ENEA - Agenzia Nazionale per le Nuove Tecnologie

Giovanni Bracco

ENEA [1], l’Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile  è nata nel 2009 ed è erede di competenze, risorse ed esperienza degli Enti che l’hanno preceduta.

Nel 1952 viene creato, presso il CNR, il CNRN (Comitato Nazionale per le Ricerche Nucleari) il cui scopo è acquisire e diffondere conoscenze scientifiche sulle applicazioni pacifiche dell’energia nucleare alle scienze biologiche, agricole, alla fisica dei materiali e all’elettronica. Nel 1960 il Governo italiano cede all’EURATOM il Centro Ricerche di Ispra e, sull’onda dell’entusiasmo seguito alla prima Conferenza sull’uso pacifico dell’energia nucleare, organizzata a Ginevra nel 1955 dall’ONU, il Parlamento trasforma il CNRN in CNEN (Comitato Nazionale per l’Energia Nucleare). Il CNEN si organizza come struttura di sviluppo tecnologico, in stretto collegamento con l’industria, per la progettazione e realizzazione di impianti nucleari e impianti per il ciclo del combustibile.

Nel 1982 il CNEN si trasforma in ENEA (Comitato nazionale per la ricerca e lo sviluppo dell’Energia Nucleare e delle Energie Alternative) e si occupa, da quel momento, non più soltanto di energia nucleare ma anche di fonti rinnovabili, uso razionale dell’energia e impatto ambientale.

A seguito dei risultati dei tre referendum popolari del 1987 nel 1991 l’Ente diventa Ente per le Nuove tecnologie l’Energia e l’Ambiente, mantenendo lo stesso acronimo ENEA e con una nuova missione: la ricerca nel campo delle energie alternative, delle nuove tecnologie e dell’ambiente.

Il ruolo di ente pubblico che opera nei settori dell'energia, dell'ambiente e delle nuove tecnologie viene confermato nelle successive leggi di riforma che hanno infine portato nel 2009 alla nascita dell’Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile (ENEA), finalizzata “alla ricerca e all’innovazione tecnologica nonché alla prestazione di servizi avanzati nei settori dell’energia, con particolare riguardo al settore nucleare, e dello sviluppo economico sostenibile”.

Le attività di ricerca e sviluppo portate avanti nel corso del tempo hanno richiesto sin dall'inizio degli anni '60 [2] la disponibilità di sistemi di calcolo di taglia significativa come supporto alla modellistica e alla simulazione innanzi tutto nel campo nucleare ma con l'evoluzione dei compiti assegnati l'ambito si è esteso al settore energetico in senso più ampio e a quello ambientale.

Una specificità poi delle infrastrutture per il calcolo scientifico e tecnologico di CNEN prima e di ENEA è stata quella di essere distribuita sul territorio nazionale tra molti dei centri di ricerca dell'Ente stimolando quindi già dalla fine degli anni '60 la realizzazione di una rete efficace di interconnessione tra i sistemi disponibili e successivamente, a partire dagli anni '90, di una integrazione complessiva delle risorse di calcolo in una infrastruttura unitaria delle risorse disponibili.

Nei prossimi paragrafi verrà descritto lo sviluppo dei sistemi di calcolo dall'inizio degli anni '60 fino ad oggi, inizio 2017, partendo dalla descrizione dei primi sistemi [1-5], procedendo con l'adozione dei mainframe, epoca conclusasi per ENEA nei primi anni 2000, descrivendo la situazione molto varia e diversificata degli anni '90 fino allo sviluppo di una infrastruttura organica ed integrata ENEAGRID [6,7] tuttora in produzione e che include i sistemi più recenti [8,9,11,12]. I dati specifici dei singoli sistemi sono stati raccolti nella Tabella 1.

