有些計(jì)算挑戰(zhàn)是如此之大，以至于有必要全力以赴。這是由能源部太平洋西北國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)由科學(xué)家和計(jì)算機(jī)專家組成的多元化團(tuán)隊(duì)所采用的方法他和來(lái)自微軟和其他國(guó)家的同事們一起工作許多實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)都在努力使新興云計(jì)算資源的使用民主化。

在最近的一份同行評(píng)議的期刊出版物中概述了這項(xiàng)工作，為將科學(xué)計(jì)算資源轉(zhuǎn)移到一個(gè)隨著技術(shù)進(jìn)步而發(fā)展的可持續(xù)生態(tài)系統(tǒng)提供了路線圖。研究小組證明，云計(jì)算為強(qiáng)大的領(lǐng)導(dǎo)計(jì)算設(shè)施提供了一個(gè)敏捷、靈活的補(bǔ)充，這些設(shè)施幾十年來(lái)一直是科學(xué)計(jì)算的主力。

“這是科學(xué)計(jì)算的一個(gè)全新范例，”領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)跨學(xué)科研究的PNNL計(jì)算化學(xué)家卡羅爾·科瓦爾斯基說(shuō)?！拔覀円呀?jīng)證明，將軟件作為服務(wù)與云計(jì)算資源捆綁在一起是可能的。這一初步的概念驗(yàn)證表明，云計(jì)算可以為解決復(fù)雜的科學(xué)問(wèn)題提供一系列選項(xiàng)，作為高性能計(jì)算的補(bǔ)充?！?/p>

云中的可持續(xù)軟件

云已經(jīng)不僅僅是一個(gè)存放照片和文檔的地方。計(jì)算行業(yè)已經(jīng)轉(zhuǎn)向?yàn)榻鹑诤椭扑幑疽约捌渌袠I(yè)提供計(jì)算服務(wù)。在這項(xiàng)計(jì)劃中，研究團(tuán)隊(duì)專注于將云計(jì)算密集型算法移植到用于確定工業(yè)，先進(jìn)聚合物，表面涂層和許多其他應(yīng)用的擬議新化學(xué)品的可行性。

該計(jì)劃被稱為將Exascale計(jì)算化學(xué)轉(zhuǎn)移到云計(jì)算環(huán)境和新興硬件技術(shù)（TEC4），它建立在計(jì)算化學(xué)社區(qū)內(nèi)部的動(dòng)力基礎(chǔ)上，將計(jì)算資源移植給用戶，認(rèn)識(shí)到需要不斷調(diào)整軟件以滿足科學(xué)需求和硬件發(fā)展。

在他們最新的觀點(diǎn)文章中，該團(tuán)隊(duì)提供了關(guān)于傳統(tǒng)計(jì)算算法性能的信息和技術(shù)數(shù)據(jù)，例如最初由PNNL開(kāi)發(fā)的流行的NWChem軟件，以及旨在利用最先進(jìn)的圖形處理單元（GPU）架構(gòu)的最新軟件。他們的研究結(jié)果表明，云計(jì)算的速度和敏捷性為在幾天而不是幾個(gè)月的時(shí)間內(nèi)完成高級(jí)計(jì)算化學(xué)工作流程打開(kāi)了大門(mén)。

“微軟的目標(biāo)是讓科學(xué)界加速科學(xué)發(fā)現(xiàn)，”微軟Azure量子元素產(chǎn)品負(fù)責(zé)人內(nèi)森·貝克（Nathan Baker）說(shuō)?！芭cPNNL的合作是現(xiàn)代人工智能和高性能計(jì)算工具如何推進(jìn)計(jì)算化學(xué)的一個(gè)很好的例子?！?/p>

滿足對(duì)能源解決方案的迫切需求

在過(guò)去的十年中，計(jì)算化學(xué)已經(jīng)顯示出它不僅能夠解決復(fù)雜的科學(xué)挑戰(zhàn)，而且能夠指導(dǎo)和解釋實(shí)驗(yàn)，并最終實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)。這些挑戰(zhàn)中最復(fù)雜的是由美國(guó)能源部領(lǐng)先的計(jì)算設(shè)施提供的資源，特別是百億億次計(jì)算能力。

隨著工具和技術(shù)的進(jìn)步，獲得解決方案的時(shí)間和成本也在提高。TEC4的領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)到，云計(jì)算和行業(yè)協(xié)作為訪問(wèn)計(jì)算資源以解決更廣泛的問(wèn)題提供了機(jī)會(huì)。

例如，該團(tuán)隊(duì)使用Microsoft Azure和復(fù)雜的工作流程來(lái)研究復(fù)雜化學(xué)問(wèn)題的分子動(dòng)力學(xué)。這些模擬對(duì)于研究難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到的復(fù)雜反應(yīng)是有用的。這個(gè)強(qiáng)大的工具用于研究原子水平上的分子相互作用，由于其復(fù)雜性，需要大量的計(jì)算資源。在這里，研究小組展示了一種分解持久性環(huán)境污染物全氟辛酸的途徑。這是計(jì)算化學(xué)如何用于設(shè)計(jì)現(xiàn)實(shí)世界環(huán)境修復(fù)策略的一個(gè)例子。

Kowalski說(shuō)：“我們?cè)O(shè)想了一個(gè)從低級(jí)到高級(jí)工作的用例生態(tài)系統(tǒng)，利用目前廣泛用于人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用的基于gpu的計(jì)算?！薄拔覀兿Ｍ试S用戶利用不同的計(jì)算層，只支付所需的費(fèi)用，并將軟件與計(jì)算訪問(wèn)捆綁在一起。這是邁向未來(lái)狀態(tài)的第一步?！?/p>

云計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)

該團(tuán)隊(duì)正在積極招募新的合作伙伴，包括開(kāi)發(fā)人員和用戶，以建立一個(gè)用戶基礎(chǔ)來(lái)測(cè)試新的云生態(tài)系統(tǒng)。

“我們正在建立一個(gè)代碼家族，”科瓦爾斯基補(bǔ)充說(shuō)?！拔覀兊哪繕?biāo)是圍繞這項(xiàng)工作建立一個(gè)社區(qū)。”

沿著這些思路，該團(tuán)隊(duì)概述了其計(jì)劃，以培養(yǎng)一批熟練使用這些工具的學(xué)生骨干，并將幫助填補(bǔ)對(duì)能夠?qū)⒂?jì)算技術(shù)推向未來(lái)的科學(xué)家的需求。這項(xiàng)合作導(dǎo)致了德克薩斯大學(xué)埃爾帕索分校開(kāi)設(shè)了一門(mén)新課程，中密歇根大學(xué)和PNNL將于2024年秋季開(kāi)始合作。