Auch die Computerchemie muss nachhaltig sein, sagen Forscher

Eine vielfältige Gruppe von Computerchemikern ermutigt die Forschungsgemeinschaft, ein nachhaltiges Software-Ökosystem einzuführen. Das ist die Botschaft dahinter ein perspektivischer Artikel veröffentlicht in der Zeitschrift für chemische Theorie und Berechnung. Die Autoren diskutieren mögliche Szenarien für die Entwicklung von Software angesichts einer sich verändernden Computerlandschaft.

„Mit mehr Rechenleistung können wir zusätzliche Facetten der Chemie untersuchen“, sagte Karol Kowalski, Computerchemiker am Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) und korrespondierender Autor der Arbeit. „Ich denke, dass die Computerchemie eine große Rolle bei der Entwicklung unseres Verständnisses wichtiger chemischer Prozesse im 21. Jahrhundert spielen wird. Wir können Simulationen nutzen, um experimentelle Studien in einem leistungsstarken Kreislauf zu leiten und zu erweitern.“

Computerparadigmen befinden sich im Wandel, wobei Groß- und Quantensysteme für die Zukunft des Computerwesens von zentraler Bedeutung sind. Diese neuen Technologien werden es Forschern ermöglichen, verschiedene und komplexere chemische Probleme zu lösen. Aber mit neuen Möglichkeiten gehen auch neue Herausforderungen einher, einschließlich der Entwicklung integrierter Software, die nahtlos zusammenarbeiten kann.

Es gibt eine ständig wachsende Zahl spezialisierter Chemie-Softwarepakete, die auf die Lösung spezifischer Arten von Problemen ausgerichtet sind. Da die Fragen der Computerchemie immer komplexer werden, müssen Forscher verschiedene Programme nutzen, um sie zu beantworten. In Kombination mit den Veränderungen in den Computertechnologien befindet sich das Fachgebiet an einem wichtigen Punkt für den Blick in die Zukunft.

„Wir müssen sicherstellen, dass unsere Ansätze neue Entwicklungen in den Bereichen Exascale-Maschinen, Cloud Computing und Quantencomputing vollständig nutzen können“, sagte Kowalski. „Dafür ist eine vorausschauende Planung und eine Antizipation der neuen Herausforderungen erforderlich.“

Was ist nachhaltige Software?

In dem Artikel definierten die Autoren nachhaltige Software als ein System verschiedener Softwarepakete, die zusammengestellt und als zusammenhängendes System verwendet werden können, um ein breites Spektrum chemischer Probleme zu lösen.

„Da die Fragen, die wir stellen, immer komplizierter werden, wird auch der Prozess zur Suche nach geeigneten Techniken zur Bewältigung dieser Fragen immer komplizierter“, sagte Niri Govind, Computerchemikerin am PNNL und Mitautorin des Artikels. „Wir müssen über verschiedene Plattformen hinweg zusammenarbeiten, um die aussagekräftigsten Ergebnisse zu erzielen. Um dies effektiv zu erreichen, müssen Standards für den Bereich festgelegt werden.“

Das Ökosystem der Computerchemie stellt ein wertvolles Testfeld für neue Methoden dar. Die Probleme, mit denen Computerchemiker und ihre Software konfrontiert sind, sind nicht nur in der Chemie zu finden – sie finden sich auch bei wissenschaftlichen Modellierungsbemühungen. Als eine der etabliertesten Rechenumgebungen in der Wissenschaft standen die Entwicklungsteams in den letzten Jahren ständig in Kontakt und arbeiteten zusammen.

Zusammenarbeit und Wissensaustausch sind unerlässlich, da ein einzelnes Problem oft den Einsatz mehrerer Arten von Software erfordert, um die Komplexität realer Systeme genau zu erfassen.

Forschungsteams haben bei der Entwicklung von Software oft einen engen Fokus, der neue Möglichkeiten zur Lösung spezifischer Probleme bietet. Diese ständig zunehmende Komplexität des Ökosystems führt zu einer zunehmenden Zusammenarbeit, da das Fachwissen immer kleiner wird.

