Ylätasanteelta nähtynä LUMI on kuin tieteiselokuvasta.
Kuva: Jenni Suonperä
MALin 60-vuotisjuhlinnan yhtenä osiona syksyllä 2021 piti olla ekskursio Kajaaniin, erityisesti CSC:n LUMI-supertietokoneelle, mutta korona sotki suunnitelman, ja retki toteutui loppujen lopuksi vasta lokakuun 12.–13.10.2023. Kohteiden kiinnostavuuden ohella ajatuksena oli tarjota MALin tapahtumia myös kauempana pääkaupunkiseudusta. Määrällisesti jouduttiin pettymään, kun osanotto jäi neljään MALilaiseen. Ikäjakaumaltaan ja alueellisesti retkikunta oli kuitenkin melko edustava: mukana olivat Oulusta puheenjohtaja Esko Juuso ja matemaatikko Jenni Suonperä, ja Helsingin seudulta Aalto-yliopiston teekkari Lauri Toivonen sekä MALin tiedottajana eläkepäivinään toimiva matemaatikko Ilkka Norros. Retken sisältö oli antoisa, etenkin etelän miehelle, jonka mielikuvissa Kajaanin kaupunkiin ei ensimmäiseksi assosioitunut korkeatasoinen matemaattis-luonnontieteellinen tutkimus- ja kehitystyö. Isäntämme tosin kertoivat, etteivät kajaanilaiset itsekään tiedä tästä vielä niin laajalti kuin olisi aihetta. Koko Renforsin Rannan yritysalue on erinomainen esimerkki lakkautetun paperitehtaan alueen uusiokäytöstä.
Uusia mittaustekniikoita kehitteillä Kajaanin yliopistokeskuksessa
Ensimmäinen vierailukohteemme oli Kajaanin yliopistokeskus. Oulun yliopiston koordinoiman keskuksen osapuolia ovat myös Itä-Suomen, Jyväskylän ja Lapin yliopistot. Tutustuimme kahteen Oulun yliopiston yksikköön. Mittaustekniikan yksikön tutkimuspäällikkö Jarkko Räty kertoi, että Mittaustekniikan keskus on alun perin perustettu tänne puuteollisuutta tukemaan. Kyseessä on puhdas tutkimusyksikkö, se ei anna opetusta. Nykyäänkään se ei harjoita perustutkimusta, mutta kertoo edustavansa erikoisaloillaan kansainvälistä huippuosaamista, jonka läsnäolosta harva kajaanilainenkaan tietää – esimerkiksi sitä, että Lumenen lingonberry extract -tuote on kehitetty täällä.
Keskus kehittää yhtenä painopisteenään monipuolista vesiosaamista, mm. sulfaattien (SO4) ja raskasmetallien erottamista sekä mikromuovien reaaliaikaista mittaamista vedestä. Esimerkiksi keskuksen ARMINE–menetelmä tarjoaa erityisesti kehitysmaiden tarpeisiin soveltuvan edullisen tavan mitata juomaveden arseenipitoisuutta.
Merkittävä perspektiivi on ylikriittisen hiilidioksidin käyttämisellä yhdisteiden uuttamiseen kiinteästä aineesta, jolloin ei tarvita lainkaan öljypohjaisia liuottimia. Kyseessä on pitkään periaatteessa tunnettu menetelmä, jonka käytännöllinen merkitys on kuitenkin noussut vasta viime aikoina, kun liuottimia halutaan välttää ympäristösyistä. Riittävän kilpailukykyisten ratkaisujen kehittäminen on kuitenkin vaativaa, ja Kajaanin keskus on tässä pitkällä. Sen kehittämä jatkuvatoiminen hiilidioksidiuutto edustaa maailman kärkeä alalla.
Oulun yliopiston Ympäristö- ja kemiantekniikan yksikön Säätötekniikan tutkimusryhmässä puolestaan kehitetään muun muassa biojalostamomittauksia sekä data-analyysin ja optimoinnin menetelmiä, joista meille kertoi TkT Petri Österberg. Uudenlaisella data-analyysillä pyritään nykyään saamaan entistä enemmän tietoa irti monenlaisista suhteellisen yksinkertaisistakin mittauksista, jotka eivät alkeellisemmilla analyysimetodeilla paljastaneet ollenkaan niin paljon. Matemaattinen tutkimus siis tässäkin aihepiirissä vahvasti mukana siinä missä biologia, kemia ja fysiikkakin.
