Beregningskemi skal også være bæredygtig, siger forskere

En forskelligartet gruppe af beregningskemikere opfordrer forskersamfundet til at omfavne et bæredygtigt software-økosystem. Det er budskabet bag en perspektivartikel offentliggjort i Journal of Chemical Theory and Computation . Forfatterne diskuterer mulige scenarier for, hvordan man udvikler software i lyset af et skiftende computerlandskab.

"Med mere computerkraft kan vi undersøge yderligere facetter af kemi," sagde Karol Kowalski, en beregningskemiker ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) og tilsvarende forfatter til papiret. "Jeg tror, ​​at computerkemi vil spille en enorm rolle i udviklingen af ​​vores forståelse af vigtige kemiske processer i det 21. århundrede. Vi kan bruge simuleringer til at hjælpe med at guide og scope eksperimentelle undersøgelser i en kraftfuld loop."

Databehandlingsparadigmer er i forandring, hvor storskala- og kvantesystemer dukker op som centrale for computerens fremtid. Disse nye teknologier vil give forskere mulighed for at løse forskellige og mere komplicerede kemiproblemer. Men med nye muligheder følger nye udfordringer, herunder at skabe integreret software, der problemfrit kan arbejde sammen.

Der er et stadigt stigende antal specialiserede kemisoftwarepakker rettet mod at løse specifikke typer problemer. Da spørgsmålene stillet af computerkemi fortsætter med at stige i kompleksitet, er forskere nødt til at bruge forskellige programmer til at løse dem. Kombineret med ændringerne af computerteknologier er feltet på et vigtigt tidspunkt for at se ind i fremtiden.

"Vi er nødt til at sikre, at vores tilgange fuldt ud kan bruge nye udviklinger inden for exascale-maskiner, cloud computing og kvantecomputere," sagde Kowalski. "Dette kræver planlægning for fremtiden og forudse de nye udfordringer, der vil opstå."

Hvad er bæredygtig software?

I artiklen definerede forfatterne bæredygtig software som et system af forskellige softwarepakker, der kan samles og bruges som et sammenhængende system til at tackle en bred vifte af kemiproblemer.

"Efterhånden som de spørgsmål, vi stiller, bliver mere komplicerede, så bliver processen for at finde egnede teknikker til at tackle dem," sagde Niri Govind, en PNNL-beregningskemiker og medforfatter af papiret. "Vi er nødt til at arbejde sammen på tværs af forskellige platforme for at skabe de mest meningsfulde resultater. For at gøre dette effektivt kræver det, at der etableres standarder for området."

Det beregningskemiske økosystem repræsenterer en værdifuld prøveplads for nye metoder. De problemer, som computerkemikere og deres software står over for, er ikke unikke for kemi - de kan findes på tværs af videnskabelige modelleringsbestræbelser. Som et af de mest etablerede beregningsmiljøer inden for videnskab har udviklingsteams konsekvent været i kontakt og samarbejdet gennem de seneste år.

Samarbejdsbestræbelser og videndeling er afgørende, fordi et enkelt problem ofte kræver brug af flere typer software for nøjagtigt at fange kompleksiteten af ​​systemer i den virkelige verden.

Forskerhold har ofte et snævert fokus, mens de udvikler software, som giver nye muligheder til at tackle specifikke problemer. Denne stadigt stigende økosystemkompleksitet fører til øget samarbejde, efterhånden som ekspertisen indsnævres.

Udformning af kemi med beregning

For ikke så længe siden tjente beregningskemi-simuleringer primært som validatorer af eksperimentelle resultater. Men efterhånden som computerkraften er steget, er beregningskemiens evne til ikke blot at validere, men til at løse komplekse problemer, til at vejlede og fortolke eksperimenter, og til at muliggøre forudsigelser.

Efterhånden som rækken af ​​viden, der kan opnås fra computerkemi, er blevet udvidet, har det kostet. Jo mere kompliceret en simulering er, jo mere regnekraft og tid er det nødvendigt for at nå frem til en løsning. Planlægning for fremtiden, hævder forfatterne, kræver at navigere i de stigende krav fra nye problemer, tilpasse sig kravene til næste generations computerarkitekturer og udvikle fuld interoperabilitet.

Medlemmer af Computational and Theoretical Chemistry Institute (CTCI) ved PNNL tackler denne udfordring gennem innovative, skalerbare løsninger på nuværende og fremtidige beregningsplatforme

"Gennem CTCI har vi etableret en institutionel ramme til at udvikle den næste generation af computerkemisoftware til computerfaciliteter i lederskabsklasse," sagde Sotiris Xantheas, CTCI-direktør og medforfatter af papiret.

"Ved at bruge en kombination af computervidenskabelige indsatser med nye videnskabelige værktøjer, kunstig intelligens og kvantecomputere er CTCI klar til at udvikle næste generations molekylære modelleringskapaciteter."

Workshop for bæredygtig software

Perspektivartiklen opstod fra diskussioner på 2022-workshoppen "Sustainable Computational Chemistry Software Development and Integration." Der diskuterede deltagerne softwareinfrastrukturbehov og -investeringer for at realisere det fulde potentiale af nye computerressourcer. Mødet samlede forskere fra hele computerkemisamfundet.

Under workshopdiskussionerne indså udviklerne, at de konsekvent stod over for lignende problemer ved at tilpasse sig nye computerressourcer og udvikle integrerbar software. Individuelle teams indså, at de kunne trække på erfaringer fra andre, der allerede har fundet løsninger på nye problemer.

PNNL-forskere har fortsat disse samtaler og arbejder tæt sammen med akademiske, National Laboratory og industripartnere for at skabe innovative nye værktøjer til videnskabelig opdagelse gennem projekter såsom TEC ⁴ (Overførsel af Exascale Computational Chemistry til Cloud Computing Environment og nye hardwareteknologier).

Forfatterne var enige om, at bæredygtig softwareudvikling tillader feltet at bevæge sig hurtigere over hele linjen uden at kræve, at forskere konsekvent genopfinder eksisterende rettelser. Denne strategi gør investeringer mere effektive, da samarbejde også bygger broer til intern sammenhæng på tværs af forskellige programmer. Forfatterne anerkender behovet for fortsat tilpasning af software til at imødekomme både videnskabelige behov og hardwarebehov.

"Dette arbejde kommer fra vores nuværende perspektiv," sagde Govind. "Dette er ikke en statisk plan. Vi skal alle være parate til at omfavne nye og udviklende synspunkter."

Flere oplysninger: Rosa Di Felice et al., A Perspective on Sustainable Computational Chemistry Software Development and Integration, Journal of Chemical Theory and Computation (2023). DOI:10.1021/acs.jctc.3c00419

Leveret af Pacific Northwest National Laboratory