ENEA

• I primi sistemi, anni '60 
• L'epoca dei mainframe 1968 - 2003
• Adozione di tecnologie diversificate e attività di sviluppo 1990 - 2005
• Il sistema integrato per il calcolo scientifico ENEAGRID
• Focalizzazione delle architetture e progetti PON 2005 - oggi
• Le prospettive
• Tabella 1. Risorse per il calcolo scientifico di CNEN/ENEA dal 1960
• Riferimenti

I primi sistemi, anni '60

Per la realizzazione dei programmi di ricerca del CNEN era necessario disporre di un mezzo di calcolo di elevate capacità comparabile con quelli esistenti nei centri di ricerca di altri Paesi; nel 1960 venne deciso quindi l'acquisto per la sede di Bologna di un calcolatore IBM-704 [2] che costituì al momento il sistema di calcolo più potente installato in Italia. Il gruppo numerico della sede CNEN di Bologna aveva già lavorato sul sistema IBM-650 della Facoltà di Ingegneria della Università di Bologna collaborando anche alla organizzazione della sua acquisizione, con fondi MIUR ed del Comune di Bologna.  Il sistema CNEN IBM-704 fu installato nel 1961 [3] e poi affiancato da un sistema IBM-1401 dedicato alle operazioni di I/O. Nel 1964 venne poi acquistato un sistema IBM-7094 , Fig. 1, corredato di due sistemi IBM-1401 per l'I/O sostituiti per i servizi di I/O nel 1966 da un sistema IBM-7040, realizzando così un sistema accoppiato IBM-7094/7040. Nel 1961 nel Centro di Ricerche di Frascati veniva installato un sistema IBM-1620/1 [4] e successivamente un simile sistema IBM 1620 venne istallato pure nel Centro Ricerche Casaccia. Nel 1968 sempre nel Centro di Ricerche di Casaccia veniva acquisito un sistema ibrido digitale/analogico EAI 8800/640 [5]. Tale installazione costituiva lo sviluppo delle attività pregresse nel campo del calcolo analogico che avevano portato anche allo sviluppo negli anni precedenti di un sistema realizzato all'interno del CNEN. L'attività intensa del CNEN nel campo del calcolo elettronico era supportata in quegli anni da un folto gruppo di personale che tra i soli Centri di Bologna e Frascati ammontava complessivamente a circa 60 unità tra ricercatori e tecnici, dedicate esclusivamente al calcolo scientifico, la cui attività spaziava dalla gestione dei sistemi allo sviluppo numerico fino alla gestione delle banche dati nucleari.

Sala calcolatori elettronici: Console del sistema IBM-7094 ed unità nastro [3]

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L'epoca dei mainframe 1968 - 2003 

Seguendo lo sviluppo tecnologico, dalla fine degli anni '60 le risorse per il calcolo scientifico del CNEN, ENEA dal 1982, diventano basate sui sistemi mainframe IBM, inizialmente della serie IBM 360, IBM 370, IBM 390 e infine a sistemi della serie 9000. A partire dal 1968 i mainframe IBM vengono installati su 4 sedi, Bologna, Frascati, Casaccia e la sede centrale di Roma, Fig.2. A partire del 1988 i mainframe iniziano a supportare la Vector Facility di cui vengono progressivamente dotati tutti i centri. I sistemi operativi utilizzatoti sono le varie versione di MVS/OS390 ma anche in qualche caso VM. Vengono anche acquisiti mainframe IBM compatibili, prodotti da Olivetti-Hitachi. Alla metà degli anni '90 il trasferimenti logistici sia della Sede Centrale a Roma che della sede di Bologna Via Mazzini coincidono con la dismissione dei relativi mainframe.  Pure il sistema di Casaccia viene trasferito negli stessi anni a Frascati, sito che era stato identificato come la localizzazione di questo tipo di tecnologia. Per quanto riguarda il calcolo scientifico un sistema mainframe viene mantenuto in ENEA fino al 2003, quando viene dismesso il modello IBM 9672/R3 che era stato installato a Frascati nel 1999. In Casaccia a partire dall'inizio degli anni '80 vengono installati anche sistemi VAX, sistema operativo MVS, che col tipo VAX 9000 del 1992 possono anch'essi inclusi nella categoria mainframe e che al livello invece di minicomputer sono ampiamente diffusi negli stessi anni nei laboratori sperimentali dell'Ente.

