研究人员表示计算化学也需要可持续

一群多元化的计算化学家正在鼓励研究界拥抱可持续的软件生态系统。这就是《化学理论与计算杂志》上发表的一篇观点文章背后的信息。作者讨论了如何在不断变化的计算环境下开发软件的可能场景。

太平洋西北国家实验室(PNNL)的计算化学家、该论文的通讯作者卡罗尔·科瓦尔斯基(KarolKowalski)表示：“有了更强的计算能力，我们就可以研究化学的其他方面。”“我认为计算化学将在加深我们对21世纪重要化学过程的理解方面发挥巨大作用。我们可以使用模拟来帮助指导和确定强大循环中的实验研究范围。”

计算范式正在发生转变，大规模和量子系统正在成为计算未来的核心。这些新技术将使研究人员能够解决不同的、更复杂的化学问题。但新的机遇也带来了新的挑战，包括创建可以无缝协作的集成软件。

旨在解决特定类型问题的专用化学软件包数量不断增加。随着计算化学提出的问题不断增加复杂性，研究人员需要利用不同的程序来解决这些问题。结合计算技术的变化，该领域正处于展望未来的重要时刻。

“我们需要确保我们的方法能够充分利用百亿亿次机器、云计算和量子计算的新发展，”科瓦尔斯基说。“这需要规划未来并预测将出现的新挑战。”

什么是可持续软件?

在文章中，作者将可持续软件定义为一个由不同软件包组成的系统，可以将其组装并用作一个内聚系统来解决广泛的化学问题。

PNNL计算化学家、该论文的合著者尼里·戈文德(NiriGovind)表示：“随着我们提出的问题变得越来越复杂，寻找合适技术来解决这些问题的过程也变得越来越复杂。”“我们需要在不同平台上共同努力，以产生最有意义的结果。有效地做到这一点需要建立该领域的标准。”

计算化学生态系统是新方法的宝贵试验场。计算化学家及其软件所面临的问题并不是化学所独有的，它们可以在科学建模工作中找到。作为科学领域最成熟的计算环境之一，开发团队近年来一直保持联系和协作。

协作努力和知识共享至关重要，因为单个问题通常需要使用多种类型的软件来准确捕获现实世界系统的复杂性。

通常，研究团队在开发能够产生解决特定问题的新功能的软件时，关注点很窄。随着专业知识的缩小，生态系统的复杂性不断增加，导致协作不断增加。

用计算塑造化学

不久前，计算化学模拟主要充当实验结果的验证器。然而，随着计算能力的增强，计算化学不仅能够验证，而且能够解决复杂问题、指导和解释实验以及实现预测。

随着从计算化学中获得的知识范围不断扩大，这是有代价的。模拟越复杂，获得解决方案所需的计算能力和时间就越多。作者认为，规划未来需要应对新问题日益增长的需求，适应下一代计算架构的要求，并开发全面的互操作性。

PNNL计算与理论化学研究所(CTCI)的成员正在通过当前和未来计算平台上的创新、可扩展的解决方案来应对这一挑战

CTCI主任兼论文合著者SotirisXantheas表示：“通过CTCI，我们建立了一个制度框架，为领先级计算设施开发下一代计算化学软件。”

“通过将计算机科学工作与新颖的科学工具、人工智能和量子计算相结合，CTCI准备开发下一代分子建模能力。”

可持续软件研讨会

这篇观点文章源自2022年“可持续计算化学软件开发和集成”研讨会的讨论。与会者讨论了软件基础设施需求和投资，以充分发挥新兴计算资源的潜力。这次会议汇集了来自计算化学界的研究人员。

在研讨会讨论期间，开发人员意识到他们在适应新的计算资源和开发可集成软件时一直面临着类似的问题。各个团队意识到他们可以借鉴其他已经找到新问题解决方案的经验。

PNNL研究人员继续进行这些对话，与学术界、国家实验室和行业合作伙伴密切合作，通过TEC4(将百亿亿级计算化学转移到云计算环境和新兴硬件技术)等项目，为科学发现创建创新的新工具。

作者一致认为，可持续软件开发可以使该领域全面更快地发展，而不需要研究人员不断地重新发明现有的修复程序。这一策略使投资更加高效，因为协作还构建了不同项目之间内部一致性的桥梁。作者认识到需要不断调整软件以满足科学和硬件需求。

“这项工作来自我们当前的视角，”戈文德说。“这不是一个静态的计划。我们都需要准备好接受新的和不断发展的观点。”