Cercetătorii au utilizat inteligența artificială (IA) pentru a face simulări cu miliarde de molecule care interacționează la o scară și o viteză fără precedent. Această realizare deschide calea pentru o mai bună înțelegere a științei materialelor, fizicii și biologiei.
Atunci când vine vorba de simularea interacțiunii grupurilor de atomi sau molecule, există două tipuri de experimente. O abordare, cunoscută sub numele de „ab initio”, modelează strict toate forțele newtoniene și cuantice implicate. Cealaltă metodă folosește diverse aproximări pentru a reduce sarcina enormă de calcul. În cazul unor experimente din diverse domenii, în special ale fizicii, precizia primei metode este cel mai importat lucru, în timp ce aproximările sunt adecvate în domeniile ingineriei și biologiei.
Recordul mondial actual pentru modelare aproximativă este o simulare cu 100 de miliarde de atomi, în timp ce simulările ab initio au fost limitate la 100 de milioane de atomi, pentru acestea din urma fiind utilizat supercomputerul Summit din cadrul Laboratorului Național Oak Ridge din Tennessee.
Până în luna iunie 2020, Summit a fost cel mai rapid supercomputer din lume. Totuși, în decursul a 24 de ore de calcul, acesta a reușit să simuleze doar 2 nanosecunde de interacțiuni atomice sau moleculare. În prezent, un grup internațional de cercetători a optimizat codul utilizat pentru sistemele ab initio cu scopul de a reduce solicitările pe memorii și procesoare. În urma optimizării a fost obținută aproape aceiași acuratețe și a fost redusă drastic dimensiunea și viteza de procesare necesară a unui computer. Folosind același supercomputer, echipa a accelerat simulările de până la șapte ori, producând 11,2 nanosecunde de interacțiuni pe zi.
Cercetătorii au izolat o serie de interacțiuni apărute între un număr mic de atomi și au determinat cu exactitate forțele implicate. După aceea, echipa a folosit aceste date pentru a antrena o rețea IA utilizată pentru aproximarea rapidă a unor probleme similare și pentru obținerea unei precizii bune fără realizarea de calcule extinse. Acest lucru le-a permis să îmbunătățească viteza și, de asemenea, să se extindă la sisteme mai mari, creând un model cu 3,4 miliarde de atomi de cupru.
În plus, cercetătorii au rulat același model pe cel mai puternic supercomputer din lume, și anume Fugaku din cadrul Centrului RIKEN pentru Științe Computaționale din Japonia. Acesta este capabil să ruleze simularea de 21,2 ori mai rapid decât Summit în cazul moleculelor de apă și de 46,7 ori mai rapid în cazul moleculelor de cupru.
Deși nu au reușit să acceseze întregul supercalculator Fugaku pentru a realizat experimente în mod simultan, cercetătorii au folosit teste mai mici pentru a demonstra faptul că sistemul este capabil să ruleze modele cu până la 17 miliarde de atomi de cupru și 25 de miliarde de atomi de apă.
Deși cifra de 25 de miliarde de molecule de apă este impresionantă, cercetătorii ar trebui să crească numărul de 60 de miliarde de ori pentru a modela cele aproximativ 1,5 sextilioane de molecule aflate într-o singură picătură de apă. Acest lucru este imposibil chiar și pentru mai puternice computere construite până în prezent.
Erich Muller din cadrul Colegiului Imperial din Londra declarat faptul că rezultatul lucrării este un sistem cu o acuratețe apropiată de cea a simulărilor ab initio, dar cu cerințe de calcul mai apropiate de simulările care folosesc aproximări.
„Ei au realizat un calcul foarte precis al energiilor din sistem și, prin învățarea automată, au convertit aceste calcule extrem de complexe în ceva care este… mult mai ușor de calculat din punct de vedere numeri. Având în vedere acuratețea, aceste cifre reprezintă ceva fără precedent, iar acesta este punctul cheie. Ei extind frontierele calculatoarelor și au găsit o utilizare reală pentru una dintre aceste mașini care valorează miliarde de dolari”, a adăugat Muller.
Cercetătorii au declarat faptul că modelul deschide ușa pentru studierea proprietăților mecanice ale metalelor, semiconductorilor sau bateriilor la o scară mai realistă și în detaliu.
