A química computacional também precisa ser sustentável, dizem os pesquisadores

Pesquisadores do PNNL contribuíram para um artigo de perspectiva sobre software sustentável para química computacional. Crédito:Reimpresso com permissão. Jornal de Teoria Química e Computação 2023. 19 [20]:7056–7076

Um grupo diversificado de químicos computacionais está incentivando a comunidade de pesquisa a adotar um ecossistema de software sustentável. Essa é a mensagem por trás de um artigo de perspectiva publicado no Journal of Chemical Theory and Computation . Os autores discutem possíveis cenários de como desenvolver software diante de um cenário computacional em mudança.

"Com mais poder computacional, podemos examinar facetas adicionais da química", disse Karol Kowalski, químico computacional do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) e autor correspondente do artigo. "Acho que a química computacional desempenhará um papel enorme no desenvolvimento da nossa compreensão de processos químicos importantes no século 21. Podemos usar simulações para ajudar a orientar e dimensionar estudos experimentais em um ciclo poderoso."

Os paradigmas da computação estão em transição, com sistemas quânticos e de grande escala emergindo como centrais para o futuro da computação. Estas novas tecnologias permitirão aos investigadores resolver problemas químicos diferentes e mais complicados. Mas com as novas oportunidades surgem novos desafios, incluindo a criação de software integrado que possa funcionar perfeitamente em conjunto.

Há um número cada vez maior de pacotes de software especializados em química voltados para a solução de tipos específicos de problemas. À medida que as questões feitas pela química computacional continuam a aumentar em complexidade, os pesquisadores precisam utilizar diferentes programas para abordá-las. Combinado com as mudanças nas tecnologias de computação, o campo encontra-se num ponto importante para olhar para o futuro.

“Precisamos garantir que nossas abordagens possam aproveitar plenamente os novos desenvolvimentos em máquinas exaescala, computação em nuvem e computação quântica”, disse Kowalski. “Isso requer planejamento para o futuro e antecipação dos novos desafios que surgirão”.

O que é software sustentável?

No artigo, os autores definiram software sustentável como um sistema de diferentes pacotes de software que podem ser montados e usados como um sistema coeso para resolver uma ampla gama de problemas químicos.

“À medida que as questões que fazemos se tornam mais complicadas, o mesmo acontece com o processo para encontrar técnicas adequadas para as resolver”, disse Niri Govind, químico computacional do PNNL e co-autor do artigo. "Precisamos trabalhar juntos em diferentes plataformas para gerar os resultados mais significativos. Fazer isso de forma eficaz requer o estabelecimento de padrões para a área."

O ecossistema de química computacional representa um valioso campo de testes para novos métodos. Os problemas enfrentados pelos químicos computacionais e seus softwares não são exclusivos da química – eles podem ser encontrados em esforços de modelagem científica. Sendo um dos ambientes computacionais mais estabelecidos na ciência, as equipes de desenvolvimento têm mantido contato e colaborado consistentemente ao longo dos últimos anos.

Esforços colaborativos e compartilhamento de conhecimento são essenciais porque muitas vezes um único problema requer o uso de vários tipos de software para capturar com precisão a complexidade dos sistemas do mundo real.

Freqüentemente, as equipes de pesquisa têm um foco restrito ao desenvolver software que produz novos recursos para resolver problemas específicos. Essa complexidade cada vez maior do ecossistema leva a uma colaboração cada vez maior à medida que a especialização diminui.

Moldando a química com computação

Não muito tempo atrás, as simulações de química computacional serviam principalmente como validadores de descobertas experimentais. No entanto, à medida que o poder da computação aumentou, também aumentou a capacidade da química computacional não apenas de validar, mas de resolver problemas complexos, de orientar e interpretar experimentos e de permitir previsões.

À medida que a gama de conhecimentos que podem ser obtidos com a química computacional se expandiu, isso teve um custo. Quanto mais complicada for uma simulação, mais poder de computação e tempo serão necessários para chegar a uma solução. Planejar o futuro, argumentam os autores, exige navegar pelas demandas crescentes de novos problemas, adaptar-se aos requisitos das arquiteturas de computação da próxima geração e desenvolver a interoperabilidade total.

Membros do Instituto de Química Teórica e Computacional (CTCI) do PNNL estão enfrentando esse desafio por meio de soluções inovadoras e escaláveis em plataformas computacionais atuais e futuras

"Através do CTCI, estabelecemos uma estrutura institucional para desenvolver a próxima geração de software de química computacional para instalações de computação de classe líder", disse Sotiris Xantheas, diretor do CTCI e coautor do artigo.

"Usando uma combinação de esforços da ciência da computação com novas ferramentas científicas, inteligência artificial e computação quântica, o CTCI está preparado para desenvolver as capacidades de modelagem molecular da próxima geração."

Workshops para software sustentável

O artigo de perspectiva surgiu das discussões no workshop de 2022 "Desenvolvimento e integração sustentável de software de química computacional". Lá, os participantes discutiram as necessidades e investimentos em infraestrutura de software para aproveitar todo o potencial dos recursos computacionais emergentes. O encontro reuniu pesquisadores de toda a comunidade de química computacional.

Durante as discussões do workshop, os desenvolvedores perceberam que enfrentavam consistentemente problemas semelhantes na adaptação a novos recursos computacionais e no desenvolvimento de software integrável. As equipes individuais perceberam que poderiam aproveitar experiências de outras pessoas que já encontraram soluções para problemas emergentes.

Os pesquisadores do PNNL deram continuidade a essas conversas, trabalhando em estreita colaboração com parceiros acadêmicos, do Laboratório Nacional e da indústria para criar novas ferramentas inovadoras para a descoberta científica por meio de projetos como o TEC⁴ (Transferindo Química Computacional Exascale para Ambiente de Computação em Nuvem e Tecnologias de Hardware Emergentes).

Os autores concordaram que o desenvolvimento sustentável de software permite que o campo avance mais rapidamente sem exigir que os investigadores reinventem consistentemente as soluções existentes. Esta estratégia torna os investimentos mais eficientes, uma vez que a colaboração também constrói pontes de consistência interna entre diferentes programas. Os autores reconhecem a necessidade de adaptação contínua do software para atender às necessidades científicas e de hardware.

“Este trabalho vem da nossa perspectiva atual”, disse Govind. "Este não é um plano estático. Todos precisamos estar preparados para abraçar pontos de vista novos e em evolução."

Mais informações: Rosa Di Felice et al, Uma Perspectiva sobre Desenvolvimento e Integração de Software de Química Computacional Sustentável, Journal of Chemical Theory and Computation (2023). DOI:10.1021/acs.jctc.3c00419
Fornecido pelo Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico

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