MIKES toimii myös Kajaanissa – tutkimustyötä tarjolla fyysikoille
Mittaustekniikan keskus MIKES on ollut jo erinäisiä vuosia Teknologian tutkimuskeskus VTT:n osa. VTT MIKESillä on Otaniemessä sijaitsevan erikoisrakenteisen keskuksensa lisäksi Kajaanissa entisen paperitehtaan alueella toimipiste, jota meille esittelivät tutkimustiimin päällikkö Rikhard Högström ja eri tutkimusalueiden asiantuntijat. Högström toivoisi tutkimustyöstä kiinnostuneita löytyvän kotimaasta runsaammin, kun otetaan huomioon, että ulkomaisia hakijoita on tarvittaessa tullut mukavasti ja monet ovat myös saaneet täältä hyvän tutkimustyöpaikan.
MIKESillä on lakimääräinen velvoite ylläpitää ja kehittää mittayksiköiden kalibrointia ja välittää osaamistaan teollisuuteen. Yritykset tuovat mittalaitteitaan MIKESiin kalibroitaviksi. Mittausten tarkkuusvaatimukset ovat nykyään usein erittäin korkeita, esimerkiksi GPS:n toiminta edellyttää atomikellon tarkkuutta. Kilogramma on kytketty Planckin vakioon ja Kelvin Boltzmannin vakioon. VTT MIKES pitää kansallisella tasolla huolta kansainvälisen SI-mittayksikköjärjestelmän ylläpidosta ja kehittämisestä. Kajaanissa kalibroitavat suureet ovat nestevirtaus, voima ja vääntömomentti.
Voiman kalibrointeja suoritetaan alueella 10 N – 1 MN, pienimmän mittausepävarmuuden ollessa 2×10-5. Kalibroitavia laitteita ovat muun muassa voima-anturit, voimanmittauslaitteet, vaa’at ja vetokoelaitteet. Vääntömomentin kalibrointeja alueella 4 Nm … 20 kNm, parhaimman mittauskyvyn ollessa 5 ×10–4. Kalibroitavia laitteita ovat muun muassa vääntömomenttianturit, vääntömomentin kalibrointi- ja testauslaitteet sekä momenttiavaimet. Momenttiantureita käytetään erilaisten pyörivien koneiden tutkimiseen, esimerkiksi pumput ja moottorit.
Nestevirtausmittareiden kalibrointia varten MIKESin rakennuksessa on suurikokoisia putkistoja ja säiliöitä, joiden välillä vettä voidaan juoksuttaa monenlaisilla paineilla ja nopeuksilla. Nestevirtausten tarkkaa mittaamista tarvitaan laajasti teollisuudessa. Säännöllinen kalibrointi ja stabiiliuden seuranta ovat oleellinen osa mittausten varmentamista. Korkea taso pidetään yllä osallistumalla alan kansainvälisiin tutkimus- ja vertailumittaushankkeisiin sekä toteuttamalla omia tutkimushankkeita. Kajaanin toimipisteessä käytetään kolmea eri kalibrointilaitteistoa, joista yksi on nestevirtauksen kansallinen mittanormaali. Kalibrointitulokset ovat jäljitettäviä kansainväliseen SI-mittayksikköjärjestelmään ja toiminta perustuu kansainvälisiin standardeihin. Entiset prosessitilat mahdollistavat suurien laitteistojen ja putkistojen sijoittamisen, esimerkiksi noin 8 m korkea voimanormaali ja nestevirtauksen mittanormaalin 20 metrin korkeudella oleva säiliö tilavuusvirta pidetään haluttuna.
Jenni Suonperä, Lauri Toivonen ja Ilkka Norros. Kuva: Lauri Toivonen.