Centro di Calcolo. Sede Centrale Roma, 1980

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Adozione di tecnologie diversificate e attività di sviluppo 1990 - 2005

Dall'inizio degli anni '90 l'alto costo delle tecnologie mainframe promuove la diffusione di sistemi basati su minicomputer e workstation UNIX. Tale tendenza si sviluppa in ENEA dapprima con l'introduzione di sistemi IBM RISC/6000 per proseguire poi con sistemi paralleli SP2 dotati di rete di connessione dedicata al calcolo. Sistemi SP2 vengono installati a Frascati e Bologna mentre su Casaccia ai già citati sistemi VAX si aggiungono macchine dedicate specificamente a due linee di ricerca e sviluppo.

La prima riguarda le attività di calcolo del gruppo di simulazioni di clima che spinse all'installazione prima di un modello Cray Y-MP EL entry level e poi ad un sistema vettoriale SV1/1A.

La seconda invece è frutto del coinvolgimento di ENEA in una attività di sviluppo di una piattaforma dedicata al calcolo largamente parallelo, nata in INFN con il progetto APE100 ed evoluta poi anche in un quadro industriale da Alenia Spazio e dalla sua controllata inglese Quadrics Supercomputer World, che aveva incorporato Meiko Scientific, la società che aveva sviluppato negli anni '80 i transputer. Si tratta di sistemi SIMD (Single Instruction on Multiple Data) di cui fu acquisito da ENEA un certo numero in varie versioni da 8 fino a 512 processori, da Quadrics-Q1 a QH4. Nel 1995 viene poi varato il progetto PQE-2000 che coinvolgeva oltre ad ENEA anche CNR, INFN ed Alenia Spazio per la realizzazione di una piattaforma che integrasse le potenzialità MIMD (Multiple Instruction on Multiple Data) con quelle di un sistema puramente SIMD. Tale progetto portò alla realizzazione di un prototipo che accoppiava un sistema Quadrics QSW-CS2  di tipo MIMD  con i sistemi SIMD Quadrics. La componente MIMD era dotata di una rete di comunicazione veloce Meiko la cui evoluzione portò poi successivamente alla implementazione della rete QsNet, concorrente nei primi anni 2000 di Infiniband e Myrinet.

In Casaccia nel 2000 viene acquisto un sistema, FERONIA, formato da un cluster di nodi con processori DIgital Alpha e dotato di rete QsNet. Dopo la chiusura della linea di processori Alpha l'infrastruttura QsNet venne riusata con il cluster FERONIX, con precessore Intel Xeon.

Tornando alla seconda metà degli anni '90 sistemi Quadrics furono anche installati a Bologna, Frascati e Trisaia formando il primo nucleo di una infrastruttura di risorse di calcolo omogenee distribuite sul territorio nazionale.

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Il sistema integrato per il calcolo scientifico ENEAGRID

Come si è visto nella sezione precedente dalla seconda metà degli anni '90 il quadro generale dei sistemi per il calcolo scientifico di ENEA mostra una situazione molto variegata che include ancora qualche mainframe ma nello stesso tempo anche molteplici piattaforme di calcolo con hardware e sistemi operativi molto diversi. Negli stessi anni in un contesto molto più ampio la disponibilità di sistemi di calcolo potenti, distribuiti su vaste aree geografiche ma connessi tra loro da reti ad alta velocità, portava allo sviluppo del concetto di griglia computazionale. Grazie allo sviluppo della rete GARR  anche i sistemi di calcolo ENEA erano connessi con una rete di buone prestazioni e quindi era naturale pensare di integrare tali risorse in una infrastruttura comune per fornire all'utenza un servizio meno frammentato  ed omogeneo nei metodi di accesso. Si trattava quindi di realizzare una griglia (GRID) computazionale, ENEAGRID.

