Революция в квантовой химии: новая платформа EXESS ускоряет расчеты в тысячи раз
Мощный движок для квантовой химии, способный помочь ученым решать сложные химические проблемы, теперь доступен для исследователей. Новая технология может кардинально ускорить исследования в области разработки лекарств, материаловедения и других областях, заявляет разработчик системы — компания QDX.
Система Extreme-scale Electronic Structure System (EXESS) может выполнять более одного квинтиллиона вычислений в секунду для решения вопросов квантовой химии, сообщили представители QDX в заявлении.
Расчеты в квантовой химии играют ключевую роль в разработке новых лекарств и материалов. Например, исследователи используют симуляции квантовой химии, чтобы понять, как лекарства взаимодействуют с молекулярными сайтами связывания в организме. Это понимание может помочь ученым модифицировать молекулу препарата для оптимизации скорости и эффективности этого связывания.
Но традиционно моделирование квантовой химии «требует абсолютно колоссальных объемов» вычислительной мощности, рассказал Live Science Лун Ван, генеральный директор QDX. «Во многих ситуациях действительно быстрее синтезировать соединение и протестировать его в течение нескольких недель, чем пытаться выполнить расчет этого соединения».
Объем требуемой вычислительной мощности растет экспоненциально с увеличением числа атомов в системе. Точное решение задач с крупными молекулами, такими как белки, которые могут содержать тысячи атомов, очень быстро становится невозможным. Цель EXESS, по словам Вана, — «сделать квантовую химию достаточно быстрой для практического использования».
EXESS работает в 3000–4000 раз быстрее, чем многие другие программные пакеты для квантовой химии, утверждает QDX, открывая возможности для расчетов с крупными молекулами, такими как белки. За этим огромным ускорением не стоит какое-то одно новшество, и система работает на обычном оборудовании — то есть квантовые вычисления не требуются. Вместо этого Ван и его коллеги оптимизировали множество отдельных компонентов программного обеспечения, что в совокупности увеличивает скорость и масштаб вычислений.
Один из способов ускорить расчеты, который применила команда, заключался в поиске путей одновременного выполнения нескольких операций. Многие алгоритмы квантовой химии предназначены для работы последовательными шагами. Но даже с необычайной вычислительной мощностью «девять поваров не могут приготовить блюдо вдевятеро быстрее», — сказал Ван. Команда нашла способы изменить алгоритмы или теоретические подходы, чтобы обеспечить выполнение большего количества процессов параллельно, подобно «промышленной кухне, где вы просто штампуете блюда одно за другим», — добавил Ван.
Например, команда внедрила технику, известную как молекулярная фрагментация, которая разбивает задачу на более мелкие фрагменты, одновременно вычисляет эти фрагменты, а затем собирает их обратно. Это позволило ускорить крупные расчеты, выполняя множество более мелких вычислений сразу.
«Существуют расчеты, которые в принципе заняли бы около месяца, а на самом деле занимают около 12 минут» при использовании EXESS, сообщил Ван Live Science.
В настоящее время QDX фокусируется на использовании EXESS для открытия лекарств: поиске и оптимизации взаимодействий между лекарствами и организмом, а также на лучшем понимании того, как функционируют существующие препараты и почему у людей развивается устойчивость к ним. Но компания предлагает бесплатный доступ для одобренных исследовательских проектов. Ограниченная версия программного обеспечения также доступна для широкой публики.
Взгляд в будущее: демократизация квантовой химии
Запуск EXESS знаменует собой важный шаг к демократизации вычислительной химии. Ранее проведение высокоточных расчетов было доступно лишь ограниченному кругу исследователей, имеющих доступ к мощным суперкомпьютерным кластерам или готовых ждать результатов неделями. Теперь же, благодаря оптимизации алгоритмов и возможности параллельных вычислений, сложнейшие задачи становятся рутинными и выполнимыми на стандартном оборудовании.
«Я надеюсь, что люди займутся тем, чем мы сейчас не занимаемся, и я говорю это не с конкурентной точки зрения, — поделился Ван. — У нас есть несколько проблем, на которых мы решили сосредоточиться и которые считаем действительно интересными. Но чего мы действительно хотим, так это чтобы люди сосредоточились на остальных 99% существующих проблем, и посмотреть, что они с этим сделают, и увидеть, не окажемся ли мы в некоторых из этих областей удивлены тем, как квантовая химия может помочь изменить ситуацию к лучшему».
Это открытие может привести к прорывам не только в фармакологии, но и в создании новых материалов с заданными свойствами — от более эффективных солнечных батарей до сверхпроводников, работающих при комнатной температуре. Возможность быстрого и точного моделирования молекулярных структур без необходимости проводить дорогостоящие и длительные физические эксперименты в лаборатории обещает значительно ускорить технологический прогресс в ближайшие годы.
