La supercomputadora más poderosa del mundo ha subido el listón para calcular el número de átomos en una simulación de dinámica molecular que es 1.000 veces más grande y más rápida que cualquier simulación anterior de este tipo.
La simulación fue realizada por un equipo de investigadores de la Universidad de Melbourne, el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía, AMD y QDX que utilizaron la supercomputadora Frontier para calcular la dinámica de más de 2 millones de electrones.
Además, es la primera simulación de química cuántica resuelta en el tiempo que supera un exaflop (más de un quintillón, o mil billones de cálculos por segundo) utilizando aritmética de doble precisión. Para la aritmética se requieren 16 decimales provistos de doble precisión, pero para muchos problemas científicos se requiere precisión adicional. Además de establecer un nuevo estándar, el logro también proporciona un modelo para desarrollar algoritmos para resolver problemas científicos más grandes y complejos utilizando supercomputadoras de exaescala de primer nivel.
«Esto supone un punto de inflexión para muchas áreas de la ciencia, pero especialmente para el descubrimiento de fármacos utilizando la mecánica cuántica de alta precisión», afirmó Giuseppe Barca, profesor asociado y programador de la Universidad de Melbourne. «Históricamente, los investigadores se toparon con un muro al tratar de simular la física de los sistemas moleculares con modelos de alta precisión porque simplemente no había suficiente potencia de cálculo. Por lo tanto, se limitaron a modelar moléculas pequeñas. Hay, pero muchos problemas interesantes que queremos resolver. resolver incluye modelos grandes.
Para el diseño de fármacos, por ejemplo, Barça explicó que las proteínas grandes suelen ser responsables de las causas de las enfermedades. Estas proteínas pueden tener hasta 10.000 átomos, demasiadas para simularlas sin utilizar demasiados modelos que se ejecuten con baja precisión. Los modelos de baja precisión son más eficientes computacionalmente pero producen resultados menos precisos.
El diseño de fármacos moderno requiere la capacidad de modular simultáneamente proteínas grandes y combinarlas con bibliotecas de moléculas pequeñas que se unen a la proteína grande e impiden su funcionamiento. La mayoría de las simulaciones moleculares utilizan modelos simples para representar las fuerzas entre los átomos. Sin embargo, estas aproximaciones del campo de fuerza no tienen en cuenta algunos fenómenos esenciales de la mecánica cuántica, como la ruptura y formación de enlaces (ambos importantes para las reacciones químicas) y otras interacciones complejas.
Para superar estas limitaciones, Barça y su equipo desarrollaron el EXESS, o Sistema de Estructura Electrónica a Escala Extrema. En lugar de pasar por el minucioso proceso de escalar códigos heredados escritos para máquinas petaescala más antiguas, Barca decidió escribir un nuevo código diseñado específicamente para sistemas exaescala como Frontier con arquitecturas híbridas: una combinación de unidades centrales de procesamiento, o CPU, y procesamiento de gráficos. unidad, o GPU, acelerador.
Los métodos comunes en mecánica cuántica, como la teoría funcional de la densidad, estiman la energía de una molécula en función de su distribución de densidad electrónica. Por el contrario, EXESS emplea la teoría de la función de onda, o WFT, un método de mecánica cuántica que utiliza directamente Schrödinger. Ecuaciones para calcular el comportamiento de los electrones en función de sus funciones de onda. EXESS añade MP2, un tipo específico de WFT que añade una capa extra de precisión e interacción entre pares de electrones.
La ecuación de Schrödinger proporciona un nivel de precisión particularmente alto en el modelo. Sin embargo, resolver la ecuación requirió una gran cantidad de tiempo y potencia de cálculo, hasta el punto de que estos modelos se limitaron a sistemas pequeños. Esto se debe en parte a que, a medida que aumenta el número de átomos en la simulación, el tiempo para crearlos aumenta aún más.
«Ser capaz de predecir con precisión el comportamiento y modelar las propiedades de los átomos, ya sea en grandes sistemas moleculares o con mayor fidelidad, es fundamental para desarrollar tecnologías nuevas y más avanzadas, incluidas mejores terapias farmacológicas, materiales médicos y biocombustibles. Fundamentalmente importante», afirmó Dmytro Bykov. , grupo. Líder en informática para química y materiales en ORNL. «Es por eso que creamos Frontier, para que podamos superar los límites de la informática y hacer lo que no se ha hecho».
