Tim znanstvenika iz Centra za informatiku i računarstvo na Institutu Ruđer Bošković, u suradnji s partnerima iz Njemačke i Francuske, razvio je novi softver u sklopu eksperimenta LimitX, koji je nedavno izabran za jednu od uspješnica europskog projekta Inno4scale. Preliminarni rezultati pokazuju da on, koristeći metode strojnog učenja i neuronskih mreža, skraćuje trajanje kvantnih simulacija – s razine dana u sate.

Eksaskalarna računala

Eksaskala, objašnjavaju stručnjaci, označava novu razinu brzine superračunala. Naša osobna računala, opremljena brzim grafičkim karticama, mogu obraditi do bilijun (10¹²) računskih operacija u sekundi, dok eksaskalarna računala postižu trilijun ili više operacija u sekundi.

Za usporedbu, kad bi svaki čovjek na ovom svijetu mogao obaviti jednu računsku operaciju u sekundi, svim ljudima bi trebalo skoro četiri godine da obave količinu posla koju jedno superračunalo može napraviti u samo jednoj sekundi. Upravo ta brzina omogućuje napredak u mnogim područjima, od precizne medicine i klimatskih istraživanja do istraživanja i razvoja novih materijala, no samo kada softver zna kako iskoristiti tu snagu.

Uz manje koraka do točnog rješenja

Dosad su kvantne simulacije proteina koristile numeričke metode temeljene na kvantnoj mehanici kako bi izračunale raspodjelu elektrona i energiju sustava, često kroz iterativne procese visoke računalne zahtjevnosti. Ovakav postupak je često vrlo spor i neefikasan jer zahtjeva izračun jako velikog broja različitih parametar, no LimitX mijenja tu proceduru.

"Osnovna ideja nove metoda je da pokuša 'pogoditi' dobro inicijalno rješenje. Kao primjer možete zamisliti da vas netko ostavi na cesti i kaže vam da što prije nađete put do Rima. Bez ikakvih dodatnih informacija trebat će vam puno vremena kroz metodu pokušaja i pogrešaka da nađete pravi put. Ako ipak imate informaciju da ste na sjeveru i da idete na jug, broj pokušaja će se znatno smanjiti i vi ćete brže stići do svog odredišta#, objašnjava dr. sc. Davor Davidović, voditelj CIR-a.

Slično je i kod LimitX-a, prije negoli krene s glavnom simulacijom, LimitX analizira ("uči") na prijašnjim primjerima i na temelju toga predviđa najvjerojatniju raspodjelu elektrona koristeći metode strojnog učenja i neuronskih mreža. Zahvaljujući toj početnoj procjeni računalu će trebati znatno manje koraka da dođe do istog, točnog rješenja, što smanjuje vrijeme izračuna s nekoliko dana na samo nekoliko sati, ponekad čak i minuta, pojašnjavaju s Ruđera.

Takvo ubrzanje otvara brojne mogućnosti. Farmaceutske kompanije mogle bi u tjedan dana ispitati stotine tisuća molekula, umjesto da se ograniče na desetke, a istraživači i inženjeri koji rada na razvoju novih materijala mogli bi brže otkrivati nove spojeve. Kako eksaskalarna superračunala dosežu nevjerojatne brzine, ovakvi pametni softveri mogu osigurati da se ta snaga u potpunosti iskoristi.

"Dok eksaskalarna računala pristižu, pravo pitanje postaje kako ih pametno koristiti. Bez novih i naprednijih algoritama i softvera, ni najbrži hardver ne može sam otkriti pravi put", dodaje Davidović

Sljedeći korak: pilot test na EuroHPC

Tim koji uz ruđerovce stoji iza LimitX-a, Superračunalni centar Juelich (JSC) iz Njemačke i Francuska komisija za alternativne energije i atomsku energiju (CEA), radio je godinu dana na razvoju ovog softvera u sklopu europskog projekta Inno4scale, vrijednog 4,5 milijuna eura. Ovaj projekt vodi Superračunalni centar u Barceloni, a partneri su im švicarski SCAPOS, njemački nacionalni centar za računalstvo visokih performansi u Stuttgart (HLRS) i PRACE mreža.

U nadolazećim mjesecima CIR-ov tim priprema LimitX za pilot testiranje na stvarnim eksaskalarnim računalima dostupnima akademskoj zajednici i industriji u sklopu EuroHPC mreže superračunala. "Ako se potvrde dosadašnji preliminarni rezultati, predložena računalna metoda bi uskoro mogla ući u standardne pakete alata za kvantne simulacije koje koriste sveučilišta, istraživački instituti i farmaceutske kompanije diljem Europe", objašnjava dr. sc. Jurica Novak iz CIR-a.