A nukleáris számításoktól a kvantumkémiáig

Tavaly március 26-án Pokorni Zoltán oktatási miniszter adta át jelképesen azt a két Compaq szuperszámítógépet, melyeket a hazai leányvállalat térítésmentesen bocsátott az ELTE és a BME rendelkezésére, hogy a magyar tudományos alapkutatást és a felsőoktatást szolgálják. Az adományozás értéke meghaladta az egymilliárd forintot, és jelentős mérföldköve volt a Compaq azon erőfeszítéseinek, melyek keretében immár évek óta egyre intenzívebben támogatja a hazai felsőoktatást, az informatikai szakemberképzést. A két szuperszerveren felül további egymilliárd forint értékben húsz nagy teljesítményű Alpha szerver került szintén hazai egyetemekhez és főiskolákhoz, ugyancsak térítésmentesen.
Egy év elteltével időszerű az elmúlt időszakbeli géphasználatból eredő tapasztalatok megvonása, az eredmények összegzése. Ennek érdekében gyűjtöttük össze a BME és az ELTE azon kutatóinak a projektjeit, akik az elmúlt évben kutatásaikhoz használták a Compaq szuperszámítógépeit. Az eredményekből az derül ki, hogy a kutatók számos olyan hazai és nemzetközi kutatásfejlesztési projektben vettek, illetve vesznek részt, ahol az eredményesség szempontjából elengedhetetlen olyan, rendkívüli számítási kapacitással bíró berendezések használata, mint a Compaq szuperszámítógépei. A kutatók arról számoltak be, hogy a Compaq szuperszámítógépen végzett számítások segítségével több projektben tudtak a korábbiaknál hatékonyabban részt venni, és a kapott eredményeket nemzetközi konferenciákon, előadásokban publikálni.

A BME Nukleáris Technikai Intézete
A BME Nukleáris Technikai Intézete több olyan hazai és nemzetközi kutatás-fejlesztési projektben vesz részt, melyek célja a nukleáris létesítmények biztonságának fejlesztése, továbbá az üzemeltetéshez kapcsolódó tevékenységek (hulladéktárolás, kiégett fűtőelemek tárolása és mozgatása stb.) biztonsági tényezőinek vizsgálata, javítása. A projektek kezdeményezői az Országos Atomenergia-hivatal, a hazai nukleáris létesítmények, továbbá a Nemzetközi Atomenergia-ügynökség. Az intézet által e programok keretében végzett számítási feladatok tetemes részét egy olyan, világviszonylatban elismert és a legkorszerűbb normák szerint készült kód segítségével végzik, amely képes a legbonyolultabb részecsketranszport-szimulációk elvégzésére is. Mivel a program esetenként sok százmillió részecske útját kíséri nyomon, hatékony használatához elengedhetetlenek a nagy teljesítményű számítógépek. A műegyetemi tizenhat processzoros Compaq számítógépen végzett számításaikkal eddig már több, fent említett projektben tudnak a korábbiaknál hatékonyabban részt vállalni, és a kapott eredményeket nemzetközi konferencia-előadásokban publikálták is.

BME Vegyészmérnöki Kar
A szuperszámítógépet a BME Vegyészmérnöki Kara kvantumkémiai számításokra használja. Ennek során a Gaussian nevű programcsomagot alkalmazzák. (1999-ben ennek a fejlesztői kémiai Nobel-díjat kaptak.) A projekt célja molekulák szerkezetének meghatározása elméleti számításokkal. Hogyan helyezkednek el a molekula atomjai a térben egymáshoz képest, milyen erősek a kötések, milyen a molekulán belüli töltéseloszlás, milyen energiájú fénykvantumokkal gerjeszthető a molekula stb. A számítások eredményeit összevethetik a vizsgált anyag különféle spektrumaival (az elektromágneses hullám elnyelése annak hullámhosszának függvényében). A kísérleti spektroszkópiai módszerek és az elméleti számítások ma már a molekulaszerkezet meghatározásában egyformán fontosak. Ugyancsak a Gaussian program segítségével ki lehet számítani azt, hogy az egyes kémiai reakciók mekkora energiaváltozással járnak (fűteni kell vagy hűteni), és számítható egyszerű kémiai reakciók sebessége (a robbanástól az évmilliókig). Más programokkal gyógyszerek hatását lehet modellezni úgynevezett molekuladinamikai számításokkal. Ezeken kívül a BME kvantumkémiai vizsgálatokhoz is használta a szuperszámítógépet.

