Un groupe diversifié de chimistes computationnels encourage la communauté des chercheurs à adopter un écosystème logiciel durable. C'est le message derrière un article de perspective publié dans le Journal of Chemical Theory and Computation. . Les auteurs discutent de scénarios possibles sur la manière de développer des logiciels face à un paysage informatique en évolution.

"Avec plus de puissance de calcul, nous pouvons examiner des facettes supplémentaires de la chimie", a déclaré Karol Kowalski, chimiste informatique au Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) et auteur correspondant de l'article. "Je pense que la chimie computationnelle jouera un rôle énorme dans le développement de notre compréhension des processus chimiques importants au 21e siècle. Nous pouvons utiliser des simulations pour guider et étendre les études expérimentales dans une boucle puissante."

Les paradigmes informatiques sont en transition, avec des systèmes quantiques et à grande échelle qui apparaissent comme un élément central de l'avenir de l'informatique. Ces nouvelles technologies permettront aux chercheurs de résoudre des problèmes de chimie différents et plus complexes. Mais les nouvelles opportunités s'accompagnent de nouveaux défis, notamment la création de logiciels intégrés pouvant fonctionner ensemble de manière transparente.

Il existe un nombre toujours croissant de progiciels spécialisés en chimie destinés à résoudre des types spécifiques de problèmes. Alors que les questions posées par la chimie computationnelle continuent de gagner en complexité, les chercheurs doivent utiliser différents programmes pour y répondre. Combiné avec les changements dans les technologies informatiques, le domaine se trouve à un moment important pour regarder vers l'avenir.

"Nous devons nous assurer que nos approches peuvent pleinement utiliser les nouveaux développements dans les machines exascale, le cloud computing et l'informatique quantique", a déclaré Kowalski. "Cela nécessite de planifier l'avenir et d'anticiper les nouveaux défis qui se présenteront."

Qu'est-ce qu'un logiciel durable ?

Dans l'article, les auteurs définissent un logiciel durable comme un système de différents progiciels qui peuvent être assemblés et utilisés comme un système cohérent pour résoudre un large éventail de problèmes chimiques.

"À mesure que les questions que nous posons deviennent de plus en plus compliquées, le processus permettant de trouver des techniques appropriées pour y répondre l'est également", a déclaré Niri Govind, chimiste computationnelle au PNNL et co-auteur de l'article. "Nous devons travailler ensemble sur différentes plateformes pour générer les résultats les plus significatifs. Pour y parvenir efficacement, il faut établir des normes dans le domaine."

L’écosystème de la chimie computationnelle représente un terrain d’essai précieux pour de nouvelles méthodes. Les problèmes rencontrés par les chimistes computationnels et leurs logiciels ne sont pas propres à la chimie :ils peuvent être découverts dans les efforts de modélisation scientifique. Il s'agit de l'un des environnements informatiques les plus établis en science, et les équipes de développement ont constamment été en contact et collaboré au cours des dernières années.

Les efforts de collaboration et le partage des connaissances sont essentiels, car souvent un seul problème nécessite l'utilisation de plusieurs types de logiciels pour capturer avec précision la complexité des systèmes du monde réel.

Les équipes de recherche ont souvent une vision étroite lorsqu'elles développent des logiciels offrant de nouvelles capacités pour résoudre des problèmes spécifiques. Cette complexité toujours croissante de l'écosystème conduit à une collaboration croissante à mesure que l'expertise se rétrécit.

Façonner la chimie avec le calcul

Il n’y a pas si longtemps, les simulations informatiques de chimie servaient principalement à valider les résultats expérimentaux. Cependant, à mesure que la puissance de calcul a augmenté, la capacité de la chimie computationnelle a augmenté non seulement pour valider, mais aussi pour résoudre des problèmes complexes, pour guider et interpréter des expériences et pour permettre des prédictions.

À mesure que l’éventail des connaissances pouvant être acquises grâce à la chimie computationnelle s’est élargi, cela a eu un coût. Plus une simulation est complexe, plus il faut de puissance de calcul et de temps pour trouver une solution. Selon les auteurs, planifier l'avenir nécessite de faire face aux exigences croissantes des nouveaux problèmes, de s'adapter aux exigences des architectures informatiques de nouvelle génération et de développer une interopérabilité totale.

Les membres de l'Institut de chimie computationnelle et théorique (CTCI) du PNNL relèvent ce défi grâce à des solutions innovantes et évolutives sur les plateformes informatiques actuelles et futures.

"Grâce au CTCI, nous avons établi un cadre institutionnel pour développer la prochaine génération de logiciels de chimie computationnelle pour les installations informatiques de premier plan", a déclaré Sotiris Xantheas, directeur du CTCI et co-auteur de l'article.

"En combinant les efforts de l'informatique avec de nouveaux outils scientifiques, l'intelligence artificielle et l'informatique quantique, le CTCI est sur le point de développer les capacités de modélisation moléculaire de nouvelle génération."

Atelier pour des logiciels durables

L'article de perspective est issu des discussions de l'atelier 2022 « Développement et intégration de logiciels de chimie computationnelle durable ». Les participants y ont discuté des besoins en matière d'infrastructure logicielle et des investissements nécessaires pour exploiter tout le potentiel des ressources informatiques émergentes. La réunion a réuni des chercheurs de toute la communauté de la chimie computationnelle.

Au cours des discussions de l'atelier, les développeurs ont réalisé qu'ils étaient constamment confrontés à des problèmes similaires pour s'adapter aux nouvelles ressources informatiques et développer des logiciels intégrables. Les équipes individuelles ont réalisé qu'elles pouvaient s'appuyer sur les expériences d'autres personnes qui ont déjà trouvé des solutions aux problèmes émergents.

Les chercheurs du PNNL ont poursuivi ces conversations, en travaillant en étroite collaboration avec des partenaires universitaires, des laboratoires nationaux et de l'industrie pour créer de nouveaux outils innovants pour la découverte scientifique à travers des projets tels que TEC ⁴ . (Transfert de la chimie informatique exascale vers l'environnement de cloud computing et les technologies matérielles émergentes).

Les auteurs conviennent que le développement de logiciels durables permet au domaine d’évoluer plus rapidement dans tous les domaines sans obliger les chercheurs à réinventer systématiquement les correctifs existants. Cette stratégie rend les investissements plus efficaces, car la collaboration crée également des ponts de cohérence interne entre les différents programmes. Les auteurs reconnaissent la nécessité d'une adaptation continue des logiciels pour répondre aux besoins scientifiques et matériels.

"Ce travail vient de notre perspective actuelle", a déclaré Govind. "Ce n'est pas un plan statique. Nous devons tous être prêts à adopter des points de vue nouveaux et évolutifs."