La computación en la nube captura el código químico y ofrece potencial para abordar las necesidades energéticas urgentes

Algunos desafíos informáticos son tan grandes que es necesario hacer todo lo posible. Ese es el enfoque que está adoptando un equipo diverso de científicos y expertos en informática dirigido por el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico del Departamento de Energía, junto con colegas de Microsoft y otros laboratorios y universidades nacionales. democratizar el acceso a los recursos emergentes de computación en la nube.

El esfuerzo, descrito en La revista de física químicaproporciona una hoja de ruta para trasladar los recursos informáticos científicos a un ecosistema sostenible que evoluciona a medida que avanza la tecnología. El equipo de investigación demostró que la computación en la nube proporciona un complemento ágil y ágil a las potentes instalaciones informáticas de liderazgo que han sido los caballos de batalla de la informática científica durante décadas.

«Este es un paradigma completamente nuevo para la computación científica», dijo el químico computacional del PNNL Karol Kowalski, quien dirigió el esfuerzo interdisciplinario.

«Hemos demostrado que es posible combinar software como un servicio con recursos de computación en la nube. Esta prueba de concepto inicial muestra que la computación en la nube puede proporcionar un menú de opciones para complementar y suplementar la computación de alto rendimiento para resolver problemas científicos complejos».

Software sostenible en la nube

La nube ha ido mucho más allá de un lugar donde almacenar un archivo de fotografías y documentos. La industria informática ha pasado a ofrecer computación como servicio a empresas financieras y farmacéuticas, entre otras industrias. En esta iniciativa, el equipo de investigación se centró en trasladar a la nube algoritmos computacionales intensivos utilizados para determinar la viabilidad de nuevos productos químicos propuestos para la industria, polímeros avanzados, recubrimientos de superficies y una serie de otras aplicaciones.

La iniciativa, denominada Transferencia de química computacional a exaescala al entorno de computación en la nube y tecnologías de hardware emergentes (TEC⁴)se basa en impulso desde dentro de la comunidad de química computacional trasladar los recursos informáticos a los usuarios, reconociendo la necesidad de una adaptación continua del software para satisfacer tanto las necesidades científicas como la evolución del hardware.

En su artículo de perspectiva, el equipo proporciona información y datos técnicos sobre el rendimiento de los algoritmos informáticos heredados, como el popular software NWChem desarrollado originalmente en PNNL, y el software más reciente diseñado para explotar las arquitecturas de unidades de procesamiento de gráficos (GPU) más avanzadas.

Sus resultados mostraron que la velocidad y agilidad de la computación en la nube abre puertas para completar flujos de trabajo de química computacional avanzada en días en lugar de meses.

«El objetivo de Microsoft es capacitar a la comunidad científica para acelerar los descubrimientos científicos», afirmó Nathan Baker, líder de producto de Azure Quantum Elements de Microsoft. «Esta colaboración con PNNL es un gran ejemplo de cómo la IA moderna [artificial intelligence] y las herramientas HPC pueden hacer avanzar la química computacional».

Satisfacer una necesidad urgente de soluciones energéticas

Durante la última década, la química computacional ha demostrado su capacidad no sólo para resolver desafíos científicos complejos, sino también para guiar e interpretar experimentos y, en última instancia, permitir predicciones. Los más complejos de estos desafíos se resuelven mejor con los recursos disponibles en las instalaciones informáticas líderes del DOE, en particular las capacidades informáticas de exaescala.

A medida que las herramientas y técnicas han avanzado, también lo han hecho el tiempo y el costo para llegar a una solución. El equipo directivo del TEC⁴ reconoció que la computación en la nube y la colaboración de la industria brindaban la oportunidad de acceder a recursos informáticos para una variedad más amplia de resolución de problemas.

Por ejemplo, el equipo utilizó Microsoft Azure y flujos de trabajo sofisticados para investigar la dinámica molecular de problemas químicos complejos. Estas simulaciones son útiles para estudiar reacciones complejas que son difíciles de observar experimentalmente.

Esta poderosa herramienta, utilizada para investigar interacciones moleculares a nivel atómico, requiere importantes recursos computacionales debido a su complejidad. Aquí, el equipo de investigación demostró una vía para descomponer el ácido perfluorooctanoico, un contaminante ambiental persistente. Es un ejemplo de cómo se puede utilizar la química computacional para diseñar estrategias del mundo real en la remediación ambiental.

«Prevemos un ecosistema de casos de uso desde trabajos de bajo nivel hasta trabajos de alto nivel que aprovechen la informática basada en GPU que ahora se utiliza ampliamente para aplicaciones de inteligencia artificial y aprendizaje automático», dijo Kowalski.

«Queremos permitir que los usuarios aprovechen diferentes capas de computación, pagando sólo por lo que necesitan y combinando software con acceso a la computación. Este es el primer paso hacia ese estado futuro».

Un ecosistema de computación en la nube

El equipo está reclutando activamente nuevos colaboradores tanto del lado del desarrollador como del lado del usuario para construir una base de usuarios para probar el nuevo ecosistema de la nube.

«Estamos construyendo una familia de códigos», añadió Kowalski. «El objetivo es construir una comunidad en torno a este esfuerzo».

En ese sentido, el equipo describe su plan para capacitar a un grupo de estudiantes que dominen el uso de estas herramientas y ayudará a satisfacer la necesidad de científicos capaces de trasladar las técnicas computacionales al futuro. La colaboración ha dado lugar a un nuevo curso ofrecido en la Universidad de Texas en El Paso, con la Universidad Central de Michigan y PNNL como colaboradores a partir del otoño de 2024.