"Con una maggiore potenza di calcolo, possiamo esaminare ulteriori aspetti della chimica", ha affermato Karol Kowalski, chimico computazionale presso il Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) e autore corrispondente dell'articolo. "Penso che la chimica computazionale svolgerà un ruolo enorme nello sviluppo della nostra comprensione di importanti processi chimici nel 21° secolo. Possiamo utilizzare le simulazioni per guidare e definire gli studi sperimentali in un potente ciclo."

I paradigmi informatici sono in fase di transizione, con i sistemi quantistici e su larga scala che emergono come centrali per il futuro dell’informatica. Queste nuove tecnologie consentiranno ai ricercatori di risolvere problemi chimici diversi e più complicati. Ma con le nuove opportunità si presentano nuove sfide, inclusa la creazione di software integrato che possa funzionare perfettamente insieme.

Esiste un numero sempre crescente di pacchetti software specializzati in chimica mirati alla risoluzione di tipi specifici di problemi. Poiché le domande poste dalla chimica computazionale continuano ad aumentare di complessità, i ricercatori devono utilizzare programmi diversi per affrontarle. In combinazione con i cambiamenti nelle tecnologie informatiche, il settore si trova in un punto importante per guardare al futuro.

"Dobbiamo garantire che i nostri approcci possano sfruttare appieno i nuovi sviluppi nelle macchine exascale, nel cloud computing e nell'informatica quantistica", ha affermato Kowalski. "Ciò richiede una pianificazione per il futuro e un'anticipazione delle nuove sfide che si presenteranno."

Che cos'è il software sostenibile?

Nell'articolo, gli autori hanno definito il software sostenibile come un sistema di diversi pacchetti software che possono essere assemblati e utilizzati come un sistema coeso per affrontare un'ampia gamma di problemi chimici.

"Poiché le domande che ci poniamo stanno diventando sempre più complicate, lo è anche il processo per trovare tecniche adeguate per affrontarle", ha affermato Niri Govind, chimico computazionale del PNNL e coautore dell'articolo. "Dobbiamo lavorare insieme su piattaforme diverse per generare i risultati più significativi. Per farlo in modo efficace è necessario stabilire standard per il settore."

L’ecosistema della chimica computazionale rappresenta un prezioso banco di prova per nuovi metodi. I problemi affrontati dai chimici computazionali e dai loro software non riguardano esclusivamente la chimica:possono essere riscontrati anche negli sforzi di modellazione scientifica. Trattandosi di uno degli ambienti computazionali più consolidati nel campo della scienza, i team di sviluppo sono stati costantemente in contatto e hanno collaborato negli ultimi anni.

Gli sforzi di collaborazione e la condivisione delle conoscenze sono essenziali perché spesso un singolo problema richiede l'uso di più tipi di software per catturare con precisione la complessità dei sistemi del mondo reale.

Spesso i gruppi di ricerca hanno un focus ristretto durante lo sviluppo di software che offre nuove capacità per affrontare problemi specifici. Questa complessità sempre crescente dell'ecosistema porta a una maggiore collaborazione man mano che le competenze si restringono.

Modellare la chimica con il calcolo

Non molto tempo fa, le simulazioni di chimica computazionale servivano principalmente come validatori dei risultati sperimentali. Tuttavia, con l'aumento della potenza di calcolo, è aumentata anche la capacità della chimica computazionale non solo di convalidare, ma anche di risolvere problemi complessi, guidare e interpretare esperimenti e consentire previsioni.

Poiché la gamma di conoscenze che è possibile acquisire dalla chimica computazionale si è ampliata, ciò ha comportato un costo. Più una simulazione è complicata, maggiore sarà la potenza di calcolo e il tempo necessari per raggiungere una soluzione. La pianificazione per il futuro, sostengono gli autori, richiede di affrontare le crescenti richieste di nuovi problemi, adattarsi ai requisiti delle architetture informatiche di prossima generazione e sviluppare la piena interoperabilità.

I membri del Computational and Theoretical Chemistry Institute (CTCI) del PNNL stanno affrontando questa sfida attraverso soluzioni innovative e scalabili sulle piattaforme computazionali attuali e future

"Attraverso il CTCI, abbiamo stabilito un quadro istituzionale per sviluppare la prossima generazione di software di chimica computazionale per strutture informatiche di livello leader", ha affermato Sotiris Xantheas, direttore del CTCI e coautore dell'articolo.

"Utilizzando una combinazione di sforzi informatici con nuovi strumenti scientifici, intelligenza artificiale e calcolo quantistico, il CTCI è pronto a sviluppare le capacità di modellazione molecolare di prossima generazione."

Workshop per software sostenibile

L'articolo prospettico è emerso dalle discussioni svoltesi al workshop del 2022 "Sviluppo e integrazione di software di chimica computazionale sostenibile". Lì, i partecipanti hanno discusso delle esigenze dell'infrastruttura software e degli investimenti per realizzare il pieno potenziale delle risorse informatiche emergenti. L'incontro ha riunito ricercatori provenienti da tutta la comunità della chimica computazionale.

Durante le discussioni del workshop, gli sviluppatori si sono resi conto che si trovavano costantemente ad affrontare problemi simili nell'adattarsi alle nuove risorse informatiche e nello sviluppo di software integrabile. I singoli team si sono resi conto che potevano attingere alle esperienze di altri che hanno già trovato soluzioni ai problemi emergenti.

I ricercatori del PNNL hanno portato avanti queste conversazioni, lavorando a stretto contatto con il mondo accademico, il Laboratorio nazionale e i partner industriali per creare nuovi strumenti innovativi per la scoperta scientifica attraverso progetti come TEC ⁴ (Trasferimento della chimica computazionale Exascale all'ambiente di cloud computing e alle tecnologie hardware emergenti).

Gli autori concordano sul fatto che lo sviluppo sostenibile del software consente al settore di muoversi più rapidamente su tutta la linea senza richiedere ai ricercatori di reinventare costantemente le soluzioni esistenti. Questa strategia rende gli investimenti più efficienti, poiché la collaborazione crea anche ponti di coerenza interna tra diversi programmi. Gli autori riconoscono la necessità di un continuo adattamento del software per soddisfare le esigenze sia scientifiche che hardware.

"Questo lavoro deriva dalla nostra prospettiva attuale", ha affermato Govind. "Questo non è un piano statico. Dobbiamo tutti essere pronti ad abbracciare punti di vista nuovi ed in evoluzione."