30/07/2015 - Les chercheurs de l'UPV/EHU utilisent un calcul à haute performance pour simuler les processus qui se produisent dans les premiers instants de la photosynthèse.

Menéame

L'informatique - surtout depuis la création de super-ordinateurs - permet aux scientifiques et aux ingénieurs d'analyser des processus physiques très complexes en utilisant des techniques de simulation. C'est précisément le cas des chercheurs du Département de l'Architecture et de la Technologie des Ordinateurs et du Département de physique des matériaux de l'ONU. UPV/EHU Ils collaborent avec des chercheurs de diverses universités (entre autres, Université de Coimbra, Universitat de Barcelone, Lawrence Livermore National Laboratory, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, University of Liege) dans l'analyse du processus de photosynthèse, en se fondant sur certaines théories, parce qu'il n'est pas encore connu comment les plantes absorbent la lumière.

La molécule chargée de la photosynthèse dans les plantes est la LHC-II (Light Harvesting Complex II), composé de plus de 17 000 atomes. Les scientifiques ne savent pas comment cette molécule agit quand elle reçoit des photons de lumière. Il faut des ordinateurs complexes et des programmes avancés pour simuler des molécules aussi grandes. Joseba Alberdi, ingénieur en informatique de l'UPV/EHU, a réalisé sa thèse dans ce domaine, grâce à la collaboration du groupe ALDAPA du Département de l'architecture et de la technologie des ordinateurs de la Faculté d'informatique et du groupe Nano-Bio Spectroscopy de la Faculté de chimie.

Objectif: obtenir une grande performance

Le logiciel OCTOPUS, utilisé pour les calculs, repose sur deux théories qui sont le fruit de la reformulation de la mécanique quantique et qui sont basées sur la densité électronique. Ces deux théories ont permis de résoudre des problèmes de mécanique quantique par ordinateur; car " autrement, on obtient des équations si complexes qu'elles sont impossibles à résoudre, même avec les super-ordinateurs les plus puissants," explique Alberdi. " Malheureusement, pour simuler des systèmes de taille réelle, il faut des temps de mise en œuvre très longs, et la seule alternative est d'utiliser des super-ordinateurs ," ajoute-t-il. Dans ce travail, ils ont pu utiliser quelques-unes des super-ordinateurs les plus rapides au monde: l'allemande Juqueen (avec 458.752 noyaux de traitement ou cores), l'italienne Fermi (avec 163.840 noyaux), l'allemande Hydra (65.320 noyaux) et la catalane MareNostrum III (48.896 noyaux), entre autres.

L'objectif de la thèse du chercheur Joseba Alberdi a été d'optimiser le code OCTOPUS et d'obtenir des résultats élevés, afin d'obtenir des facteurs d'accélération appropriés dans les calculs effectués sur les superordinateurs. En fait, pour pouvoir exécuter ce code sur plusieurs processeurs, il a fallu améliorer divers problèmes de mémoire et de performance. C'est toujours un défi d'exécuter la molécule LHC-II dans son intégralité, mais ils ont réussi à simuler des parties importantes de la molécule. "Nous avons simulé des systèmes de 5.759, 4.050 et 6.075 atomes; selon les données dont nous disposons, ce sont les plus grandes simulations faites jusqu'à présent," déclare le chercheur. Dans ces simulations, ils ont pu prouver que la théorie correspondait à la réalité. "Ces simulations nous permettront de comprendre, pour la première fois, les réactions qui se produisent dans les premières femtosecondes (10-15 s) de la photosynthèse," explique-t-il. De plus, les améliorations apportées à l'application permettent de simuler de nombreux autres systèmes de cette taille, et comme il s'agit d'un logiciel libre, il est à la portée de tous les physiciens.

Renseignements complémentaires

Joseba Alberdi (Zumarraga, 1986) est ingénieur en informatique et possède un master de systèmes informatiques avancés. Il a fait la thèse, intitulée High performance computing for electron dynamics in complex systems, dans le groupe ALDAPA du Département d'Architecture et de Technologie des Ordinateurs (Faculté d'Informatique) et dans le groupe Nano-Bio Spectroscopy du Département de Physique des Matériaux (Faculté des Chimiques), sous la direction de Javier Muguerza et Angel Rubio.

Les calculs des parties les plus importantes du projet ont été effectués avec la super-ordinateur du groupe Nano-Bio Spectroscopy et avec la super-ordinateur MareNostrum III de Barcelone.

Références bibliographiques

J. Jornet-Somoza, J. Alberdi-Rodriguez, B.F. Milne, X. Andrade, M.A.L. Marques, F. Nogueira, M.J.T. Oliveira,  James J. P. Stewart and A. Rubio. "Insights into colour-tuning of chlorophyll optical response in green plants", Physical Chemistry Chemical Physics, July 2015.

X. Andrade, D. Strubbe, U. Giovannini, A.H. Larsen, M.J.T. Oliveira, J. Alberdi-Rodriguez, A. Varas, I. Theophilou, N. Helbig, M. Verstraete, L. Stella, F. Nogueira, A. Aspuru-Guzik, A. Castro, M.A.L. Marques, A. Rubio. "Real-space grids and the Octopus code as tools for the development of new simulation approaches for electronic systems", Physical Chemistry Chemical Physics, February 2015.

J. Alberdi-Rodriguez, M.J.T. Oliveira, P. García-Risueño, F. Nogueira, J. Muguerza, A. Arruabarrena, A. Rubio. "Computational Science and Its Applications--ICCSA 2014". Lecture Notes in Computer Science Volume 8582, pages 607-622, 2 July 2014.

J. Jornet-Somoza, J. Alberdi-Rodriguez, B.F. Milne, X. Andrade, M.A.L. Marques, F. Nogueira, M.J.T. Oliveira,  James J. P. Stewart and A. Rubio. "Insights into colour-tuning of chlorophyll optical response in green plants", Physical Chemistry Chemical Physics, July 2015.

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