Tieteen tietotekniikan keskuksen LUMI-supertietokone
MALin retken eksoottisin kohde oli tietenkin CSC:n uusi supertietokone. Sitä esitteli meille oululaislähtöinen projektipäällikkö Mikko Kerttula. LUMI on yksi EU:n supertietokonekonsortion EuroHPC1:n kuudesta superkoneesta. Konsortiossa on 10 maata ja sen budjetti on 202 M€, mistä Suomen osuus 50 M€. Kerttula kiittää CSC:n johtajaa Kimmo Koskea ripeydestä, jolla LUMI saatiin mukaan EU:n kilpailuun konsortion jäseniä valittaessa – jos olisi vitkuteltu, ainutlaatuinen tilaisuus olisi mennyt sivu suun. Kajaanissa on nyt saatu aivan uudentyyppistä suuren mittakaavan toimintaa lakkautetun paperitehtaan valtavalla kiinteistöllä, josta CSC:n isot konesalitkin täyttävät vasta pienehkön osan.
Teknologian kehityslinjoja pohtiessa on mielenkiintoista, että nykyisten supertietokoneiden perustana ovat alun perin tietokonegrafiikkaa eli varsin viihteellistä käyttöä varten suunnitellut GPU-prosessorit (graphics processing unit), joita organisoidaan tuhansittain toimimaan tehokkaasti rinnakkain. LUMIn laitetoimittaja on Hewlett Packard Enterprise (HPE), GPU-prosessorit AMD:n, ja näitä yhdistää HPE:n oma Sling Shot -väylä. Mainittakoon myös, että HPE on ostanut superlaskennan entisen mahtitekijän Crayn.
Moni muistanee Crayn pyöreää sohvaa muistuttavan designin takavuosilta. LUMI näyttää sen sijaan jotakuinkin samanlaiselta räkkirivistöltä kuin muutkin tietokonesalit. Kuten oheisista kuvista näkyy, sille on kuitenkin ymmärretty luoda esteettistä ykseyttä ja erityisyyttä valokuvien ja led-valojen avulla. Kokemus LUMIn näkemisestä teollisuushallissaan ja sen räkkien välissä kävelemisestä jää mieleen.
Kerttula erittelee suurelle datakeskukselle asetettavat vaatimukset seuraavasti:
- SÄHKÖÄ! sitä on saatava edullisesti ja luotettavasti; hinta neuvotellaan
pitkällä sopimuksella - hukkalämmön hyödyntäminen
- suurivolyymiset ja luotettavat datayhteydet
- henkilökunta
- laitevalmistajien läsnäolo
- tutkimus-, kehitys- ja innovaatiopartnereiden (RDI) läsnäolo.
Näissä Kajaani siis kunnostautui EU:n konsortion jäsenvalinnassa. LUMIn energiantarven on 10 MW, ja hukkalämmön käyttöaste (Energy Reuse Factor, ERF) on korkea, kun sitä hyödynnetään kaukolämpöjärjestelmässä. Vertailun vuoksi Kerttula mainitsee, että Googlen datakeskus Haminassa käyttää 200 MW, ja hukkalämpö menee mereen. Järeä peruskiinteistö (brownfield) oli vapaana tarjolla paperitehtaan jäljiltä.
CSC:n ylläpitämä FUNET-verkko on tehokas ja luotettavaksi suunniteltu, kestäen yksittäisten linkkien ja solmujen vikaantumisen ilman muun verkon häiriintymistä. Nopea yhteys Aallon ja VTT:n kvanttitietokoneeseen on jo olemassa. Nopeaa yhteyttä valmistellaan myös Far North Fiberiin (farnorthfiber.com), suureen datakaapeliin Pohjois-Norjasta Amerikan pohjoispuolitse Japaniin, jonka on määrä valmistua vuonna 2026.
Valtakunnan tasolla superlaskenta on jo monella dataintensiivisellä alalla hyvin käytössä, ja 20 prosenttia LUMIn kapasiteetista on varattu yritysten käyttöön. Kuten ylempänä tässä jutussa on ilmennyt, hyvien RDI-partnereiden paikallinenkin läsnäolo on kasvussa. CSC:llä työskentelee yli 600 henkilöä, Kajaanissa toki vain joitakin kymmeniä.
Esimerkkinä LUMIlla ajettavista jännittävistä hankkeista Kerttula mainitsee EU:n lippulaivaprojektin Destination Earth (destination-earth.eu), jonka tavoitteena on luoda Maan digitaalinen kaksonen suuren mittakaavan luonnonilmiöiden ja ihmisen toiminnan vaikutusten mallintamiseksi. •
1 The European High Peormance Computing Joint Undertaking
(EuroHPC JU, https://eurohpc-ju.europa.eu)
Ilkka Norros ja Esko Juuso