A Microsoft Research bővíti a Skala hozzáférését a prediktív DFT felé

Pontosabb Skala 1.1, több tanítóadattal

A Microsoft Research szerint a Skala 1.1 azt mutatja, hogy a cég mélytanulásos DFT megközelítése folyamatosan fejleszthető. Az új változatot 2.5× több adattal tanították, mint az elődjét, és a közlemény alapján érezhetően jobb pontosságot nyújt több fontos molekuláris szimulációs feladatban, köztük a termokémiában, a reakciókinetikában és a molekulaszerkezetek előrejelzésében.

A Skala egy mélytanulásos csere-korrelációs funkcionál, amelyet a sűrűségfunkcionál-elméletben, angol rövidítéssel DFT-ben használnak. A Microsoft Research megfogalmazása szerint a prediktív pontosságú DFT elérése folyamat, nem egyetlen áttörés. A Skala fejlesztése ezért két irányban halad: a pontosság javításában és abban, hogy a módszer minél több, a kutatók által használt szoftverkörnyezetben legyen elérhető.

A közlemény szerint a Skala 1.1 a GMTKN55 nevű, széles körben használt benchmarkon 2.8 kcal/mol súlyozott átlagos hibát ér el. A GMTKN55 55 kémiai kategóriát fog át, köztük termokémiát, reakciógátakat és nemkovalens kölcsönhatásokat. A Microsoft Research azt állítja, hogy a Skala 1.1 ezen a teszten meghaladja a mai vezető globális, tartomány szerint szeparált hibrid funkcionálok pontosságát, miközben egy szemilokális funkcionál hatékonyságát tartja meg.

A cég azt is közölte, hogy a Skala 1.1 a GMTKN55 55 kategóriájából 32-ben első helyen végzett. A Microsoft Research szerint a modell nemcsak energiákra ad pontos eredményeket, hanem elektron-sűrűségek, dipólusmomentumok és molekulageometriák esetében is nagy pontosságot nyújt.

A tanítóadatok bővítése hajtja a fejlesztést

A Microsoft Research a Skala 1.1 javulását részben a Microsoft Research Accurate Chemistry Collection, röviden MSR-ACC jelentős bővítésével magyarázza. Ez a cég nagy léptékű, nagy pontosságú kvantumkémiai referenciaadat-gyűjteménye, amelyet számításigényes hullámfüggvény-módszerekkel állítottak elő.

A Skala 1.1-hez új kategóriákat adtak hozzá, köztük elektronaffinitásokat és nemkovalens klasztereket. A Microsoft Research szerint ezzel nem csak a tanítóadatok mérete nőtt, hanem a sokféleségük is, amit kulcsfontosságúnak neveznek.

A cég a Skala fejlesztését a hagyományos, egymás mellett halmozódó funkcionálok gyakorlatától eltérő filozófiaként írja le. A közlemény szerint minden új Skala kiadás célja, hogy leváltsa az előzőt. Ahogy új adatok, modellarchitektúrák és tanítási stratégiák válnak elérhetővé, a modell javul, miközben a gyakorlati számítási költség változatlan marad a Microsoft Research állítása szerint.

CP2K-ban már elérhető, több nagy csomagba integrálják

A Microsoft Research szerint a pontosság önmagában kevés, mert a DFT számos tudományos és ipari munkafolyamat számítási motorja. A közlemény a kémia, az anyagtudomány, a katalízis, az energiatechnológiák és a gyógyszerkutatás területét említi példaként.

A Skala korábban nyílt forrású közösségi kiadásként vált elérhetővé, amely a (GPU4) PySCF-re épül, és az ASE-vel integrálták. A Microsoft Research szerint ez lehetővé teszi, hogy kutatók viszonylag kis ráfordítással értékeljék és használják a Skalát, miközben optimalizált CPU és GPU teljesítményből profitálnak.

Az új bejelentés szerint a Skala már elérhető a CP2K csomagban. Az integráció a Prof. Thomas D. Kühne által vezetett, a Center for Advanced Systems Understanding, röviden CASUS intézményhez kötődő csapattal együttműködésben készült. A Microsoft Research a CP2K-t több mint 25 éve fejlesztett, nyílt forrású DFT szimulációs csomagként mutatja be, amely különösen nagy léptékű rendszerekhez és hosszú időskálájú molekuladinamikához fontos.

A Microsoft Research emellett aktívan dolgozik azon, hogy a Skala bekerüljön a Psi4 nyílt forrású csomagba is. A közlemény szerint a PySCF-alapú Skala Community Editionnel együtt ez három széles körben használt, nyílt forrású kvantumkémiai csomagban tenné elérhetővé a Skalát. A cég a FHI-aims, az ORCA és a VASP fejlesztőivel is együttműködik, hogy a Skala szélesebb körben megjelenjen a számításos kémiában és anyagtudományban használt főbb szoftverplatformokon.

Élő benchmark segíti az összehasonlítást

A Microsoft Research egy élő benchmarkot is bevezet. Ennek célja, hogy kövesse az egymást követő, egyre jobban optimalizált Skala kiadások számítási teljesítményét. A cég szerint az átlátható és folyamatosan frissülő referencia segíthet a közösségnek abban, hogy különböző szoftvercsomagokban és hardverplatformokon mérje az implementációkat.

A közlemény külön kitér arra, hogy az új implementációknál elengedhetetlen az alapos tesztelés. A CP2K csapattal együtt a Microsoft Research átfogó integrációs teszteket dolgozott ki annak ellenőrzésére, hogy a Skala numerikusan helyes és megbízható eredményeket adjon különböző kódokban és számítási beállítások mellett.

A Microsoft Research szerint a CASUS csapatának számítási módszerek numerikus ellenőrzésében szerzett tapasztalata fontos szerepet játszott a tesztelési keretrendszer megtervezésében és validálásában.

Mit jelenthet ez a kutatóknak és az ipari felhasználóknak

A hír gyakorlati jelentősége abban áll, hogy a Skala nem különálló demonstrációként jelenik meg, hanem olyan szoftverekben, amelyekre kutatók és ipari felhasználók napi munkafolyamatai épülnek. A Microsoft Research célja, hogy a következő generációs DFT pontosság közelebb kerüljön azokhoz a közösségekhez, amelyek CP2K-t, Psi4-et, FHI-aimsot, ORCA-t vagy VASP-ot használnak.

Ha a Skala valóban követni tudja a közleményben leírt folyamatos javulási modellt, a felhasználók számára az lehet a fő előny, hogy újabb kiadásokkal jobb pontosságot kaphatnak hasonló gyakorlati számítási költség mellett. A Microsoft Research ezt a számításos kémiai szimulációk prediktívvé és szélesebb tudományos, valamint ipari munkafolyamatokban hozzáférhetővé tételéhez vezető lépésként írja le.