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Atualização: 21/05/2008
Em face aos grandes desafios enfrentados pela sociedade, há uma crescente busca pela aplicação de resultados científicos na tentativa de se obter soluções viáveis. A complexidade dos problemas tem exigido esforços conjuntos de diferentes áreas de conhecimento que cooperam e colaboram, trocando informações e experiências para a concepção de soluções. A quantidade de dados digitais sobre os diferentes tipos de fenômenos tem crescido e tem a tendência de permanecer crescendo, demandando o uso de recursos computacionais de alto desempenho e novos meios de manipulação, processamento e análise. A missão do INPE é atender as demandas da sociedade através do desenvolvimento das ciências, tecnologias e aplicações espaciais. Assim, enfrenta os grandes desafios comuns às áreas científicas que demandam processamento de alto desempenho, de análise e de manipulação de grandes volumes de dados utilizados na concepção de modelos computacionais de fenômenos complexos que podem demandar a integração de áreas de conhecimento diferentes.
Com base no exposto acima, os seguintes tópicos delineiam-se como temas em desenvolvimento na área de computação e matemática aplicada como realizado pelo LAC.
Processamento, manipulação, exploração e análise avançada de dados
Processamento de alto desempenho
Modelagem computacional de sistemas complexos e não-lineares
Desenvolvimento de métodos e sistemas computacionais completos, com qualidade, corretos, seguros e persistentes
As diversas áreas de conhecimento têm se beneficiado enormemente dos avanços tecnológicos na área digital e de sensores, que têm permitido a construção de meios de aquisição de informação cada vez mais precisos gerando grandes volumes de dados que precisam ser armazenados, manipulados e tratados, para serem processados e permitir a extração de informação para geração de conhecimento. O crescimento de bases de dados demanda novos e avançados recursos computacionais e métodos de análise eficientes que possam automaticamente produzir informações adequadas para os tomadores de decisão, qualquer que seja a área de conhecimento ou aplicação. Apresenta-se assim, um grande desafio para a área de computação e matemática aplicada: o desenvolvimento de novos algoritmos, métodos e soluções avançadas para manipulação, exploração e processamento de dados.
O INPE é uma das instituições que lidam intensamente com o problema da existência de grandes volumes de dados - coletados por diferentes tipos de sensores, nas áreas de ciências, tecnologias e aplicações espaciais - gerando uma grande demanda por novos métodos, modelos e algoritmos, baseados em técnicas numéricas, estocásticas e adaptáveis. Estas atividades demandam, em sua maioria, recursos de processamento de alto desempenho, para armazenamento, tratamento, processamento e extração da informação, de maneira automatizada, viabilizando o uso dessas informações para responder às necessidades e os desafios específicos das áreas de aplicações.
Para atender estas demandas no escopo do INPE, área de computação e matemática aplicada realiza pesquisas teóricas e aplicadas para desenvolver soluções inteligentes e eficientes que permitam a redução, o gerenciamento, a integração e a disseminação de informações, muitas vezes heterogêneas, provenientes de diferentes fontes, assim como o processamento dos dados, com o objetivo de facilitar a extração e a interpretação das informações úteis para as áreas de ciências, tecnologias e aplicações espaciais.
Na área espacial, em particular nas aplicações espaciais, existem diferentes atividades que podem se beneficiar com as possibilidades que as redes de pesquisa em ambientes computacionais colaborativos podem gerar. Pela complexidade de instalação dessas redes e pela necessidade de extração do conhecimento, em particular para a modelagem computacional, a partir dos grandes volumes de dados, estas atividades demandam recursos com alto poder de processamento. A computação de alto desempenho é a subárea de conhecimento em computação que responde às estas necessidades permitindo a exploração e integração eficiente das áreas.
O INPE, devido ao seu papel de liderança na condução das atividades espaciais no país, deve responder aos grandes desafios da sociedade, sendo um dos principais atores do cenário científico nacional que pode integrar-se ou ser um nó coordenador na formação de redes de pesquisa subsidiadas por computação de alto desempenho.
O LAC tem competências para atender à demanda pelo desenvolvimento e exploração eficiente das possibilidades de processamento paralelo existentes, das máquinas multiprocessadas aos sistemas integrados pela formação de grades (grids) computacionais; com o objetivo de atender às necessidades de integração de centros de alto desempenho que podem estar instalados em diferentes locais (no Brasil e/ou exterior).
Tais recursos são fundamentais para a obtenção de modelos que requeiram novos desafios no desenvolvimento e aplicação de técnicas computacionais avançadas, modelos e algoritmos adaptáveis, integrando conhecimento de diferentes abordagens computacionais, matemáticas e estocásticas, através do uso de grandes bases de dados.
