Fugaku adalah proyek penangkapan dan pemanfaatan karbon berbasis mikroalga untuk Indonesia di bawah Program Kerjasama Riset Sains dan Teknologi Pembangunan Berkelanjutan pemerintah Jepang. Proyek yang dipimpin oleh Dr Muhammad Aziz dari Tokyo Institute of Technology ini bertujuan untuk menangkap CO2 dan menggunakannya sebagai sumber daya yang berkelanjutan dengan menggunakan mikroalga. “Selain kontribusi ilmiahnya, penelitian ini juga akan membantu mengurangi CO2 dan nitrogen oksida dari pembangkit listrik,” kata Aziz kepada Supercomputing Asia.

Selain menyediakan akses ke sumber daya HPC; Tim RIKEN juga melatih dan mengedukasi orang-orang yang tertarik untuk melakukan penelitian yang mendukung HPC, bergantung pada tingkat keterampilan dan kompleksitas proyek. Fugaku mengambil namanya dari nama lain untuk puncak tertinggi Jepang, Fugaku, jadi Matsuoka menggambarkan proses ini sebagai proses di mana baik veteran baru maupun berpengalaman “mendaki gunung”.

Dengan cara ini, tim di belakang Fugaku menyediakan sumber daya HPC untuk semua peneliti yang berminat yang ingin memecahkan masalah terbesar dunia kita.

“Pada akhirnya, itu benar-benar tidak.
Siapa yang memecahkan masalah karbon?” kata Matsuoka. “selama
Masalah terpecahkan.”

—

Artikel ini pertama kali diterbitkan dalam Supercomputing Asia versi cetak Januari 2023.
Klik di sini untuk mencetak Majalah Ilmuwan Asia.

Hak Cipta: Majalah Ilmuwan Asia. Ilustrasi: Shelly Liew/Supercomputing Asia

Penafian: Artikel ini tidak mencerminkan pandangan warungku atau stafnya.