Supercomputers meldden zich om licht te werpen op fotosynthese

Supercomputers meldden zich om licht te werpen op fotosynthese

Anonim

door de universiteit van Baskenland

Image

Onderzoekers van de UPV / EHU-universiteit van Baskenland gebruiken high-performance computing om de processen te simuleren die plaatsvinden tijdens de eerste momenten van fotosynthese

Met behulp van kwantummechanica als basis, werken UPV / EHU computerwetenschappers, natuurkundigen en chemici samen om simulaties te produceren van het molecuul waarin fotosynthese plaatsvindt. Ze hebben een Octopus-softwarepakket uitgevoerd in de snelste supercomputers in Europa en na verschillende verbeteringen te hebben doorgevoerd, hebben ze de grootste simulaties op dit gebied uitgevoerd door efficiënt duizenden processors te gebruiken.

Computing - het creëren van supercomputers, vooral - stelt wetenschappers en ingenieurs in staat om zeer complexe fysieke processen te analyseren met behulp van simulatietechnieken. In dit geval werken onderzoekers van het UPV / EHU-departement voor computerarchitectuur en -technologie en het departement voor materiaalfysica samen met onderzoekers van verschillende universiteiten (waaronder de Universidade de Coimbra, Universitat de Barcelona, ​​Lawrence Livermore National Laboratory, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Universiteit van Luik) om het fotosyntheseproces te analyseren op basis van verschillende theorieën, omdat de manier waarop planten licht absorberen een mysterie blijft.

Het molecuul dat fotosynthese in planten uitvoert, is de LHC-II (Light Harvesting Complex II), met meer dan 17.000 atomen. Wetenschappers weten niet hoe dit molecuul werkt wanneer het fotonen van licht ontvangt. Complexe computers en geavanceerde programma's zijn nodig om moleculen te simuleren die zo groot zijn als deze. Joseba Alberdi, een computeringenieur van UPV / EHU, heeft zijn proefschrift op dit gebied geschreven, dankzij de samenwerking van de ALDAPA-groep van het Departement Computerarchitectuur en Technologie van de Computerfaculteit en de Nano-Bio Spectroscopiegroep van de Faculteit van Chemie.

Het doel: hoge prestaties behalen

Het softwarepakket Octopus dat wordt gebruikt om de berekeningen te maken, wordt onderbouwd door twee theorieën die het resultaat zijn van de herformulering van de kwantummechanica en die zijn gebaseerd op elektronische dichtheid. Met deze twee theorieën was het mogelijk om kwantummechanica-problemen met de computer op te lossen; want "anders krijg je vergelijkingen die zo complex zijn dat ze zelfs met de krachtigste supercomputers niet kunnen worden opgelost", legde Alberdi uit. "Helaas zijn zeer lange uitvoeringstijden nodig om systemen op ware grootte te simuleren, en het enige alternatief is om supercomputers te gebruiken, " voegde hij eraan toe. In dit werk heeft hij enkele van 's werelds snelste computers kunnen gebruiken: de Duitse Juqueen (met 458.752 processorkernen), de Italiaanse Fermi (met 163.840 cores), de Duitse Hydra (65.320 cores) en de Catalaanse MareNostrum III (48.896 cores ), onder andere.

Het doel van dit proefschrift van de onderzoeker Joseba Alberdi was om de Octopus-code te optimaliseren en hoge prestaties te behalen om de juiste versnellingsfactoren te verkrijgen in de berekeningen die worden gemaakt in supercomputers. Om deze code over meerdere processors te kunnen uitvoeren, moesten verschillende problemen met geheugen en prestaties worden opgelost. Het volledig uitvoeren van het LHC-II-molecuul vormt nog steeds een grote uitdaging, maar ze zijn erin geslaagd om belangrijke delen van het molecuul te simuleren. "We hebben gesimuleerde systemen met 5.759, 4.050 en 6.075 atomen; volgens de beschikbare gegevens zijn dit de grootste simulaties die tot nu toe zijn uitgevoerd", aldus de onderzoeker. In deze simulaties hebben ze kunnen bewijzen dat de theorie samenvalt met de realiteit. "Deze simulaties zullen ons in staat stellen voor het eerst de reacties te begrijpen die optreden tijdens de eerste femtoseconden (10-15 seconden) van fotosynthese", legde hij uit. Tegelijkertijd maken de verbeteringen die in de applicatie zijn opgenomen het mogelijk om vele andere systemen van deze omvang te simuleren, en omdat het ook gratis software betreft, kunnen alle fysici er gebruik van maken.