CP2K on the road to exascale

Stel je voor dat je probeert te begrijpen hoe een druppel water zich gedraagt, niet alleen als een statische vloeistof, maar als een levend, ademend systeem waarbij elk afzonderlijk atoom constant beweegt, botst en reageert. Om dit te doen, gebruiken wetenschappers een krachtig type computersimulatie dat materie behandelt volgens de strikte wetten van de kwantummechanica, de natuurkunde die het zeer kleine beheerst. Deze simulaties zijn ongelooflijk veeleisend omdat ze de beweging van elektronen en kernen tegelijkertijd moeten volgen, een taak die enorme rekenkracht vereist. Decennialang hebben onderzoekers vertrouwd op supercomputers om deze berekeningen uit te voeren, maar naarmate de systemen die ze willen bestuderen groter worden — van kleine clusters naar uitgestrekte materialen met miljoenen atomen — is de tijd die nodig is om een antwoord te krijgen een flessenhals geworden. Het doel is altijd geweest om een punt te bereiken waarop computers deze problemen zo snel kunnen oplossen dat wetenschappers complexe chemische processen in realtime kunnen zien ontvouwen, waarbij ze hele werelden van atomen simuleren in plaats van slechts een paar.

Een team van onderzoekers achter de CP2K-softwarepackage, een veelgebruikt hulpmiddel voor dit soort atomaire simulaties, heeft gewerkt aan het overbruggen van de kloof tussen de huidige mogelijkheden en de volgende generatie supercomputers, bekend als exascale-machines. Deze nieuwe computers zijn ontworpen om een quintiljoen berekeningen per seconde uit te voeren, wat een enorme sprong in snelheid betekent. Het hebben van snellere hardware is echter niet genoeg; de software moet worden herschreven om om te gaan met de unieke manier waarop deze machines werken. Het werk van het team richt zich op het verfijnen van de kernalgoritmen die de simulaties aansturen, om ervoor te zorgen dat ze kunnen opschalen om miljoenen processorcores tegelijkertijd te gebruiken zonder vast te lopen. Ze zijn bijzonder geïnteresseerd in een specifieke methode genaamd tweede-generatie Car-Parrinello moleculaire dynamica, die de computer in staat stelt om de beweging van atomen over zeer lange perioden te simuleren, zoals nanoseconden, terwijl de elektronen in hun meest stabiele staat blijven. Deze aanpak is cruciaal omdat het de studie van realistische, eindtemperatuur-systemen mogelijk maakt, zoals vloeistoffen of vaste stoffen, in plaats van slechts bevroren momentopnames van materie.

De onderzoekers hebben drie belangrijke trends in de moderne computing geïdentificeerd waar hun software zich aan moet aanpassen: de noodzaak voor massaal parallelle verwerking, het wijdverbreide gebruik van graphics processing units (GPU's) voor berekeningen, en de beschikbaarheid van hardware die berekeningen uitvoert met variërende niveaus van precisie. Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, hebben het team de manier waarop hun code gegevens afhandelt, gestructureerd. Ze hebben nieuwe manieren ontwikkeld om grote wiskundige problemen op te delen in kleinere, onafhankelijke brokken die verschillende delen van een computer tegelijkertijd kunnen oplossen zonder constant met elkaar te hoeven overleggen. Dit wordt bereikt door gegevens te organiseren in vaste blokken die aan specifieke threads van verwerking zijn toegewezen, wat de vertragingen elimineert die meestal optreden wanneer veel processoren tegelijkertijd toegang proberen te krijgen tot dezelfde informatie. Ze hebben ook ondersteuning voor GPU's geïntegreerd, de krachtige chips die oorspronkelijk zijn ontworpen voor videogames maar nu essentieel zijn voor wetenschappelijke computing, waardoor de software de zwaarste berekeningen kan delegeren aan deze gespecialiseerde versnellers.

Een aanzienlijk deel van hun inspanning betreft het aanpakken van de wiskundige complexiteit van elektroninteracties, die het duurste deel van deze simulaties zijn. Traditioneel vereiste het berekenen van hoe elektronen elkaar afstoten in een groot systeem een aantal stappen dat explosief groeide naarmaling de systemen groter werden, wat grootschalige simulaties bijna onmogelijk maakte. Het team heeft nieuwe technieken geïntroduceerd om verwaarloosbare interacties weg te filteren, waardoor de minuscule krachten die er niet toe doen effectief worden genegeerd, wat de computationele kosten drastisch vermindert. Ze hebben ook methoden ontwikkeld om de dichtheid van elektronen te benaderen met kleinere, gemakkelijker te berekenen matrices, waarbij de resultaten later corrigeren met een preciezere maar goedkopere berekening. Dit stelt hen in staat om een hoge nauwkeurigheid te behouden terwijl de tijd drastisch wordt verkort. Verder onderzoeken ze het gebruik van "mixed precision", waarbij de computer het grootste deel van zijn werk uitvoert met een lager niveau van numerieke nauwkeurigheid dat sneller te berekenen is, en vervolgens een gespecialiseerde wiskundige correctie gebruikt om ervoor te zorgen dat het eindresultaat exact blijft.

De resultaten van deze ontwikkelingen zijn nu al indrukwekkend. In simulaties van bulkwater hebben de onderzoekers aangetoond dat hun geoptimaliseerde code systemen tot één miljoen atomen aan kan in een supercomputer met tienduizenden cores. Recentelijk hebben ze, door hun nieuwe submatrix-methode te combineren met het zuiveringsschema voor elektrondichtheid, een recordbrekende simulatie bereikt van een systeem met meer dan 100 miljoen atomen. Deze enorme berekening draaide op een supercomputer met een constante prestatie van 324 petaflops, waarbij meer dan 67 procent van het totale theoretische vermogen van de machine werd benut. Deze efficiëntie bewijst dat de software effectief de ruwe snelheid van moderne hardware kan aanwenden om problemen op te lossen die voorheen buiten bereik lagen.

Kijkend naar de toekomst, zien de auteurs een toekomst voor zich waarin deze klassieke simulaties worden aangevuld door andere opkomende technologieën. Ze suggereren dat kunstmatige intelligentie, specifificamente diepe neurale netwerken, gebruikt zou kunnen worden om beslissingen te nemen tijdens een simulatie, zoals bepalen of een complexe berekening vanaf nul moet worden uitgevoerd of dat een getraind netwerk een voldoende nauwkeurig antwoord kan bieden. Ze voorzien ook hybride benaderingen waarbij een kwantumcomputer, die werkt volgens de principes van de kwantummechanica, naast de klassieke supercomputer zou kunnen werken om specifieke delen van het probleem op te lossen, zoals het berekenen van het gedrag van elektronen op een manier die momenteel te moeilijk is voor klassieke machines. Hoewel deze toekomstige toepassingen nog in de planningsfase zitten, legt het huidige werk aan CP2K de essentiële grondslag, waardoor de software klaar is om mee te evolueren met de hardware, en de belofte van exascale computing om te zetten in een praktische realiteit voor het begrijpen van de materiële wereld.