ELTE Természettudományi Kar
Az ELTE-re telepített négy — gyors hálózati kapcsolattal összekötött — egységből álló, Alpha processzoros Compaq-szerver nagymértékben járult hozzá az ELTE Természettudományi Karán több területen is folyó komoly számításigényű kutatások elvégezhetőségéhez. A rendelkezésre álló kapacitáson legnagyobb részt (több mint nyolcvan százalék) elméleti kémiai számításokat futtatnak. Az alkalmazások közül kiemelték a legtöbbük által használt Gaussian kvantumkémiai programcsomagot, amely az erőforrásokat hatékonyan tudja kihasználni a szerver True64 Unix operációs rendszere által biztosított OpenMP környezetén keresztül. A különböző típusú kvantumkémiai számítások különböző igényeket támasztanak, így hasznos a nagyméretű, párhuzamos (RAID) szervezésű átmeneti háttértár (scratch terület), míg bizonyos számítások elvégezhetetlenek, lennének a nagy memória nélkül. A Gaussian programmal Linda környezetben az egységek között üzemelő gyors hálózati (memory chanel) kapcsolatra építve hálózati párhuzamosítás is megoldható lenne, de ennek igazi előnyei csak kis leterheltség mellett jelentkeznének. A gép terhelése folyamatosan nőtt, a kihasználtság ma már átlagosan háromszáz-négyszáz százalék. A nagy leterhelés már az egyedi alkalmazásokra jutó erőforrások csökkenésével jár, de a felhasználók előnyben részesítik a feladat biztonságos elvégzését, amit a rendszer rendkívüli stabilitása biztosít. A tesztüzem alatt egyszer sem tapasztaltak váratlan rendszerleállást, ami a szervert kiválóan alkalmassá teszi hosszú ideig tartó számítások elvégzésére. Ezek mellett az ELTE a különböző molekulamodellezési projektekhez használta ki a szuperszámítógép adta lehetőséget.
A vizsgálataikhoz felhasznált CPU-kapacitás mintegy háromezer gépóra volt. A következő hónapokban hasonló mennyiségű gépidő felhasználás várható a részükről. Vizsgálataikhoz eredményesen tudják felhasználni a szuperszámítógép nagy memóriáját és a több processzor által nyújtott CPU-kapacitást.

BME Szervetlen Kémia Tanszék
Az itt folyó kutatási téma a szaharidok és glikopeptidek konformációs terének meghatározása a lehető legpontosabb számítási módszerekkel. A konformációs tér elemeinek ismeretében hatásmechanizmus- és molekulatervezési feladatok oldhatók meg. A kutatást az OTKA támogatja, eredményeink nemzetközi visszhangot váltottak ki. A téma érdekességét az adja, hogy a legújabb kutatási eredmények szerint a szervezetben az immunrendszer felismerő képessége — amellyel az idegen sejteket megkülönbözteti a saját sejtektől — több esetben bizonyítottan speciális glikoproteinek kötödésével magyarázható. Ezzel kapcsolatban két kérdés merül fel, az egyik, hogy a cukor rész hogyan kódolja az információt, és ez a kódolási mechanizmus milyen módon működik. A másik kérdés pedig az, hogy amikor egy cukorantenna a fehérje felületéhez kötődik, milyen orientációt vesz fel. A kísérleti adatok szerint csak meghatározott monoszaharidok meghatározott anomerjei kötődhetnek például a fehérje szerin egységéhez. Ez a kötődés meghatározhatja a cukorantenna irányát. A téma kutatói ezzel kapcsolatos számításokat végeztek az egyetem Compaq Alpha szerverén.