Newswise — РИЧЛЕНД, Вашингтон. — Некоторые вычислительные задачи настолько сложны, что приходится идти ва-банк. Именно такой подход использует разнообразная группа ученых и экспертов по вычислительной технике во главе с Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией Министерства энергетики вместе с коллегами из Microsoft и других компаний. национальные лаборатории и университеты предпринимают усилия по демократизации доступа к появляющимся ресурсам облачных вычислений.

Эти усилия, изложенные в недавней публикации в рецензируемом журнале, представляют собой дорожную карту для перемещения научных вычислительных ресурсов в устойчивую экосистему, которая развивается по мере развития технологий. Исследовательская группа продемонстрировала, что облачные вычисления обеспечивают гибкое и гибкое дополнение к мощным вычислительным мощностям, которые на протяжении десятилетий были «рабочими лошадками» научных вычислений.

«Это совершенно новая парадигма научных вычислений», — сказал вычислительный химик PNNL Карол Ковальски, возглавлявший междисциплинарные усилия. «Мы показали, что возможно объединить программное обеспечение как услугу с ресурсами облачных вычислений. Эта первоначальная проверка концепции показывает, что облачные вычисления могут предоставить набор опций, дополняющих и дополняющих высокопроизводительные вычисления для решения сложных научных задач».

Устойчивое программное обеспечение в облаке

Облако вышло далеко за пределы места, где можно хранить архив фотографий и документов. Компьютерная индустрия перешла к предоставлению вычислений как услуги финансовым и фармацевтическим компаниям, а также другим отраслям. В рамках этой инициативы исследовательская группа сосредоточилась на переносе в облако интенсивных вычислительных алгоритмов, используемых для определения осуществимости предлагаемых новых химических веществ для промышленности, современных полимеров, поверхностных покрытий и множества других приложений.

Инициатива под названием «Перенос экзафлопсной вычислительной химии в среду облачных вычислений и новые аппаратные технологии» (TEC)⁴), опирается на импульс сообщества вычислительной химии по переносу вычислительных ресурсов пользователям, признавая необходимость постоянной адаптации программного обеспечения для удовлетворения как научных потребностей, так и развития аппаратного обеспечения.

В своей последней перспективной статье команда предоставляет информацию и технические данные о производительности как устаревших вычислительных алгоритмов, таких как популярное программное обеспечение NWChem, первоначально разработанное в PNNL, так и новейшее программное обеспечение, разработанное для использования самых передовых архитектур графических процессоров (GPU). . Их результаты показали, что скорость и гибкость облачных вычислений открывают возможности для выполнения сложных рабочих процессов в области вычислительной химии за дни, а не за месяцы.

«Цель Microsoft — предоставить научному сообществу возможность ускорить научные открытия», — сказал Натан Бейкер, руководитель отдела продуктов Microsoft Azure Quantum Elements. «Это сотрудничество с PNNL — отличный пример того, как современный ИИ [artificial intelligence] а инструменты HPC могут способствовать развитию вычислительной химии».

Удовлетворение острой потребности в энергетических решениях

За последнее десятилетие вычислительная химия продемонстрировала свою способность не только решать сложные научные задачи, но и направлять и интерпретировать эксперименты и, в конечном итоге, делать прогнозы. Наиболее сложные из этих задач лучше всего решаются с помощью ресурсов, доступных на ведущих вычислительных мощностях Министерства энергетики, особенно с возможностями экзафлопсных вычислений.

По мере развития инструментов и методов растёт время и стоимость поиска решения. Руководящий состав ТЭК⁴ признали, что облачные вычисления и отраслевое сотрудничество дают возможность получить доступ к вычислительным ресурсам для решения более широкого круга задач.

Например, команда использовала Microsoft Azure и сложные рабочие процессы для исследования молекулярной динамики сложных химических задач. Такое моделирование полезно для изучения сложных реакций, которые трудно наблюдать экспериментально. Этот мощный инструмент, используемый для исследования молекулярных взаимодействий на атомном уровне, из-за своей сложности требует значительных вычислительных ресурсов. Здесь исследовательская группа продемонстрировала путь к разрушению стойкого загрязнителя окружающей среды перфтороктановой кислоты. Это пример того, как вычислительная химия может использоваться для разработки реальных стратегий восстановления окружающей среды.

«Мы представляем себе экосистему сценариев использования от низкоуровневых до высокоуровневых должностей, в которых используются преимущества вычислений на базе графических процессоров, которые сейчас широко используются для приложений искусственного интеллекта и машинного обучения», — сказал Ковальски. «Мы хотим позволить пользователям пользоваться преимуществами различных уровней вычислений, платя только за то, что необходимо, и объединяя программное обеспечение с доступом к вычислениям. Это первый шаг к этому будущему состоянию».

Экосистема облачных вычислений

Команда активно набирает новых сотрудников как со стороны разработчиков, так и со стороны пользователей, чтобы создать базу пользователей для тестирования новой облачной экосистемы.

«Мы создаем семейство кодов», — добавил Ковальски. «Цель состоит в том, чтобы построить сообщество вокруг этих усилий».

В соответствии с этим команда излагает свой план по подготовке группы студентов, которые владеют этими инструментами и помогут удовлетворить потребность в ученых, способных продвигать вычислительные методы в будущее. Сотрудничество привело к созданию нового курса, предлагаемого в Техасском университете в Эль-Пасо при участии Университета Центрального Мичигана и PNNL, начиная с осени 2024 года.

Полный список авторов и финансовой поддержки доступен здесь..

Исследование было в первую очередь поддержано TEC.⁴который финансируется Управлением науки Министерства энергетики США, программой фундаментальных энергетических наук, отделом химических наук, наук о Земле и биологических наук. Дополнительная поддержка была оказана Программой стратегических экологических исследований и разработок Министерства обороны и внутренними инвестициями PNNL. При разработке NWChem, NWChemEx и Arrows также использовались ресурсы Лаборатории молекулярных наук окружающей среды, пользовательского центра Министерства энергетики, расположенного в PNNL, и Национального вычислительного центра энергетических исследований, пользовательского центра Министерства энергетики, расположенного в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.

Несколько участников PNNL являются членами Института вычислительной и теоретической химии PNNL (CTCI), который ускоряет разработку химического программного обеспечения и методов для решения важнейших задач в таких областях миссии, как научные открытия в области устойчивой энергетики. Ускоряя интеграцию разработки программного обеспечения для химии с усилиями в области информатики, квантовыми вычислениями, новыми наборами данных и инструментами обработки данных, такими как искусственный интеллект и машинное обучение, CTCI продвигает развитие возможностей молекулярного моделирования следующего поколения.

# # #

О ПННЛ

Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория использует свои сильные стороны в области химии, наук о Земле, биологии и науки о данных для продвижения научных знаний и решения проблем в области устойчивой энергетики и национальной безопасности. Основанная в 1965 году, PNNL управляется Баттеллом для Управления науки Министерства энергетики, которое является крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах. Научный отдел Министерства энергетики США работает над решением некоторых из наиболее острых проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите https://www.energy.gov/science/. Для получения дополнительной информации о PNNL посетите центр новостей PNNL. Следуйте за нами ТвиттерFacebook, LinkedIn и Instagram.