Мощное программное обеспечение позволяет сократить время моделирования реакций с участием крупных молекул с недель до нескольких минут.
Пример графического расчета энергии в одной точке от EXESS (Изображение предоставлено QDX)
Теперь доступен мощный инструмент для квантовой химии, который может помочь ученым в решении сложных химических задач. Разработчик системы, компания QDX, утверждает, что новая технология может значительно ускорить исследования в области разработки лекарств, материаловедения и других областях.
По словам представителей QDX, система экстремально-масштабных электронных структур (Extreme-scale Electronic Structure System, EXESS) может выполнять более 1 квинтиллиона вычислений в секунду для решения задач в области квантовой химии, говорится в заявлении.
Расчеты в области квантовой химии играют важную роль в разработке новых лекарств и материалов. Например, исследователи используют моделирование квантовой химии, чтобы понять, как лекарства взаимодействуют с молекулярными рецепторами в организме. Это понимание может помочь исследователям модифицировать молекулу лекарства, чтобы оптимизировать скорость и эффективность этого взаимодействия.
Но традиционно моделирование в квантовой химии «требует колоссальных вычислительных мощностей», как сказал в интервью Live Science Лунг Ванг, генеральный директор компании QDX. «Во многих случаях быстрее синтезировать соединение и тестировать его в течение нескольких недель, чем пытаться рассчитать его свойства».
Необходимая вычислительная мощность экспоненциально возрастает с увеличением количества атомов в системе. Точное решение задач, связанных с крупными молекулами, такими как белки, которые могут содержать тысячи атомов, быстро становится невозможным. По словам Вана, цель проекта EXESS — «сделать квантовую химию достаточно быстрой, чтобы ее можно было применять на практике».
По данным QDX, EXESS работает в 3000–4000 раз быстрее, чем многие другие программные пакеты для квантовой химии, что позволяет проводить расчеты с участием крупных молекул, таких как белки. Такого значительного увеличения скорости не удалось добиться с помощью какой-то одной инновации, и программа работает на обычном оборудовании, так что никаких квантовых вычислений не требуется. Вместо этого Ван и его коллеги оптимизировали множество отдельных компонентов программного обеспечения, что в совокупности позволило увеличить скорость и масштаб вычислений.
Один из способов, с помощью которого команда ускорила вычисления, заключался в том, чтобы найти возможность выполнять несколько операций одновременно. Многие алгоритмы квантовой химии рассчитаны на последовательное выполнение операций. Но даже при наличии огромных вычислительных мощностей «девять поваров не смогут приготовить блюдо по одному и тому же рецепту за одну девятую часть времени», — сказал Ван. Команда нашла способы изменить алгоритмы или теоретические подходы, чтобы можно было выполнять несколько процессов одновременно, как на «промышленной кухне, где вы просто штампуете рецепты», — добавил Ван.
На двух графиках показан расчет одной энергетической точки с помощью EXESS. (Изображение предоставлено QDX)
Например, команда применила метод, известный как молекулярная фрагментация, при котором задача разбивается на более мелкие фрагменты, которые вычисляются одновременно, а затем снова объединяются. Это позволило ускорить большие вычисления за счет одновременного выполнения множества мелких вычислений.
«Есть расчеты, которые в принципе заняли бы около месяца, но при использовании EXESS они выполняются примерно за 12 минут», — рассказал Ванг в интервью Live Science.
В настоящее время QDX сосредоточилась на использовании EXESS для разработки лекарств, поиска и оптимизации взаимодействия между лекарствами и организмом, а также для лучшего понимания того, как действуют существующие препараты и почему у людей развивается резистентность к ним. Однако компания предлагает бесплатный доступ для одобренных исследовательских проектов. Ограниченная версия программного обеспечения также доступна для широкой публики.
«Я надеюсь, что люди будут делать то, чего мы сейчас не делаем, и я говорю это не с точки зрения конкуренции, — сказал Ванг. — Мы сосредоточились на нескольких действительно интересных, на наш взгляд, задачах». Но на самом деле мы хотим, чтобы люди сосредоточились на остальных 99% существующих проблем и посмотрели, что они могут сделать в этих областях. Возможно, квантовая химия поможет решить некоторые из них. Сообщает livescience.