Un grupo diverso de químicos computacionales está alentando a la comunidad investigadora a adoptar un ecosistema de software sostenible. Ese es el mensaje detrás de un artículo de perspectiva publicado en el Journal of Chemical Theory and Computation. . Los autores analizan posibles escenarios sobre cómo desarrollar software frente a un panorama computacional cambiante.

"Con más potencia informática, podemos examinar facetas adicionales de la química", dijo Karol Kowalski, químico computacional del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) y autor correspondiente del artículo. "Creo que la química computacional desempeñará un papel muy importante en el desarrollo de nuestra comprensión de procesos químicos importantes en el siglo XXI. Podemos utilizar simulaciones para ayudar a guiar y ampliar los estudios experimentales en un ciclo poderoso".

Los paradigmas de la informática están en transición, y los sistemas cuánticos y de gran escala emergen como fundamentales para el futuro de la informática. Estas nuevas tecnologías permitirán a los investigadores resolver problemas químicos diferentes y más complicados. Pero las nuevas oportunidades conllevan nuevos desafíos, incluida la creación de software integrado que pueda funcionar en conjunto sin problemas.

Existe un número cada vez mayor de paquetes de software de química especializados destinados a resolver tipos específicos de problemas. A medida que las preguntas planteadas por la química computacional continúan aumentando en complejidad, los investigadores deben utilizar diferentes programas para abordarlas. Combinado con los cambios en las tecnologías informáticas, este campo se encuentra en un punto importante para mirar hacia el futuro.

"Necesitamos asegurarnos de que nuestros enfoques puedan utilizar plenamente los nuevos desarrollos en máquinas de exaescala, computación en la nube y computación cuántica", dijo Kowalski. "Esto requiere planificar el futuro y anticipar los nuevos desafíos que surgirán."

¿Qué es el software sostenible?

En el artículo, los autores definieron el software sostenible como un sistema de diferentes paquetes de software que pueden ensamblarse y utilizarse como un sistema cohesivo para abordar una amplia gama de problemas químicos.

"A medida que las preguntas que planteamos se vuelven más complicadas, también lo es el proceso para encontrar técnicas adecuadas para abordarlas", dijo Niri Govind, química computacional del PNNL y coautora del artículo. "Necesitamos trabajar juntos en diferentes plataformas para generar los resultados más significativos. Para lograr esto de manera efectiva es necesario establecer estándares para el campo".

El ecosistema de la química computacional representa un valioso campo de pruebas para nuevos métodos. Los problemas que enfrentan los químicos computacionales y su software no son exclusivos de la química:se pueden encontrar en todos los esfuerzos de modelización científica. Como uno de los entornos computacionales más establecidos en la ciencia, los equipos de desarrollo han estado en contacto y colaborado constantemente durante los últimos años.

Los esfuerzos de colaboración y el intercambio de conocimientos son esenciales porque a menudo un solo problema requiere el uso de múltiples tipos de software para capturar con precisión la complejidad de los sistemas del mundo real.

A menudo, los equipos de investigación tienen un enfoque limitado al desarrollar software que genera nuevas capacidades para abordar problemas específicos. Esta complejidad cada vez mayor del ecosistema conduce a una mayor colaboración a medida que se reduce la experiencia.

Dando forma a la química con la computación

No hace mucho tiempo, las simulaciones de química computacional servían principalmente como validadores de hallazgos experimentales. Sin embargo, a medida que la potencia informática ha aumentado, también lo ha hecho la capacidad de la química computacional no sólo para validar, sino también para resolver problemas complejos, guiar e interpretar experimentos y permitir predicciones.

A medida que se ha ampliado la gama de conocimientos que se pueden obtener de la química computacional, esto ha tenido un costo. Cuanto más complicada sea una simulación, más potencia informática y tiempo se necesitarán para llegar a una solución. La planificación para el futuro, sostienen los autores, requiere afrontar las crecientes demandas de nuevos problemas, adaptarse a los requisitos de las arquitecturas informáticas de próxima generación y desarrollar una interoperabilidad total.

Los miembros del Instituto de Química Computacional y Teórica (CTCI) del PNNL están abordando este desafío a través de soluciones innovadoras y escalables en plataformas computacionales actuales y futuras

"A través del CTCI, hemos establecido un marco institucional para desarrollar la próxima generación de software de química computacional para instalaciones informáticas de primer nivel", afirmó Sotiris Xantheas, director del CTCI y coautor del artículo.

"Utilizando una combinación de esfuerzos informáticos con herramientas científicas novedosas, inteligencia artificial y computación cuántica, el CTCI está preparado para desarrollar capacidades de modelado molecular de próxima generación".

Talleres para software sostenible

El artículo de perspectiva surgió de las discusiones en el taller de 2022 "Desarrollo e integración de software de química computacional sostenible". Allí, los asistentes discutieron las necesidades e inversiones en infraestructura de software para aprovechar todo el potencial de los recursos informáticos emergentes. La reunión reunió a investigadores de toda la comunidad de química computacional.

Durante las discusiones del taller, los desarrolladores se dieron cuenta de que constantemente enfrentaban problemas similares al adaptarse a nuevos recursos informáticos y desarrollar software integrable. Los equipos individuales se dieron cuenta de que podían aprovechar las experiencias de otros que ya habían encontrado soluciones a problemas emergentes.

Los investigadores del PNNL han continuado esas conversaciones, trabajando en estrecha colaboración con académicos, laboratorios nacionales y socios de la industria para crear nuevas herramientas innovadoras para el descubrimiento científico a través de proyectos como TEC ⁴ (Transferencia de química computacional a exaescala al entorno de computación en la nube y tecnologías de hardware emergentes).

Los autores coincidieron en que el desarrollo de software sostenible permite que el campo avance más rápido en todos los ámbitos sin necesidad de que los investigadores reinventen constantemente las soluciones existentes. Esta estrategia hace que las inversiones sean más eficientes, ya que la colaboración también construye puentes de coherencia interna entre diferentes programas. Los autores reconocen la necesidad de una adaptación continua del software para satisfacer las necesidades tanto científicas como de hardware.

"Este trabajo proviene de nuestra perspectiva actual", dijo Govind. "Este no es un plan estático. Todos debemos estar preparados para adoptar puntos de vista nuevos y en evolución".