Μια νέα μαθηματική μέθοδος που ανέπτυξαν ερευνητές του Flatiron Institute της Simons Foundation υπόσχεται να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο πραγματοποιούνται οι προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής, επιταχύνοντας τους υπολογισμούς από 2,5 έως και 7 φορές χωρίς καμία απώλεια ακρίβειας.
Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Communications και αναμένεται να μειώσει σημαντικά τον χρόνο αλλά και την ενεργειακή κατανάλωση των υπερυπολογιστών.
Περισσότερο από το 20% του συνολικού φόρτου εργασίας των 500 ισχυρότερων υπερυπολογιστών παγκοσμίως αφιερώνεται στην προσομοίωση της κίνησης ατόμων και μορίων. Οι εφαρμογές αυτών των προσομοιώσεων είναι κρίσιμες για την ανάπτυξη νέων υλικών, την ανακάλυψη φαρμάκων, τη μελέτη της αναδίπλωσης πρωτεϊνών και τον σχεδιασμό προηγμένων μπαταριών.
Μια κλασική μαθηματική ιδέα με σύγχρονη εφαρμογή
Η ερευνητική ομάδα αξιοποίησε τις λεγόμενες «προλατικές σφαιροειδείς συναρτήσεις», ένα μαθηματικό εργαλείο που αναπτύχθηκε ήδη από τον 19ο αιώνα και χρησιμοποιήθηκε αργότερα στις τηλεπικοινωνίες. Οι συναρτήσεις αυτές επιτρέπουν πιο αποδοτικό υπολογισμό των ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ των ατόμων, που αποτελούν το πιο απαιτητικό τμήμα των προσομοιώσεων.
Με τη νέα προσέγγιση, οι υπολογισμοί πραγματοποιούνται πολύ ταχύτερα, ενώ διατηρείται η ίδια υψηλή ακρίβεια στα αποτελέσματα.
Σημαντικά οφέλη για την επιστήμη και τη βιομηχανία
Η μέθοδος δοκιμάστηκε σε διαφορετικά συστήματα, όπως μόρια νερού, πρωτεΐνες που σχετίζονται με το ανοσοποιητικό σύστημα και ηλεκτρολύτες μπαταριών λιθίου. Σε όλες τις περιπτώσεις οι προσομοιώσεις ολοκληρώθηκαν από 2,5 έως 7 φορές γρηγορότερα.
Ιδιαίτερα εντυπωσιακά ήταν τα αποτελέσματα στο δημοφιλές λογισμικό GROMACS, όπου επιτεύχθηκε περίπου πενταπλάσια επιτάχυνση σε προσομοιώσεις υψηλής ακρίβειας.
Εύκολη ενσωμάτωση στα υπάρχοντα εργαλεία
Ένα ακόμη σημαντικό πλεονέκτημα είναι ότι η νέα τεχνική μπορεί να ενσωματωθεί εύκολα στα δημοφιλέστερα λογισμικά μοριακής δυναμικής, όπως τα LAMMPS, GROMACS και OpenMM, χωρίς να απαιτούνται μεγάλες αλλαγές στον υπάρχοντα κώδικα.
Οι ερευνητές εκτιμούν ότι η καινοτομία αυτή θα επιτρέψει στους επιστήμονες να πραγματοποιούν πολύ μεγαλύτερες και πιο σύνθετες προσομοιώσεις σε μικρότερο χρόνο, εξοικονομώντας παράλληλα σημαντικούς υπολογιστικούς πόρους και ενέργεια. Η εξέλιξη αυτή αναμένεται να επιταχύνει την έρευνα σε πολλούς τομείς, από τη βιοϊατρική και τη χημεία έως την ανάπτυξη νέων προηγμένων υλικών.
