曙光超级计算机为先进的化学研究

Exascale即将来临。阿贡国家实验室的极光超级计算机将导致电荷作为全国第一个系统超过一个exaflop,或每秒万亿的计算。在极光的抵达阿贡领导计算设施(ALCF) 2021年,科学界将获得一定程度的计算性能和处理能力之前不可能的。大卫·布罗斯助理计算化学家阿贡的化学科学与工程部门,准备拥抱极光的惊人实力,使尖端科学。

布罗斯目前领导支持的一个项目极光早期科学项目(ESP),一个ALCF程序设计准备的关键应用程序和工具的体系结构和规模部署前的新系统。他的团队将使用预生产时间exascale系统开发软件工具,承诺让革命的进步多相催化研究领域,如bio-derived原料的化学转换和沉重的化石燃料,和小分子的转换,如公司,二氧化碳,甲烷,到更大的和更有价值的化合物。

这极光早期科学计划项目将使用数据科学技术结合量子化学模拟探讨否则造成棘手的相空间气相分子在催化剂表面找到相关配置和最低的过渡状态。团队的结果将用于生产所必需的热力学和动力学参数完全模拟复杂的化学反应发生在这些异构环境。(图片由埃里克·爱马仕桑迪亚国家实验室)

这极光早期科学计划项目将使用数据科学技术结合量子化学模拟探讨否则造成棘手的相空间气相分子在催化剂表面找到相关配置和最低的过渡状态。团队的结果将用于生产所必需的热力学和动力学参数完全模拟复杂的化学反应发生在这些异构环境。(图片由埃里克·爱马仕桑迪亚国家实验室)

极光ESP工作是一个更大的项目的一部分Exascale催化化学(ECC)由美国能源部资助的基本能源科学、计算化学科学项目。ECC团队由Judit Zador桑迪亚国家实验室,包括合作伙伴在美国在太平洋西北国家实验室,布朗大学,东北大学,当然,在阿贡。ECC的目标是开发一个全面的和开源计算框架,包括如阿贡的公开访问数据库活跃的热化学表,可以探索在多相催化化学反应途径。保持他们的工作开源使得他们的数据和软件解决方案提供给科学界广泛,然后把这些用于自己的研究努力使用极光系统。

探索化学反应

催化剂是几乎所有的核心工业化学过程进行。催化剂能改变化学反应的速率通过修改的微妙细节反应路径。设计良好的催化剂加速化学反应,生产所需的产品,同时减缓干扰过程。催化剂有许多形式和阶段。他们可以作为纳米粒子存在,解决相溶剂,金属铂,或复杂的蛋白质称为酶。

ECC团队正在开发一种计算框架,加速金属和金属氧化物催化剂的表征和优化气相分子的变换。框架由三个相关的研究工作,包括开发自动化的方法探索催化反应路径并将其装配成完整的反应机制,其他人可以使用在未来优化催化剂和操作条件。布罗斯描述了三阶段过程。“使用极光,我们团队的第一步是为个人反应描述反应通路通过执行量子化学模拟。之后,我们将寻求理解整个反应机理对于一个给定的过程,包含许多这样的反应。在这个过程中,我们正在创造相关的热化学和动力学信息,其他人可以使用。最后,我们将分析机制,找到给定的参数,使改善催化剂。我们有很多工作要做,但这是一个鼓舞人心的项目。”

布罗斯的专业知识在数据库中唯一有价值的努力使他的技能。“正如我们所说,化学转化技术和催化剂驱动许多行业,”他说,增强催化反应的重要性。作为catalyst-driven化学反应的一个例子,布罗斯引用了。哈勃-博施方法这个过程是由两名德国科学家,卡尔博世和弗里茨·哈伯(德国,1910年。“生成的氨氮,哈勃-博施方法制造肥料是至关重要的。如果这一过程不存在,我们不支持今天地球上的条十亿人口。简单地说,我们不会有足够的食物,”他说。

催化创新

作为一个实用的目标努力时,计算工具开发的项目将使团队在催化和其他社区开发新催化剂可以改善现有的工业流程,从而减少能源使用和浪费。因此,早期的科学项目团队需要建立机制来理解现有催化剂的细微差别,找到方法来设计新的、更有效的催化剂。布罗斯指出,“开发新工业价值的催化剂,我们需要开发的分子水平理解它们是如何工作的。一旦我们有了一个完整的描述的热化学和反应动力学基础纳尔这些机制,我们可以用这些知识来调整和工程师催化剂可以推进我们使用的许多技术。”

他强调这个项目的目标是开发工具都是开源和气体/固体多相催化内具有广泛的适用性。有很多流程和相关催化剂优化。而不是专注于一个特别的问题,该项目旨在创造一个能够解决使用exascale计算机这个领域的许多可能的问题。作为一个例子,布罗斯说,这种努力的一个潜在的应用程序涉及到处理的化石燃料。

Exascale计算机驱动化学

“更大的分子,比如我们在使用催化剂,希望探索为模拟创建大量的复杂性。每个额外的原子在这些分子增加了另外三个独立变量的空间探索,和催化剂有各个方面不同的催化网站和活动。收集信息需要大量的计算能力攻击“缩放”问题。布罗斯补充说,“继续”exascale计算的很大的优势是,我们可以探索更多的化学反应途径比以往任何时候都。这样做,我们可以建立“全球”机制而不是集中在一个反应步骤。,我们获得更深刻的见解和一个完整的机械理解识别新,甚至提高,催化剂。”

对于复杂的像这样的努力,团队必须找到方法来压缩的范围挑战最强大的计算机系统进行调节。甚至一个系统一样强大的极光可能窒息等令人生畏的工作量。这个过程需要一个强大的组合有效的算法来完成的壮举。

实现极光的性能水平需要最新的先进的硬件。由克雷,系统将把未来一代的Intel Xeon处理器可伸缩,下一代英特尔Optane直流持久的记忆,和未来的英特尔Xe技术。布罗斯强化所需的团体工作的重要性,意识到一个巨大的项目像极光的发展:“我们感到非常幸运的英特尔和克雷支持极光的成功。使一个系统需要一个村庄极光的规模和范围。没有技术和人类经验的结合和配合,一个系统像极光可能不存在的。”

阐述了布罗斯,“我们也非常感谢美国能源部的支持,以及他们的格兰特在ECC基金研究我们正在做。资金允许我们开发所需的软件和利用极光完成模拟。”

赋予新的科学

整个工作的主要部分包括软件开发。布罗斯和更大的团队正在努力创建必要的代码协助工作。而软件为催化剂直接适用性识别过程,它也适用于其他类型的研究在未来。

“Exascale将允许我们解决昨天的不可逾越的科学问题。直到现在,我们被迫忠诚之间的权衡模拟导航,获取所需的时间,模拟的数量我们可以执行有限数量的周期。大大增加计算资源如极光,我们可以执行更高保真模拟。因此,我们可以得到更好的定量描述来推动我们的工作。”

“我非常兴奋是一个早期的科学团队的一部分,并有机会应用极光的力量共同努力。”笑着,布罗斯补充说,“这也是激动人心的极光只有十分钟从我的办公室走!”

罗伯·约翰逊在他的职业生涯咨询一笔25科技公司。目前,Rob拥有微调,有限责任公司战略营销和通信咨询公司在波特兰,俄勒冈州。作为技术、音频和设备终身爱好者,抢劫也为TONEAudio杂志写道,回顾高端音响设备。

本文是作为英特尔的HPC编辑程序的一部分,强调目标的尖端科学研究和创新驱动的HPC社区通过先进的技术。出版商的内容拥有最终的编辑权限,并确定哪些文章发表