Przełomowa inicjatywa Departamentu Energii i firmy Microsoft ma na celu przekształcenie obliczeń naukowych za pomocą technologii chmury, oferując szybsze i bardziej wszechstronne narzędzia do chemii obliczeniowej i badań środowiskowych.
Niektóre wyzwania obliczeniowe są tak ogromne, że wymagają kompleksowego podejścia. Zróżnicowany zespół naukowców i ekspertów w dziedzinie informatyki, kierowany przez Laboratorium Krajowe Pacific Northwest (PNNL) Departamentu Energii, wraz z firmą Microsoft oraz innymi krajowymi laboratoriami i uniwersytetami, pracuje nad udostępnieniem najnowocześniejszych zasobów przetwarzania w chmurze szerszemu gronu odbiorców.
Wysiłek ten opisano w artykule opublikowanym dzisiaj (21 października) w recenzowanym czasopiśmie Journal of Chemical Physicszapewnia plan działania prowadzący do przeniesienia naukowych zasobów obliczeniowych do zrównoważonego ekosystemu, który ewoluuje wraz z postępem technologii. Badanie to pokazuje, że przetwarzanie w chmurze stanowi elastyczne i wydajne uzupełnienie potężnych, wysokowydajnych obiektów obliczeniowych, które od dawna są niezbędne w badaniach naukowych.
„To zupełnie nowy paradygmat obliczeń naukowych” – powiedział chemik obliczeniowy PNNL Karol Kowalski, który kierował interdyscyplinarnym wysiłkiem. „Pokazaliśmy, że możliwe jest łączenie oprogramowania w formie usługi z zasobami chmury obliczeniowej. Ten wstępny dowód słuszności koncepcji pokazuje, że przetwarzanie w chmurze może zapewnić szereg opcji uzupełniających i uzupełniających obliczenia o wysokiej wydajności w celu rozwiązywania złożonych problemów naukowych”.
Rewolucjonizuje chemię dzięki technologii chmury
Chmura wykroczyła daleko poza miejsce przechowywania archiwum zdjęć i dokumentów. Branża komputerowa zaczęła dostarczać obliczenia jako usługę między innymi firmom finansowym i farmaceutycznym. W ramach tej inicjatywy zespół badawczy skupił się na przeniesieniu do chmury intensywnych obliczeniowo algorytmów stosowanych do określenia wykonalności proponowanych nowych chemikaliów dla przemysłu, zaawansowanych polimerów, powłok powierzchniowych i wielu innych zastosowań.
Inicjatywa tzw Przenoszenie eksaskalowej chemii obliczeniowej do środowiska przetwarzania w chmurze i nowych technologii sprzętowych (TEC4)opiera się na impulsie społeczności chemii obliczeniowej, aby przenieść zasoby obliczeniowe do użytkowników, uznając potrzebę ciągłego dostosowywania oprogramowania, aby spełniało zarówno potrzeby naukowe, jak i ewolucję sprzętu.
W swoim najnowszym artykule perspektywicznym zespół przedstawia informacje i dane techniczne na temat wydajności zarówno starszych algorytmów obliczeniowych, takich jak popularne oprogramowanie NWChem opracowane pierwotnie w PNNL, jak i najnowszego oprogramowania zaprojektowanego do wykorzystania najbardziej zaawansowanych architektur jednostek przetwarzania graficznego (GPU). . Wyniki pokazały, że szybkość i elastyczność przetwarzania w chmurze otwiera drzwi do ukończenia zaawansowanych procesów chemii obliczeniowej w ciągu dni zamiast miesięcy.
Wspólne wysiłki na rzecz szybkiego odkrywania
„Celem firmy Microsoft jest umożliwienie społeczności naukowej przyspieszenia odkryć naukowych” — powiedział Nathan Baker, lider produktu Azure Quantum Elements firmy Microsoft. „Ta współpraca z PNNL jest doskonałym przykładem tego, jak nowoczesna sztuczna inteligencja[[sztuczna inteligencja]a narzędzia HPC mogą przyspieszyć rozwój chemii obliczeniowej.”
W ciągu ostatniej dekady chemia obliczeniowa wykazała, że potrafi nie tylko rozwiązywać złożone wyzwania naukowe, ale także kierować i interpretować eksperymenty, a ostatecznie umożliwiać przewidywanie. Zasoby dostępne w DOE najlepiej radzą sobie z najbardziej złożonymi z tych wyzwań przywódcze zaplecze obliczeniowew szczególności obliczenia eksaskalowe możliwości.
