Чтобы к 2050 году исключить влияние человека на климат, Евросоюз запустил две амбициозные программы: Green Deal и DigitalStrategy. Ключевой составляющей их успешной реализации станет инициатива Destination Earth, которая должна стартовать в середине 2021 года и рассчитана на десять лет. В течение этого времени планируется создать цифровую модель Земли (ее «цифровой двойник»), которая призвана как можно точнее отразить характер климатического развития и экстремальных явлений в пространстве и времени. Цифровой двойник (digital twin) будет постоянно пополняться данными наблюдений, с тем чтобы обеспечить более точный мониторинг эволюции и прогнозирование возможных будущих изменений. В дополнение к данным, традиционно используемым для моделирования погоды и климата, исследователи хотят интегрировать в модель информацию о соответствующей деятельности человека. Новая модель будет максимально реалистично представлять все процессы, в том числе и связанные с влиянием человека на управление водой, продовольствием и энергией, а также процессы в физическом контуре Земли.

Цифровой двойник Земли призван стать системой для разработки и тестирования сценариев устойчивого развития. Если, к примеру, в Нидерландах планируется строительство двухметровой дамбы, в цифровом двойнике можно проверить, будет ли она обеспечивать надлежащую защиту в 2050 году. Цифровой двойник будет использоваться также для стратегического планирования, а также планирования поставок пресной воды и продовольствия или строительства ветряных и солнечных электростанций. Чтобы добиться успеха в цифровой революции, нужно обеспечить связь наук о земле с компьютерными науками. Пионерами моделирования физических процессов на самых мощных в мире компьютерах были метеорологи. Исследователи убеждены, что современные модели погоды и климата идеально подходят для определения совершенно новых способов эффективного использования суперкомпьютеров для многих других научных дисциплин. Климатические модели объединяют широкий набор физических процессов, но не учитывают мелкомасштабные процессы, которые необходимы для точных прогнозов погоды. А модели погоды не охватывают столь широкий круг разнообразных процессов. Цифровой двойник объединит обе эти области и позволит с высоким уровнем детализации моделировать процессы всей земной системы.

Но для этого коды программ должны быть адаптированы к новым технологиям, обещающим значительно более высокую вычислительную мощность. Имеющиеся сегодня компьютеры и алгоритмы не позволяют осуществлять моделирование с планируемым высоким уровнем детализации в 1 км. Ранее на протяжении многих лет климатические исследования могли получать более высокую производительность новых поколений процессоров без фундаментального изменения программ. Но около 10 лет назад этот прирост производительности прекратился. И сегодня программы могут использовать лишь 5% пиковой вычислительной мощности обычных процессоров. Сегодня аппаратные средства и алгоритмы необходимо разрабатывать совместно и одновременно. Следует также отделить код программ, предназначенных для решения научной задачи, от кода, оптимально выполняющего вычисления на соответствующей системной архитектуре. Это позволит быстрее и эффективнее переходить к новым архитектурам.

Большой потенциал исследователи видят также в искусственном интеллекте, который позволяет ускорить моделирование и отфильтровывать наиболее важную информацию из больших объемов данных. Использование машинного обучения не только сделает вычисления более эффективными, но и поможет точнее описывать физические процессы.

Среди компьютерных архитектур, доступных сегодня и ожидаемых в ближайшем будущем, наиболее перспективным вариантом представляются суперкомпьютеры на базе графических процессоров. По подсчетам исследователей, для полномасштабной работы цифрового двойника понадобится система примерно с 20 тыс. графических процессоров, потребляющая около 20 мегаватт электроэнергии.