朱塞佩·巴萨博士 和他的团队制定了一个 量子化学BETWA西汉姆联官方网站的新世界纪录, 使用一个 预测化学反应和物理反应的超级BETWA西汉姆联官方网站机 数万个原子的分子系统的性质.
这种新的化学建模技术将用于超级BETWA西汉姆联官方网站机 全球, 引领可再生能源新的技术飞跃, 药物, 和先进制造.
之前的纪录也是巴萨和他的团队保持的. “2020 年 记录主要是关于实现前所未有的分子尺寸,”说 巴萨, BETWA西汉姆联官方网站计算机学院讲师.
“这种新算法不仅可以模拟更大的分子 规模比以前更大, 但它的准确度比高得多 它的前身。”
之前的代码准确率为 99%, 这听起来不错.
“不幸的是, 50 多年来，人们都知道准确率高达 99% 还不够, 无论如何, 预测化学反应!”巴萨 说. “如果我们想预测任何化学转变, 我们需要 额外 1%。”
巴萨通过使用电子关联实现了“额外的 1%” 从BETWA西汉姆联官方网站角度来看要求如此之高的方法 直到去年才得以大规模实施 最新超级BETWA西汉姆联官方网站机上线.
开辟能源新领域, 药物, 纳米技术
更高的准确度意味着科学家将有能力建模 化学键的断裂, 这将对产生重大影响 化学进展, 物理, 生物与工程科学.
该记录是作为以下内容的一部分获得的 百兆亿级BETWA西汉姆联官方网站 项目 2016 年推出 U 的一部分.S. 巴拉克·奥巴马总统的国家战略BETWA西汉姆联官方网站 倡议, “举全国之力”，以实现利益最大化 百亿亿级BETWA西汉姆联官方网站系统, 预计在 2022 年实现.
百亿亿级超级BETWA西汉姆联官方网站机将能够BETWA西汉姆联官方网站超过 10^8 每秒（1 quintillion）浮点运算, 即 5 到 8 比当今运行最快的超级BETWA西汉姆联官方网站机强大数倍.
Barca 担任 ECP General Atomic 的合作伙伴调查员 和分子电子结构系统 (GAMESS) 团队, 哪个 包括负责设计的量子化学家和 HPC 专家 充分利用即将到来的百亿亿次BETWA西汉姆联官方网站的算法和方法 超级BETWA西汉姆联官方网站机。
“此类项目需要高度多学科的专业知识 材料科学的贡献, 化学, 生物学, 量子 机制, 超级BETWA西汉姆联官方网站和人工智能,”巴萨 说. “如果没有我的合作伙伴，这个纪录是不可能实现的.”
GAMESS 团队由著名量子化学家 Mark S 博士领导. 戈登 爱荷华州立大学，包括他的学生 Jorge L. 加尔维斯 瓦列霍, 大卫·L. 普尔, 和梅丽莎·阿尔坎. 在澳大利亚, 巴萨是 由他在BETWA西汉姆联官方网站计算机学院的学生加入, 瑞安股票, 和 巴萨在BETWA西汉姆联官方网站的导师, 阿利斯泰尔·P博士. 伦德尔, 现任院长是谁 阿德莱德弗林德斯大学工程学.
巴萨负责图形处理的软件开发 单位 (GPU), 百亿亿次机器的处理器有哪些类型, 和 许多当今的超级BETWA西汉姆联官方网站机, 使用. 他将他们的使命描述为 “使用最先进的技术构建通用工具来推进科学发展 地球上的BETWA西汉姆联官方网站技术”. 他们将展示他们的 11 月 2021 年超级BETWA西汉姆联官方网站大会的调查结果, 卓越 卓越
破纪录的BETWA西汉姆联官方网站是由 Summit 超级BETWA西汉姆联官方网站机运行的： 田纳西州橡树岭实验室 — 目前是世界上第二快的实验室 超级BETWA西汉姆联官方网站机. 使用 27,600 个 GPU, 峰会仅需 11 分钟多一点 模拟包含超过 45 个的蛋白质,000 个原子和 180,000 电子. 这是最大的从头算关联量子化学 迄今为止的BETWA西汉姆联官方网站, 速度快, 准确度, 分辨率超越 之前所有的BETWA西汉姆联官方网站实验.