Wraz z postępem narzędzi i technik rośnie czas i koszt znalezienia rozwiązania. Zespół kierowniczy w TEC4 uznało, że przetwarzanie w chmurze i współpraca branżowa zapewniły możliwość dostępu do zasobów obliczeniowych w celu szerszego zakresu rozwiązywania problemów.
Budowa zrównoważonego ekosystemu obliczeniowego
Na przykład zespół wykorzystał platformę Microsoft Azure i zaawansowane przepływy pracy do zbadania dynamiki molekularnej złożonych problemów chemicznych. Symulacje te są przydatne do badania złożonych reakcji, które są trudne do zaobserwowania eksperymentalnie. To potężne narzędzie służące do badania interakcji molekularnych na poziomie atomowym wymaga znacznych zasobów obliczeniowych ze względu na swoją złożoność. W tym przypadku zespół badawczy zademonstrował ścieżkę prowadzącą do rozkładu trwałej substancji zanieczyszczającej środowisko, perfluorooktanowej kwas. To przykład tego, jak chemię obliczeniową można wykorzystać do projektowania rzeczywistych strategii rekultywacji środowiska.
„Wyobrażamy sobie ekosystem przypadków użycia, od zadań niskiego do wyższego poziomu, które wykorzystują obliczenia oparte na procesorach graficznych, obecnie szeroko stosowane w sztucznej inteligencji i uczenie maszynowe wniosków” – powiedział Kowalski. „Chcemy umożliwić użytkownikom korzystanie z różnych warstw mocy obliczeniowej, płacąc tylko za to, co jest potrzebne i łącząc oprogramowanie z dostępem do mocy obliczeniowej. To pierwszy krok w kierunku tego przyszłego stanu.”
Zespół aktywnie rekrutuje nowych współpracowników zarówno po stronie programisty, jak i użytkownika, aby zbudować bazę użytkowników w celu przetestowania nowego ekosystemu chmury.
„Budujemy rodzinę kodów” – dodał Kowalski. „Celem jest zbudowanie społeczności wokół tego wysiłku”.
W tym kontekście zespół przedstawia swój plan przeszkolenia kadry studentów biegłych w posługiwaniu się tymi narzędziami, co pomoże zaspokoić zapotrzebowanie na naukowców potrafiących przenieść techniki obliczeniowe w przyszłość. Współpraca zaowocowała powstaniem nowego kursu oferowanego na Uniwersytecie Teksasu w El Paso, przy współpracy z Central Michigan University i PNNL, który rozpocznie się jesienią 2024 r.
Referencja: „Symulacje struktury elektronicznej w środowisku przetwarzania w chmurze” 21 października 2024 r., Journal of Chemical Physics.
DOI: 10.1063/5.0226437
Badania były wspierane głównie przez TEC4finansowany przez Biuro Naukowe DOE, program Podstawowych Nauk o Energii, Wydział Nauk Chemicznych, Nauk o Ziemi i Nauk Biologicznych. Dodatkowego wsparcia zapewnił Departament Obrony Strategiczny Program Badań i Rozwoju Środowiska oraz wewnętrzne inwestycje PNNL. Do opracowania NWChem, NWChemEx i Arrows wykorzystano również zasoby Laboratorium Nauk Molekularnych Środowiska, placówki użytkownika DOE zlokalizowanej w PNNL, oraz Narodowego Centrum Obliczeniowego Naukowego Badań nad Energią, placówki użytkownika DOE zlokalizowanej w Lawrence Berkeley National Laboratory.
Kilku autorów PNNL jest członkami Instytutu Chemii Obliczeniowej i Teoretycznej PNNL (CTCI), który przyspiesza rozwój oprogramowania i metod chemicznych w celu rozwiązywania kluczowych wyzwań w obszarach misji, takich jak odkrycia naukowe na rzecz zrównoważonej energii. Przyspieszając integrację tworzenia oprogramowania chemicznego z wysiłkami z zakresu informatyki, obliczenia kwantowenowatorskie zbiory danych i narzędzia nauki o danych, takie jak sztuczna inteligencja i uczenie maszynowe, CTCI przyczynia się do rozwoju możliwości modelowania molekularnego nowej generacji.