Muy por detrás de Peta Flip
Bykov y Barca comenzaron a trabajar juntos hace varios años como parte del Proyecto de Computación a Exaescala, o ECP, el esfuerzo de investigación, desarrollo y desarrollo del DOE centrado en ofrecer el primer ecosistema de exaescala viable del mundo. La colaboración de la pareja dentro de ECP se centró en optimizar códigos de décadas de antigüedad para ejecutarlos en supercomputadoras de próxima generación diseñadas con hardware y arquitectura completamente nuevos. Su objetivo con EXESS no era sólo escribir un nuevo código de dinámica molecular para máquinas de exaescala, sino también crear una simulación que pusiera a prueba la frontera.
La supercomputadora HPE-Cray EX Frontier, ubicada en Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), ocupa actualmente el puesto número 1 en la lista TOP500 de las supercomputadoras más rápidas del mundo después de alcanzar un rendimiento máximo de 1,2 exaflops. Frontier tiene 9,408 nodos con más de 8 millones de núcleos de procesamiento de una combinación de CPU AMD EPYC™ de tercera generación y GPU AMD Instinct™ MI250X.
El esfuerzo del equipo en Frontier fue un gran éxito. Realizaron una serie de simulaciones que utilizaron 9.400 nodos de Frontier Computing para calcular las estructuras electrónicas de varias proteínas y moléculas orgánicas que contienen cientos de miles de átomos.
La enorme potencia informática de Frontier permitió al equipo de investigación romper el techo de simulaciones anteriores de dinámica molecular con precisión mecánica cuántica. Esta fue la primera vez que una simulación de química cuántica de más de 2 millones de electrones superó un cambio de axioma cuando se utilizó aritmética de doble precisión.
Esta no es la primera vez que el equipo eleva el listón para este tipo de creación. Antes de trabajar con Frontier, tuvieron un éxito similar en la supercomputadora Summit de 200 petaflop, la predecesora de Frontier, también ubicada en OLCF. Además de ser 1.000 veces más grandes y más rápidas, las simulaciones a exaescala también predicen cómo se desarrollan las reacciones químicas a lo largo del tiempo, algo para lo que antes no tenían la potencia informática.
El tiempo medio de ejecución de una simulación oscila entre minutos y varias horas. El nuevo algoritmo permitió al equipo simular interacciones atómicas en pasos de tiempo (esencialmente instantáneas del sistema) con una latencia significativamente mejorada en comparación con los métodos anteriores. Por ejemplo, los pasos de tiempo para sistemas de proteínas con miles de electrones ahora se pueden completar en 1 a 5 segundos.
Las etapas de tiempo son importantes para comprender cómo ciertos procesos se desarrollan naturalmente con el tiempo. Esta resolución ayudará a los investigadores a comprender mejor cómo las moléculas de los medicamentos pueden unirse a proteínas que causan enfermedades, cómo se pueden utilizar reacciones catalíticas para reciclar plásticos, cómo mejorar los biocombustibles y cómo crear materiales biomédicos.
«No puedo expresar lo difícil que fue alcanzar esta escala desde una perspectiva molecular y computacional», dijo Barça. «Pero no tenía sentido utilizar estos cálculos con menos del doble de precisión. Entonces sería todo o nada».
«Los dos mayores desafíos en este logro fueron crear un algoritmo que pudiera llevar la frontera a sus límites y garantizar que el algoritmo se ejecutara en un sistema que tiene más de 37.000 GPU», añadió Bykov. «La solución significó que se usaron más componentes informáticos, y cada vez que se agregan más, también significa que hay una mayor probabilidad de que uno de esos componentes se rompa en algún momento. La realidad es que usamos todo el sistema. Es increíble y fue notablemente efectivo.»
A título personal, el Barça añadió que, después de que él y su equipo trabajaron día y noche en la preparación, el cálculo que rompió la barrera del exaflop de doble precisión para aplicaciones científicas se produjo el último día de su asignación Frontier. de la creación. Se grabó a las 3 de la madrugada, poco después de que el Barça se durmiera por primera vez en mucho tiempo.
El equipo está trabajando actualmente para preparar sus hallazgos para su publicación científica. Después de eso, planean utilizar modelos de alta precisión para entrenar modelos de aprendizaje automático e integrar inteligencia artificial en el algoritmo. Las mejoras proporcionarán un nivel completamente nuevo de sofisticación y rendimiento para resolver problemas aún mayores y más complejos.
El apoyo a esta investigación provino del Programa de Investigación en Computación Científica Avanzada de la Oficina de Ciencias del DOE. OLCF es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
UT-Battelle administra ORNL para la Oficina de Ciencias del DOE, el mayor patrocinador de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos. La Oficina de Ciencias del DOE está trabajando para abordar algunos de los desafíos más importantes de nuestro tiempo. Para obtener más información, visite energy.gov/science.
