Aftësia për të simuluar mënyrën se si materia sillet në shkallën atomike është duke revolucionarizuar shkencën e materialeve dhe gjithçka që lidhet me të. Kjo qasje po prodhon materiale të reja me veti ekzotike, lidhje elastike për energjinë bërthamore dhe një kuptim të ri të palosjes së proteinave, për të përmendur vetëm disa aplikime.
Këto përparime janë kryesisht rezultat i makinerive kompjuterike gjithnjë e më të fuqishme, të cilat synojnë t'i bëjnë simulimet më të mëdha, më të shpejta dhe më të gjata.
Ky është qëllimi, por realiteti është më i nuancuar. Kompjuterët më të fuqishëm i kanë lejuar studiuesit të simulojnë blloqe të mëdha të materies që përmbajnë triliona atome. Por edhe në kompjuterët më të fuqishëm ekzaskalë në botë, një muaj i plotë llogaritje prodhon vetëm disa mikrosekonda të kohës së simuluar.
Edhe më keq, shtimi i më shumë CPU-ve nuk ndihmon shumë. Kjo për shkak se koha që duhet për të transmetuar informacionin midis këtyre çipave është faktori kufizues në këto llogaritje. Shtimi i më shumë çipave thjesht e përkeqëson këtë pengesë.
Ndikimi atomik
Tani gjithçka po ndryshon falë punës së Kylee Santos në Cerebras Systems, një prodhues kalifornian çipash, së bashku me shkencëtarët nga Laboratorët Kombëtarë Sandia, Lawrence Livermore dhe Los Alamos. Ky grup ka gjetur një mënyrë për të përshpejtuar simulimet në shkallë atomike me dy rend të madhësisë me rezultate që mund të kenë një ndikim transformues në shkencën e materialeve.
Vonesat kohore të paraqitura nga ndërlidhjet midis çipave është një çështje e njohur në llogaritjet në shkallë më të madhe, ku dhjetëra mijëra çipa duhet të lidhen së bashku.
Këto çipa në përgjithësi kanë shumë bërthama, secila e aftë për të llogaritur në mënyrë të pavarur nga të tjerët. Në të vërtetë, CPU-të desktop të nivelit të lartë kanë në mënyrë rutinore dhjetëra bërthama. Avantazhi i madh është se për shkak se bërthamat janë të gdhendura të gjitha në të njëjtën pllakë silikoni, ato mund të shkëmbejnë të dhënat me shpejtësi.
Cerebras u themelua për të eliminuar një objekt kurioz të prodhimit të çipave. Patate të skuqura silikoni fillojnë jetën si vafera rrethore prej silikoni të pastër, secila me madhësinë e një pjate të madhe darke. Këto vafera mbajnë dhjetëra ose qindra patate të skuqura, në varësi të madhësisë së tyre. Në fund të procesit të fabrikimit, vaferat ndahen në patate të skuqura individuale, të cilat më pas shiten veçmas.
Por në superkompjuterët, çipat duhet të lidhen përsëri së bashku në mënyrë që të shkëmbejnë të dhënat. Ideja e madhe e Cerebras është të kthejë një meshë të tërë silikoni në një çip të vetëm gjigant, të cilin kompania e quan një “motor në shkallë vaferi”. Avantazhi i madh është se brenda këtyre vaferave, bërthamat mund të komunikojnë të gjitha me shpejtësi.
Rezultati është një çip i jashtëzakonshëm. Wafer-Scale Engine-2 (WSE-2) i kompanisë është një çip i vetëm që përmban 850,000 bërthama, me 40 GB memorie në çip dhe një gjerësi brezi memorie prej 20 petabit për sekondë. E gjithë kjo tërheq 23 kilovat fuqi – për një çip të vetëm!
Është kjo makinë që Santos dhe kolegët kanë vënë në hapat e saj për të simuluar sjelljen e materies. Ekipi përdor çdo bërthamë për të simuluar një atom të vetëm në një pllakë materiali që përmban mbi 800,000 prej tyre. Kjo është e barabartë me një copëz me përmasa rreth 60 x 60 x 2 nanometra.
Kufiri i grurit
Një problem kyç në shkencën e materialeve është të kuptuarit se si një kristal metali ndërvepron me kristalin pranë tij kur ata janë të orientuar në drejtime të ndryshme. Këta të ashtuquajtur kufij të kokrrizave janë komplekse sepse, megjithëse atomet janë të rregulluar në mënyrë të përkryer brenda kristaleve, në kufijtë ata kanë rregullime më komplekse që ndryshojnë me kalimin e kohës.
Simulimet duhet të marrin parasysh dridhjet atomike që ndodhin në shkallën e femtosekondave ndërsa simulojnë ndryshime fizike dhe kimike, të tilla si ndryshimet në pozicionin e një atomi në raport me fqinjët e tij, që shfaqen në shkallën e mikrosekondave. Kjo është një ndryshim në shkallë prej nëntë rendit të madhësisë. Kjo është arsyeja pse arritja e kohërave më të gjata të simulimit është kaq e rëndësishme.
Tani Santos dhe bashkë e kanë bërë atë për bakër, tungsten dhe tantal dhe përparimet e mëtejshme duken jashtëzakonisht të mundshme. “Duke dedikuar një bërthamë procesori për çdo atom të simuluar, ne demonstrojmë një përmirësim 179-fish në hapat kohorë për sekondë,” thonë Santos dhe bashkë. Kjo bën të mundur arritjen në një ditë të vetme ekuivalente me 6 muaj kohëzgjatjeje në një kompjuter konvencional ekzascale.
Santos dhe bashkë thonë se kjo duhet të sjellë dividentë të mëdhenj kur zbatohet për problemet e hapura në shkencën e materialeve. “Reduktimi i çdo viti të kohës së funksionimit në dy ditë zhbllokon shkallët kohore aktualisht të paarritshme të proceseve të ngadalta të transformimit të mikrostrukturës që janë kritike për të kuptuar sjelljen dhe funksionin e materialit,” thonë ata.
“Puna jonë tregon se arkitekturat e reja kompjuterike në shkallë vaferi mund të arrijnë një rritje të madhe në shkallën maksimale të simulimit të sistemeve komplekse atomistike.”
Dhe së shpejti priten më shumë përparime. Puna aktuale përdori meshë Cerebras WSE-2, të cilën kompania e zbuloi në vitin 2021. Në fillim të këtij viti, ajo lançoi WSE-3, të krijuar posaçërisht për aplikacionet e AI. Aftësitë e tij do të jenë të vlefshme për t'u parë.
Ref: Thyerja e pengesës së shkallës kohore të dinamikës molekulare duke përdorur një sistem me shkallë vaferi: arxiv.org/abs/2405.07898