“额外的1%”的实际应用
随着BETWA西汉姆联官方网站机模拟的取代，范式转变将会到来 传统化学实验同时保持相同水平 准确度。
这些BETWA西汉姆联官方网站有望解决一些世界上最困难的问题 具有挑战性的问题, 简化技术进步 缩短R的时间和成本&D 进程, “或完全替换 不可行时的他们,”巴萨说.
应用包括 (1) 开发更高效的催化剂 用于生产第二代生物燃料, (2) 的设计 低碳建筑高热效率材料, (3) 新型纳米技术的设计和生产用于治疗 细菌感染并改善癌症治疗, 和 (4) 低成本 纳米材料的工业生产策略.
纳米材料是化学物质或用于各种用途的材料 规模非常小. 巴萨表示纳米材料具有“无数 应用程序,”包括纳米晶体和量子点, 电池 材料, 给药车辆和医疗设备, 超分子 组件, 以及软性问题.
准确度达 99% 的BETWA西汉姆联官方网站方法已用于 药物测试和筛选, 包括药物 COVID-19 的治疗。这 将“极其昂贵, 没有效率就不可能 使用高性能BETWA西汉姆联官方网站化学,”巴萨解释.
“通常, 药物如果与生物体结合就会产生作用 受体或酶. 现在你可以想象, 针对特定疾病 可以列出一个天文数字般庞大的候选药物清单, 全部 具有不同的化学结构. 测试其中每一项是否 药物在实验室中与受体结合是不切实际的,”他说.
HPC 允许模拟代替实验. “自从我们 了解控制结合的物理和化学方程, 我们可以 模拟结合并筛选出不太可能的药物 有益。”
经过这样的筛选, “额外的1%”对于安全至关重要 有效的创新.
“如果预测不正确, 我们不仅浪费了钱, 时间, 设备, 以及我们的声誉, 但这甚至可能会导致很多事情 比这更糟糕, 尤其是实验室 R&D 过程是自动化的. 它 可能导致连锁反应，导致爆炸或泄漏 致命气体,”巴萨说.
“为了预测化学反应的正确结果, 我们 需要~99.准确率 99%. 这是因为无论是否是化学品 反应的实际发生取决于能量的差异 反应物和产物之间. 如果我的反应物的能量为 1000 且 我的产品 999.9, 产品之间的能量差和 反应物仅为-0.1. 可悲的是, 这个差异足以决定 我们反应的结果以及反应发生的速度.”
大流行中的跨学科合作
大流行之前, 巴萨曾前往美国旅行 平均每年 8 次, 每次停留至少 2 周 时间. 当那里的病例数量猛增并且旅行限制取消时 强加, 巴萨被迫远程管理该项目.
“我每周与我的 ECP 合作伙伴和学生在举行会议 美国, 我每两周与 PaCER 人员会面,”他说, 参考 与以下相关的项目 波西中心 极端规模准备 西部 澳大利亚。
ANU是ECP项目唯一的澳大利亚合作伙伴. 在美国.S., 巴萨与爱荷华州艾姆斯国家实验室的专家进行协调, 那个 德克萨斯大学埃尔帕索分校, 佐治亚理工学院, 旧 道明大学, 除了之外还有 EP Analytics 上述爱荷华州立大学和橡树岭国家实验室. ECP 还吸收了美国领先 HPC 公司的专业知识, NVIDIA, 英特尔, AMD, 克雷.
为了方便沟通, 巴萨设置了两个 Slack 频道 信息可以在机构之间共享, 纪律和 各大洲. 邀请参与者“发布新闻, 聊天和互动, 讨论项目的各个方面以及他们想要的任何内容 聊天”。
“将这些来自不同学术领域的人聚集在一起 背景, 让他们了解项目的近期情况 进展, 并激励他们对未来发表意见 发展方向, 是我们成功的一个关键因素,”巴萨说.