Ministerie van Onderwijs, Cultuur en Wetenschap
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 topinfrastructuur van hoogwaardige rekenvoorzieningen
(supercomputers), die gelijkwaardig is aan de ICTinfrastructuur van de VS en Azië. Nederland neemt
deel aan PRACE met het doel de Nederlandse belangen bij de vormgeving van deze topinfrastructuur
maximaal te garanderen. Voor de implementatiefase van deze Europese infrastructuur hebben de
ministeries van Economische Zaken en Onderwijs Cultuur en Wetenschap een maatschappelijk
economische verkenning1 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 ICTinfrastructuur voor wetenschappelijk
onderzoek in Nederland beschrijft2. De kabinetsreactie3 op dat advies vormt dan ook het uitgangspunt
voor deze onderhavige visie.
1 Zie de Economische Effecten Analyse (EEA) van Ecorys.
2 Zie ook de ICT-Agenda 2008-2011.
3 11 mei 2009: kabinetsreactie op het advies van ICTRegie over de ICT-onderzoeksinfrastructuur voor het
wetenschappelijk onderzoek in Nederland.
2
Conclusies.
· De grote maatschappelijke uitdagingen van de toekomst vergen een krachtige inzet van
moderne methoden voor scenarioontwikkeling en analyse. EScience en Computational
Science4 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 werkgelegenheid5.
· De positieve maatschappelijke en economische effecten van het bezitten van een
Supernode in Europees verband6 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 behouden7.
· Nederland dient daarom een krachtige speler te blijven in de vormgeving van de
Europese ICTinfrastructuur. 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.
4 E-science: de koppeling tussen computertechnologie, moderne communicatiemiddelen en wetenschap.
Computational science: het ontwikkelen van optimale applicaties in toepassingsdomeinen.
5 Zie de EEA van Ecorys, figuur 3.1 pag. 15, tabel 3.2 p. 17, tabel 3.3 p. 19.
6 Knooppunt in het Europese supercomputernetwerk.
7 Zie de EEA van Ecorys, tabel 3.5 p. 21.
3
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 Raad8 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 9 (100 miljoen berekeningen per seconde) te berekenen, in 2009 is
dat 60 Tflop/s ("zestigduizend miljard berekeningen per seconde"), een factor 600 duizend sneller10!
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) 11: "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 Top50012. 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
8 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).
9 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.
10 25 jaar grootschalig wetenschappelijk rekenen in Nederland, NWO, december 2009.
11 Zie de World ranking list van november 2009: http://www.top500.org.
12 Http://www.top500.org/country/143.
4
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, lagetemperatuur 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 ICTtechnologieën ter ondersteuning.
Supercomputers worden dan ook bij uitstek gebruikt voor technischwetenschappelijk 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 highend 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 Seminar13 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 "Tier0" infrastructuur14 van supercomputers van
wereldniveau te steunen, en als direct uitvoeringswaardig te classificeren.
13 http://www.prace-project.eu/documents/press-releases-pdfs/D321_press_release_FINAL.pdf
14 Tier-0 systeem: een supercomputer met Petascale performance (1 Pflop/s).
5
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 computers15. 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 ICTinfrastructuren 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.
15 Zie voetnoot 2. Voorbeelden van grote computers uit die tijd: de ARRA, PTERA, ZERO14 en de ZEBRA.
6
3. Het gebruik van supercomputers in de wetenschap
Supercomputers maken deel uit van de "ICTinfrastructuur", 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 ICTinfrastructuur 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), dataopslag, 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 "ICTinfrastructuur 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 eScience 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, teraschaal rekencapaciteit of highperformance visualisaties.
Computational science en escience hebben belangrijke samenvallende kenmerken, zoals de
optimalisatie van en de efficiency bij de inzet van de einfrastructuur. De nadruk bij escience 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 eScience Research Center16 elkaar belangrijk zullen versterken.
Recent hebben een ruim veertig hoogleraren hun huidige en toekomstige onderzoek met
supercomputers beschreven17. Een verkort overzicht van de domeinen waarin supercomputers
onmisbaar zijn omvat de volgende disciplines en toepassingen.
· Weer, klimaat en milieu: nauwkeurige hogeresolutiemodelleringen 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
16 Zie de ICTRegie adviezen over de integrale ICT-infrastructuur en de concrete invulling van een op te richten e-
SRC.
17 Zie "Het belang van High Performance Computing voor Nederland", december 2008, SARA/NCF.
7
· 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 hogeenergieplasma's, kernfusie, zonneenergie; 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 ICTinfrastructuur
beleid (waarin de supercomputer een essentiële rol speelt).
8
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 toepassingen18. 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
verzekeringswezen19. 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
18 In de ICT-Agenda 2008-2011 en de Lissabon-Agenda van maart 2000 wordt het belang van ICT voor de
kenniseconomie en informatiesamenleving benadrukt.
19 Bij het 1ste PRACE Industry Seminar in Amsterdam en het tweede in Toulouse waren al deze industriële partijen
vertegenwoordigd.
9
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 eScience 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.
10
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 topniveau 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 bijdragen20. Het betreft dan
compilers21, bibliotheken, nieuwe technieken voor parallel rekenen en het gebruik van multicore
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 markt22. Als land met een grote
software export23 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 kennis24. Economische en demografische onderzoeken in Europa en de Verenigde
Staten tonen aan dat de hightechsector een cruciale rol vervult in de nationale economische
voorspoed25 en een positieve invloed heeft op het aantal hoog opgeleide inwoners26. Het aantal
patenten verleend in Korea, India en China zal aan het einde van het decennium groter zijn dan in
Europa en Japan. De hightechexport 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 hightechimport 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
20 Zie EEA Ecorys, p. 24 t/m 28.
21 Een compiler is een computerprogramma dat programmeercode vertaalt in machinecode.
22 ICT-Agenda 2008-2011.
23 In 2004 stond Nederland met een exportwaarde van $1,7 miljard aan software op de vierde plaats op de
wereldranglijst.
24 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.
25 Zie ICT 2030.nl, mei 2009, p. 16 t/m 18.
26 Zie de EEA van Ecorys, p. 31.
11
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 ICTinfrastructuren
(supercomputers, grids en netwerken) om die trend te keren27.
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 HPCinfrastructuur, 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.
27 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.
12
6. Het nationale belang in Europees perspectief
Infrastructuren en in het bijzonder einfrastructuren zijn niet langer aan nationale grenzen gebonden.
Het Zesde Kaderprogramma heeft een sterke aanzet gegeven tot de vorming van panEuropese ICT
infrastructuren. Onder het Nederlandse voorzitterschap is de eIRG 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 Tier0 infrastructuur28 voor
supercomputers als rijp voor implementatie geclassificeerd. Deze Tier0 HPCinfrastructuur 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 PanEuropean 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
systemen29 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
28 Tier-0 systeem: een supercomputer met Petascale performance (1 Pflop/s).
29 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.
13
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 ICTsuperknooppunten (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 ICTinfrastructuur 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 ICTagenda 20082011 wordt een integrale beschouwing gegeven van de Nederlandse ICT
infrastructuur. In de voortgangsrapportage op de ICTagenda is aangekondigd dat het kabinet zal
komen met een reactie op het ICTRegie rapport over de ICTInfrastructuur van december 200830.
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 Amsterdam31. 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.
30 December 2008, ICTRegie: `towards a competitive ICT infrastructure for scientific research in the Netherlands"
31 11 mei 2009: kabinetsreactie op het advies van ICTRegie over de ICT-onderzoeksinfrastructuur voor het
wetenschappelijk onderzoek in Nederland
14