Il concetto di GRID scaturisce dal tentativo di fornire una visione unitaria su di un insieme eterogeneo di risorse informatiche sparse tra siti distanti appartenenti e si adatta poi particolarmente bene al caso  di una singola istituzione distribuita tra molte sedi, come il caso di ENEA. La realizzazione concreta di una griglia computazionale richiede la definizione di un insieme di strumenti software capaci di realizzare in modo uniforme l'accesso alle risorse informatiche disponibili, sia in termini di sistemi di calcolo che di archiviazione di dati. Inoltre tali strumenti devono essere in grado di garantire la sicurezza di operazione della griglia e fornire la possibilità di monitorare in ogni istante il suo funzionamento.

I componenti software scelti al cuore della implementazione iniziale di ENEAGRID [6,7] sono stati LSF Multicluster, un prodotto Platform, incorporato negli anni recenti in IBM, per la gestione delle risorse e AFS, il file system allora distribuito da IBM Transarc ed poi diventato Open Source. Tali componenti si sono dimostrati prodotti affidabili e tuttora ben utilizzabili anche a più di 25 anni dalla prima messa in servizio. Tali prodotti si caratterizzavano per un buon supporto multi piattaforma ed una natura intrinsicamente distribuita. Per le altre funzionalità di base, ovvero la gestione della grafica remota e il monitoraggio, i prodotti usati inizialmente erano CITRIX Metaframe e Patrol per il monitoring dell'intera infrastruttura. Tali componenti furono poi sostituiti nel corso degli anni da prodotti Open Source come FreeNX e Zabbix. Il sistema di autenticazione inizlalmente integrato in AFS migrò successivamente all'utilizzo di Kerberos 5 MIT nativo. L'insieme di questi software, ai quali si è aggiunto negli anni 2000 anche il file system parallelo GPFS (dal 2016 chiamato Spectrum Scale) di IBM, costituisce il così detto “middleware” di ENEAGRID ed ha permesso di integrare negli ultimi 25 anni gran parte delle risorse di calcolo in un unico ambiente di facile accesso per l'utente e di facile amministrazione per la gestione. 

Sin dall'inizio ENEAGRID venne concepita come un insieme di risorse, servizi ed applicazioni usufruibili dall'utente attraverso delle interfacce standard e unificate con un alto livello di astrazione rispetto a quello dei sistemi hardware che lo supportava. Tale modalità di operazione prefigurava per l'utente quello che in anni recenti viene fornito dai servizi di tipo Cloud, anche se all'epoca il concetto di sistemi virtualizzati era ancora ai suoi stati iniziali.

L'infrastruttura appena illustrata, sviluppata alla fine degli anni '90 ed implementata inizialmente sul sistema di Quadrics distribuite sui vari centri ENEA, ha incorporato progressivamente i sistemi già descritti ed ad essi si sono poi aggiunti quelli acquisiti nella prima metà degli anni 2000 e caratterizzati ancora da una certa varietà.

A Frascati vennero installati sistemi IBM AIX SP3 (64 cpu), SP4 (128 cpu) ed infine SP5 (256 cores) , tre generazioni di cluster Linux 32 bit composti rispettivamente da 6, 10 e 16 nodi ed un cluster AMD x86_64, di 20 nodi biprocessore. A Casaccia un cluster linux di 7 nodi con processori Pentium4, il sistema SGI Altix 350 con 32 cpu IA64, un sistema CRAY XD1, un cluster linux con processore AMD x86_64 e dotato di schede FPGA. Tutti questi sistemi erano integrati in ENEAGRID [7] e accessibili in modalità unificata per l'utenza. Dal punto di vista della potenza di calcolo il sistema più significativo era il cluster SP5 di 1.6 TFlops.

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Focalizzazione delle architetture e progetti PON 2005 - oggi