En mångfaldig grupp beräkningskemister uppmuntrar forskarvärlden att anamma ett hållbart mjukvaruekosystem. Det är budskapet bakom en perspektivartikel publicerad i Journal of Chemical Theory and Computation . Författarna diskuterar möjliga scenarier för hur man utvecklar programvara inför ett föränderligt beräkningslandskap.
"Med mer datorkraft kan vi undersöka ytterligare aspekter av kemi", säger Karol Kowalski, en beräkningskemist vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) och motsvarande författare till uppsatsen. "Jag tror att beräkningskemi kommer att spela en stor roll för att utveckla vår förståelse för viktiga kemiska processer under 2000-talet. Vi kan använda simuleringar för att vägleda och omfånga experimentella studier i en kraftfull loop."
Datorparadigm är i övergång, med storskaliga och kvantsystem som framstår som centrala för datorernas framtid. Dessa nya teknologier kommer att göra det möjligt för forskare att lösa olika och mer komplicerade kemiproblem. Men med nya möjligheter kommer nya utmaningar, inklusive att skapa integrerad programvara som sömlöst kan arbeta tillsammans.
Det finns ett ständigt ökande antal specialiserade kemiprogramvarupaket inriktade på att lösa specifika typer av problem. Eftersom frågorna som ställs av beräkningskemi fortsätter att öka i komplexitet, måste forskare använda olika program för att ta itu med dem. I kombination med förändringarna av datorteknik är området vid en viktig punkt för att se in i framtiden.
"Vi måste säkerställa att våra tillvägagångssätt fullt ut kan använda nya utvecklingar inom exascale-maskiner, molnberäkningar och kvantberäkningar", säger Kowalski. "Detta kräver planering för framtiden och att förutse de nya utmaningar som kommer att uppstå."
I artikeln definierade författarna hållbar mjukvara som ett system av olika mjukvarupaket som kan sättas ihop och användas som ett sammanhängande system för att ta itu med ett brett spektrum av kemiproblem.
"I takt med att frågorna vi ställer blir mer komplicerade, så blir processen för att hitta lämpliga tekniker för att hantera dem", säger Niri Govind, en PNNL-beräkningskemist och medförfattare till tidningen. "Vi måste samarbeta på olika plattformar för att generera de mest meningsfulla resultaten. För att göra detta effektivt krävs att man etablerar standarder för området."
Det beräkningskemiska ekosystemet utgör en värdefull testplats för nya metoder. De problem som beräkningskemister och deras programvara står inför är inte unika för kemi - de kan hittas över vetenskapliga modelleringsinsatser. Som en av de mest etablerade beräkningsmiljöerna inom vetenskapen har utvecklingsteam konsekvent varit i kontakt och samarbetat under de senaste åren.
Samarbete och kunskapsdelning är viktigt eftersom ett enskilt problem ofta kräver användning av flera typer av programvara för att korrekt fånga komplexiteten i verkliga system.
Ofta har forskarteam ett snävt fokus samtidigt som de utvecklar mjukvara som ger nya möjligheter att hantera specifika problem. Denna ständigt ökande ekosystemkomplexitet leder till ökat samarbete i takt med att kompetensen minskar.
För inte så länge sedan fungerade beräkningskemiska simuleringar främst som validatorer av experimentella fynd. Men i takt med att beräkningskraften har ökat, har beräkningskemins förmåga inte bara att validera, utan att lösa komplexa problem, att vägleda och tolka experiment och att möjliggöra förutsägelser, också ökat.
I takt med att utbudet av kunskap som kan erhållas från beräkningskemi har utökats har det kostat en kostnad. Ju mer komplicerad simulering är, desto mer datorkraft och tid behövs för att nå en lösning. Att planera för framtiden, hävdar författarna, kräver att man navigerar i de ökande kraven från nya problem, anpassar sig till kraven på nästa generations datorarkitekturer och utvecklar full interoperabilitet.
Medlemmar av Computational and Theoretical Chemistry Institute (CTCI) vid PNNL tar sig an denna utmaning genom innovativa, skalbara lösningar på nuvarande och framtida beräkningsplattformar
"Genom CTCI har vi etablerat ett institutionellt ramverk för att utveckla nästa generation av datorkemiprogramvara för datoranläggningar i ledarskapsklass", säger Sotiris Xantheas, CTCI-direktör och medförfattare till tidningen.
"Genom att använda en kombination av datavetenskapliga insatser med nya vetenskapliga verktyg, artificiell intelligens och kvantberäkningar är CTCI redo att utveckla nästa generations molekylära modelleringsmöjligheter."
Perspektivartikeln kom från diskussioner vid 2022 års workshop "Sustainable Computational Chemistry Software Development and Integration." Där diskuterade deltagarna mjukvaruinfrastrukturbehov och investeringar för att realisera den fulla potentialen hos nya datorresurser. Mötet samlade forskare från hela beräkningskemisamhället.
Under workshopdiskussionerna insåg utvecklarna att de konsekvent stod inför liknande problem när de anpassade sig till nya datorresurser och utvecklade integrerbar programvara. Individuella team insåg att de kunde dra nytta av erfarenheter från andra som redan har hittat lösningar på nya problem.
PNNL-forskare har fortsatt dessa samtal, i nära samarbete med akademiska, nationella laboratorier och industripartner för att skapa innovativa nya verktyg för vetenskaplig upptäckt genom projekt som TEC 4 (Överför Exascale Computational Chemistry till Cloud Computing Environment och nya hårdvarutekniker).
Författarna var överens om att hållbar mjukvaruutveckling gör det möjligt för området att röra sig snabbare över hela linjen utan att kräva att forskare konsekvent återuppfinner befintliga korrigeringar. Denna strategi gör investeringar mer effektiva, eftersom samarbete också bygger broar av intern konsekvens mellan olika program. Författarna inser behovet av fortsatt anpassning av mjukvara för att möta både vetenskapliga behov och hårdvarubehov.
"Detta arbete kommer från vårt nuvarande perspektiv," sa Govind. "Det här är inte en statisk plan. Vi måste alla vara beredda att anamma nya och utvecklande synpunkter."
Mer information: Rosa Di Felice et al, A Perspective on Sustainable Computational Chemistry Software Development and Integration, Journal of Chemical Theory and Computation (2023). DOI:10.1021/acs.jctc.3c00419
Tillhandahålls av Pacific Northwest National Laboratory