Chemie mit Computern gestalten

Vor nicht allzu langer Zeit dienten computergestützte Chemiesimulationen hauptsächlich der Validierung experimenteller Ergebnisse. Mit der zunehmenden Rechenleistung wächst jedoch auch die Fähigkeit der Computerchemie, komplexe Probleme nicht nur zu validieren, sondern zu lösen, Experimente zu leiten und zu interpretieren sowie Vorhersagen zu ermöglichen.

Die Erweiterung des Wissensspektrums, das aus der Computerchemie gewonnen werden kann, ist jedoch mit Kosten verbunden. Je komplizierter eine Simulation, desto mehr Rechenleistung und Zeit sind erforderlich, um zu einer Lösung zu gelangen. Die Planung für die Zukunft, so argumentieren die Autoren, erfordert die Bewältigung der steigenden Anforderungen neuer Probleme, die Anpassung an die Anforderungen der Computerarchitekturen der nächsten Generation und die Entwicklung vollständiger Interoperabilität.

Mitglieder des Computational and Theoretical Chemistry Institute (CTCI) am PNNL gehen diese Herausforderung durch innovative, skalierbare Lösungen auf aktuellen und zukünftigen Computerplattformen an

„Durch das CTCI haben wir einen institutionellen Rahmen geschaffen, um die nächste Generation von Computerchemie-Software für erstklassige Computereinrichtungen zu entwickeln“, sagte Sotiris Xantheas, CTCI-Direktor und Mitautor des Papiers.

„Durch die Kombination von Informatikbemühungen mit neuartigen wissenschaftlichen Werkzeugen, künstlicher Intelligenz und Quantencomputern ist das CTCI bereit, die molekularen Modellierungsfunktionen der nächsten Generation zu entwickeln.“

Workshop für nachhaltige Software

Der perspektivische Artikel entstand aus Diskussionen beim Workshop „Sustainable Computational Chemistry Software Development and Integration“ 2022. Dort diskutierten die Teilnehmer den Bedarf an Software-Infrastruktur und Investitionen, um das volle Potenzial neuer Computerressourcen auszuschöpfen. Das Treffen brachte Forscher aus der gesamten Computerchemie-Community zusammen.

Während der Workshop-Diskussionen stellten die Entwickler fest, dass sie bei der Anpassung an neue Computerressourcen und der Entwicklung integrierbarer Software immer wieder mit ähnlichen Problemen konfrontiert waren. Einzelne Teams erkannten, dass sie auf die Erfahrungen anderer zurückgreifen konnten, die bereits Lösungen für aufkommende Probleme gefunden hatten.

PNNL-Forscher haben diese Gespräche fortgesetzt und eng mit akademischen, nationalen Labor- und Industriepartnern zusammengearbeitet, um innovative neue Werkzeuge für wissenschaftliche Entdeckungen durch Projekte wie zu schaffen TEC4 (Übertragung von Exascale Computational Chemistry auf Cloud-Computing-Umgebungen und neue Hardware-Technologien).

Die Autoren waren sich einig, dass eine nachhaltige Softwareentwicklung es dem Bereich ermöglicht, sich auf breiter Front schneller voranzutreiben, ohne dass Forscher bestehende Lösungen ständig neu erfinden müssen. Diese Strategie macht Investitionen effizienter, da die Zusammenarbeit auch Brücken der internen Konsistenz über verschiedene Programme hinweg baut. Die Autoren erkennen die Notwendigkeit einer kontinuierlichen Anpassung der Software an, um sowohl wissenschaftlichen als auch Hardware-Anforderungen gerecht zu werden.

„Diese Arbeit entsteht aus unserer aktuellen Perspektive“, sagte Govind. „Dies ist kein statischer Plan. Wir alle müssen darauf vorbereitet sein, neue und sich entwickelnde Sichtweisen anzunehmen.“