Los científicos han logrado un salto notable en la química computacional, simulando más de un millón de electrones en sistemas moleculares mientras procesan quintillones de cálculos por segundo. Este avance nos acerca a la comprensión de sistemas biológicos complejos y al desarrollo de nuevos medicamentos, materiales y soluciones ambientales.
Publicado en Computación de alto rendimiento ACM | Tiempo estimado de lectura: 5 minutos
A veces, para entender lo muy pequeño, se necesita algo increíblemente grande. Eso es exactamente lo que demostró un equipo de investigación australiano-estadounidense cuando utilizaron Frontier, la supercomputadora a exaescala más rápida del mundo, para romper los límites anteriores en la simulación molecular.
El logro, que le valió al equipo el Premio ACM Gordon Bell 2024, representa una mejora mil veces mayor tanto en el tamaño de los sistemas que se pueden simular como en la velocidad a la que se ejecutan estas simulaciones. No se trata sólo de batir récords, sino de desbloquear nuevas posibilidades en el desarrollo de fármacos, la producción de biocombustibles y la ingeniería de materiales.
Las simulaciones tradicionales de dinámica molecular han luchado durante mucho tiempo con un compromiso fundamental: lograr una alta precisión pero simular solo sistemas pequeños, o modelar sistemas más grandes con una precisión reducida. El equipo de investigación encontró una forma de solucionar esta limitación combinando dos enfoques: la fragmentación molecular y la teoría de la perturbación MP2.
Utilizando el enorme poder computacional de Frontier, realizaron simulaciones en grupos moleculares que contenían más de dos millones de electrones, utilizando 9.400 nodos de la supercomputadora. Los cálculos lograron una eficiencia del 59 % del rendimiento máximo teórico de la máquina mientras utilizaban el 99,9 % de su capacidad, cifras notablemente altas para cálculos tan complejos.
«Este salto adelante no es simplemente incremental», señaló el equipo en su artículo. «Redefine los límites de lo que es computacionalmente factible en dinámica molecular, estableciendo un nuevo punto de referencia para la precisión y eficiencia en simulaciones a gran escala».
Las implicaciones se extienden mucho más allá de los logros computacionales. Este avance podría acelerar el desarrollo de nuevos medicamentos al permitir simulaciones más precisas de las interacciones farmacológicas con los sistemas biológicos. Podría ayudar a diseñar biocombustibles más eficientes y mejorar nuestra comprensión de procesos biológicos complejos que hasta ahora han sido demasiado grandes para simularlos con precisión.
El trabajo demuestra cómo la llegada de la computación a exaescala (máquinas capaces de realizar quintillones de cálculos por segundo) está transformando nuestra capacidad para comprender el mundo molecular que sustenta la biología, la química y la ciencia de los materiales.
Glosario:
- Dinámica molecular
- Un método de simulación por computadora que modela los movimientos físicos y las interacciones de átomos y moléculas.
- Computación a exaescala
- Sistemas informáticos capaces de realizar quintillones (millones de billones) de cálculos por segundo.
- Cálculos ab iniciales
- Cálculos basados en leyes fundamentales de la naturaleza en lugar de datos experimentales o modelos simplificados.
¿Cuántos electrones podría simular el equipo en su sistema molecular?
El equipo logró la simulación de más de dos millones de electrones en su grupo molecular.
¿Qué porcentaje del rendimiento máximo teórico de Frontier lograron los cálculos?
Los cálculos alcanzaron el 59% del rendimiento máximo teórico de la máquina utilizando el 99,9% de su capacidad.
¿Cuánto más grande es esta simulación en comparación con las capacidades anteriores?
La simulación tiene un tamaño de sistema 1.000 veces mayor que el estado de la técnica existente y se procesa 1.000 veces más rápido.
¿Cuáles son algunas aplicaciones potenciales de este avance?
Las aplicaciones incluyen el desarrollo de fármacos terapéuticos, la producción de biocombustibles, el reciclaje de plásticos y la ingeniería de biomateriales médicos.
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