As demandas por compreensão e previsão de fenômenos associados às ciências, tecnologias e aplicações espaciais, demandam a construção de modelos completos e integrados que sejam cada vez mais aderentes à realidade, exigindo necessariamente novas abordagens, multi e interdisciplinares, que possam gerar soluções para problemas desafiadores, que envolvem grandes volumes de dados e para os quais ainda não existem soluções analíticas.
Essa demanda exige um aumento expressivo de pesquisas e desenvolvimento de modelos, métodos avançados, algoritmos, ferramentas e recursos computacionais para a caracterização e modelagem de sistemas complexos e não-lineares de diferentes naturezas, integrando dados provenientes de diferentes sensores em diferentes escalas espaço-temporais.
A modelagem computacional avançada contribui significativamente para o desenvolvimento de ferramental para simulação, processamento, análise e estudos de fenômenos complexos e não-lineares usando abordagens adaptáveis e avançadas, respondendo ao desafio de combinar equações diferenciais, modelos estocásticos, inteligência computacional e métodos numéricos e computacionais, para caracterizar e representar fenômenos físicos complexos, que exibem e possuem características e propriedades dinâmicas, caóticas e aleatórias.
Isto permite a construção de soluções que integram dados e modelos parciais diferentes, na geração de modelos mais globais e aderentes à realidade, que permitam o estudo e a investigação de problemas ainda não tratados, por serem complexos e/ou por envolverem grandes volumes de dados.
Estes desafios constituem as demandas em que as ferramentas de computação avançada e de matemática aplicada podem contribuir significativamente na busca pela obtenção de modelos computacionais avançados e mais realistas.
Tais modelos também demandam novas soluções das tecnologias de computação voltadas para o processamento e análise de dados e informações. Em adição deve-se considerar que os dados são transmitidos e distribuídos em redes vulneráveis às ações mal-intencionadas demandando soluções capazes de prever e identificar estas ações de forma a garantir sua integridade. Além disso, vê-se a necessidade da manutenção e atualização de infraestrutura computacional avançada, que permita a construção colaborativa dos modelos em tempo real e a representação gráfica em ambientes computacionais de simulação e/ou de visualização gráfica.
Enfim, a área de modelagem computacional exige grandes avanços da ciência da computação, da física e da matemática aplicada na geração de soluções de análise, processamento e representações que permitam o suporte à tomada de decisão.
Existe uma demanda crescente na sociedade pelo desenvolvimento de sistemas de tecnologia da informação para uso contínuo, que apresentem características de completude, segurança e tolerância a falhas. Estas características também são demandadas nas ciências e aplicações espaciais que requerem a construção de sistemas de software seguros e confiáveis, e que atendam às exigências e restrições associadas às suas especificidades técnicas e aos modelos de desenvolvimento estabelecidos internacionalmente que estabelecem padrões de desenvolvimento que servem como indicadores para a medição da qualidade dos sistemas concebidos.
As necessidades de software da área espacial, junto com os desenvolvimentos da tecnologia digital, geram uma demanda pela concepção e exploração de novos métodos e técnicas de desenvolvimento de sistemas de software com as características, exigências e restrições para gerar sistemas de software seguros, adaptáveis, completos, confiáveis e adequados para as aplicações embarcadas; para o funcionamento dos sistemas de controle e rastreio; para a construção de simuladores e de modelos computacionais de fenômenos espaciais; para o teste e integração de satélites e dispositivos espaciais; para o desenvolvimento de aplicações que usam dados coletados por satélites integrados com dados de redes de observação em terra; e para explorar as características providas pelas possibilidades dos sistemas de hardware atuais e futuros, como modularidade e processamento paralelo.
Além da necessidade de se conceber e desenvolver novas abordagens e métodos para o desenvolvimento de software há uma necessidade crescente de se realizar e documentar todos os processos e atividades relacionadas com os desenvolvimentos de sistemas de software. Estas atividades, no entanto, precisam ser adequadas e adaptadas às necessidades para aferição de qualidade dos sistemas desenvolvidos, no âmbito internacional, permitindo assim a possibilidade da participação em mercados externos na área espacial, seja de forma comercial ou na distribuição gratuita de sistemas de software. O uso de abordagens inovadoras e padrões estabelecidos internacionalmente, em especial para a área espacial, podem garantir uma projeção diferenciada no cenário de desenvolvimento de software.
Neste sentido o LAC tem competências para atender Assim, há nas ciências, tecnologias e aplicações espaciais, uma grande demanda por novas pesquisas de modelos e métodos de tecnologias de desenvolvimento, teste e validação, que resultem em sistemas de software robustos, seguros, confiáveis, completos e adaptáveis, que possam atender as especificidades e restrições cada vez mais complexas da área espacial, permitindo que estas soluções possam ser evoluídas sem perdas de características.
