計算化学にも持続可能性が必要だ

Beth Mundy オリジナル記事「Computational Chemistry Needs To Be Sustainable, Too」

計算化学者の多様なグループが、持続可能なソフトウェア・エコシステムを受け入れるよう研究コミュニティに働きかけている。これは、Journal of Chemical Theory and Computationに掲載された最近の展望記事の背景にあるメッセージである。著者らは、計算環境が変化する中で、どのようにソフトウェアを開発するかについて、考えられるシナリオを論じている。

「計算能力が向上すれば、化学の新たな側面を調べることができます」と、パシフィック・ノースウェスト国立研究所（PNNL）の計算化学者であり、論文の筆頭著者であるカロル・コワルスキー氏は言う。「計算化学は、21世紀の重要な化学プロセスの理解を深める上で大きな役割を果たすと私は考えています。われわれはシミュレーションを使って、強力なループの中で実験的研究の指針と範囲を広げることができるのです。」

コンピューティング・パラダイムは転換期を迎えており、大規模システムと量子システムがコンピューティングの将来の中心的存在として浮上している。これらの新しい技術によって、研究者はこれまでとは異なる、より複雑な化学の問題を解決できるようになるだろう。しかし、新たなチャンスには、シームレスに連携できる統合ソフトウェアの開発など、新たな課題も伴う。

特定のタイプの問題を解決することを目的とした、化学に特化したソフトウェア・パッケージの数は増え続けている。計算化学で問われる問題が複雑化するにつれ、研究者はそれに対処するためにさまざまなプログラムを利用する必要がある。コンピューティング技術の変化と相まって、この分野は将来を見据える上で重要な局面を迎えている。

「我々のアプローチは、エクサスケールマシン、クラウドコンピューティング、量子コンピューティングの新しい発展を十分に利用できるようにする必要があります。」とコワルスキー氏は述べている。「そのためには、将来を見据えて計画を立て、新たな課題が発生することを予測する必要があるのです。」

持続可能なソフトウェアとは何か？

論文の中で著者たちは、持続可能なソフトウェアとは、化学の幅広い問題に取り組むために、さまざまなソフトウェアパッケージを組み立て、まとまりのあるシステムとして使用できるものであると定義している。

「我々が問うている問題が複雑化するにつれ、それに取り組むための適切な技術を見つけるプロセスも複雑化しています」とPNNLの計算化学者で論文の共著者であるニリ・ゴビンド氏は言う。「最も意味のある結果を得るためには、異なるプラットフォーム間で協力する必要があります。この技術を効果的に使うには、この分野の標準を確立する必要があるのです。」

計算化学のエコシステムは、新しい手法の貴重な実験場である。計算化学者とそのソフトウェアが直面する問題は、化学に限ったことではなく、科学的なモデリング作業全体に見られるものである。科学界で最も確立された計算環境の一つとして、開発チームは近年一貫して連絡を取り合い、協力してきた。

一つの問題でも、実世界の複雑なシステムを正確に把握するためには、複数の種類のソフトウェアを使用する必要があることが多いため、共同作業と知識の共有は不可欠である。多くの場合、研究チームは、特定の問題に取り組むための新機能をもたらすソフトウェアを開発する一方で、焦点を絞っている。このようにエコシステムが複雑化し続けることで、専門知識が狭まり、共同作業が増えることになる。

計算で化学を形作る

少し前までは、計算化学シミュレーションは主に実験結果の検証役として機能していた。しかし、計算能力が向上するにつれ、計算化学の能力も、単に検証するだけでなく、複雑な問題を解決し、実験を導き、解釈し、予測を可能にするようになった。

計算化学から得られる知識の幅が広がるにつれ、その代償も大きくなってきた。シミュレーションが複雑であればあるほど、解に到達するためにはより多くの計算能力と時間が必要となる。将来の計画を立てるには、新しい問題に対する要求の高まりに対応し、次世代コンピューティング・アーキテクチャの要件に適応し、完全な相互運用性を開発する必要がある、と著者らは主張している。

PNNLの計算理論化学研究所（CTCI）のメンバーは、現在および将来の計算プラットフォームにおける革新的でスケーラブルなソリューションを通じて、この課題に取り組んでいる。

「CTCIを通じて、我々はリーダーシップクラスの計算機施設に対応する次世代の計算化学ソフトウェアを開発するための組織的枠組みを確立しました」と、CTCI所長で論文の共著者であるソティリス・ザンテアス氏は語った。「新しい科学ツール、人工知能、量子コンピューティングとコンピュータサイエンスの取り組みを組み合わせることで、CTCIは次世代の分子モデリング能力を開発する態勢を整えています。」

持続可能なソフトウェアのためのワークショップ

この展望記事は、エネルギー省科学局化学・地球科学・バイオサイエンス部門計算・理論化学プログラムの支援を受けた、2022年のワークショップ「持続可能な計算化学ソフトウェアの開発と統合」での議論から生まれた。

そこでは、新たなコンピューティング・リソースの可能性を最大限に実現するためのソフトウェア・インフラの必要性と投資について議論された。この会議には、計算化学コミュニティ全体から研究者が集まった。

ワークショップでの議論の中で、開発者たちは、新しいコンピューティング・リソースに適応し、統合可能なソフトウェアを開発する上で、常に同じような問題に直面していることに気づいた。個々のチームは、新たな問題に対する解決策をすでに見出している他のチームの経験を活用できることに気づいた。

PNNLの研究者たちはこのような話し合いを続け、TEC4（Transferring Exascale Computational Chemistry to Cloud Computing Environment and Emerging Hardware Technologies）のようなプロジェクトを通じて、学術界、国立研究所、産業界のパートナーと緊密に協力し、科学的発見のための革新的な新しいツールを生み出している。

著者は、持続可能なソフトウェア開発によって、研究者が既存の修正を一貫して再発明することなく、この分野を全体的に迅速に進めることができる、と同意している。この戦略は、共同研究が異なるプログラム間の内部一貫性の架け橋にもなり、投資をより効率的にする。著者らは、科学とハードウェアの両方のニーズを満たすために、ソフトウェアを継続的に適応させる必要性を認識している。

「この研究は、我々の現在の視点から生まれたものです」とゴビンド氏は言う。「私たちは皆、新しく進化する視点を受け入れる準備をする必要があります。」

PNNLの背景

パシフィック・ノースウェスト国立研究所は、化学、地球科学、生物学、データ科学の分野における卓越した強みを生かし、科学的知識を発展させ、持続可能なエネルギーと国家安全保障の課題に取り組んでいる。1965年に設立されたPNNLは、エネルギー省科学局のためにバテル社によって運営されている。科学局は、米国における物理科学の基礎研究の唯一最大の支援者である。DOEの科学局は、現代における最も差し迫った課題に取り組んでいる。詳細はhttps://energy.gov/science。PNNLに関する詳細は、PNNLのニュースセンターを参照のこと。Twitter、Facebook、LinkedIn、Instagramでフォローする。

ベス・マンディは訓練を受けた科学者であり、科学コミュニケーターでもある。PNNL全体の同僚と協力し、高度に技術的なトピックについて魅力的な方法でストーリーを伝えている。

この記事は当初PNLLニュースサイトに掲載されたもので、許可を得てここに転載する。