La capacidad de simular el comportamiento de la materia a escala atómica está revolucionando la ciencia de los materiales y todo lo relacionado con ella. Este enfoque está produciendo nuevos materiales con propiedades exóticas, aleaciones resistentes para la energía nuclear y una nueva comprensión del plegamiento de proteínas, por nombrar sólo algunas aplicaciones.

Estos avances son en gran medida el resultado de máquinas informáticas cada vez más potentes, cuyo objetivo es hacer simulaciones más grandes, más rápidas y más largas.

Ese es el objetivo, pero la realidad tiene más matices. Computadoras más potentes han permitido a los investigadores simular enormes masas de materia que contienen billones de átomos. Pero incluso en las computadoras a exaescala más potentes del mundo, un mes completo de computación produce sólo unos pocos microsegundos de tiempo simulado.

Peor aún, agregar más CPU no ayuda mucho. Esto se debe a que el tiempo que lleva transmitir información entre estos chips es el factor limitante en estos cálculos. Agregar más chips solo empeora este cuello de botella.

Impacto atómico

Ahora todo eso está cambiando gracias al trabajo de Kylee Santos en Cerebras Systems, un fabricante de chips de California, junto con científicos de los Laboratorios Nacionales Sandia, Lawrence Livermore y Los Alamos. Este grupo ha encontrado una manera de acelerar las simulaciones a escala atómica en dos órdenes de magnitud con resultados que podrían tener un impacto transformador en la ciencia de los materiales.

Los retrasos de tiempo introducidos por las interconexiones entre chips son un problema bien conocido en los cálculos a gran escala, donde hay que conectar decenas de miles de chips.

Estos chips generalmente tienen muchos núcleos, cada uno de ellos capaz de realizar cálculos independientemente de los demás. De hecho, las CPU de escritorio de alta gama suelen tener docenas de núcleos. La gran ventaja es que, como todos los núcleos están tallados en la misma losa de silicio, pueden intercambiar datos rápidamente.

Cerebras se fundó para eliminar un curioso artefacto de fabricación de chips. Los chips de silicio comienzan su vida como obleas circulares de silicio puro, cada una del tamaño aproximado de un plato grande. Estas obleas albergan decenas o cientos de chips, según su tamaño. Al final del proceso de fabricación, las obleas se dividen en chips individuales, que luego se venden por separado.

Pero en las supercomputadoras, los chips deben volver a conectarse para que intercambien datos. La gran idea de Cerebras es convertir una oblea de silicio completa en un único chip gigante, al que la empresa llama «motor a escala de oblea». La gran ventaja es que dentro de estas obleas, todos los núcleos pueden comunicarse a gran velocidad.

El resultado es un chip extraordinario. El Wafer-Scale Engine-2 (WSE-2) de la compañía es un chip único que alberga 850.000 núcleos, con 40 GB de memoria en el chip y un ancho de banda de memoria de 20 petabits por segundo. Todo esto consume 23 kilovatios de potencia… ¡para un solo chip!

Es esta máquina la que Santos y sus colegas han puesto a prueba para simular el comportamiento de la materia. El equipo utiliza cada núcleo para simular un solo átomo en una losa de material que contiene más de 800.000 de ellos. Eso equivale a una astilla de aproximadamente 60 x 60 x 2 nanómetros de tamaño.

Límite de grano

Un problema clave en la ciencia de los materiales es comprender cómo interactúa un cristal de metal con el cristal contiguo cuando están orientados en diferentes direcciones. Estos llamados límites de grano son complejos porque, aunque los átomos están perfectamente ordenados dentro de los cristales, en los límites tienen disposiciones más complejas que cambian con el tiempo.

Las simulaciones deben tener en cuenta las vibraciones atómicas que ocurren en la escala de femtosegundos y al mismo tiempo simular cambios físicos y químicos, como cambios en la posición de un átomo en relación con sus vecinos, que surgen en la escala de microsegundos. Esa es una diferencia de escala de nueve órdenes de magnitud. Por eso es tan importante lograr tiempos de simulación más largos.

Ahora Santos y compañía lo han hecho con el cobre, el tungsteno y el tantalio y parece eminentemente posible lograr más avances. «Al dedicar un núcleo de procesador para cada átomo simulado, demostramos una mejora de 179 veces en los tiempos por segundo», afirman Santos y compañía. Esto permite alcanzar en un solo día el equivalente a 6 meses de tiempo de ejecución en una computadora a exaescala convencional.

Santos y sus colegas dicen que esto debería generar enormes dividendos cuando se aplique a problemas abiertos en la ciencia de materiales. «Reducir cada año de tiempo de ejecución a dos días desbloquea escalas de tiempo actualmente inaccesibles de procesos lentos de transformación de microestructuras que son críticos para comprender el comportamiento y la función del material», dicen.

«Nuestro trabajo demuestra que las nuevas arquitecturas informáticas a escala de oblea pueden lograr un aumento importante en la tasa máxima de simulación de sistemas atomísticos complejos».

Y se esperan más avances pronto. El trabajo actual utilizó la oblea Cerebras WSE-2, que la compañía presentó en 2021. A principios de este año, lanzó la WSE-3, diseñada específicamente para aplicaciones de IA. Valdrá la pena ver sus capacidades.

Ref: Rompiendo la barrera de la escala de tiempo de la dinámica molecular utilizando un sistema de escala de oblea: arxiv.org/abs/2405.07898