Supercomputadoras para arrojar luz sobre la fotosíntesis

Investigadores de la UPV/EHU utilizan computación de alto rendimiento para simular los procesos que ocurren en los primeros instantes de la fotosíntesis

  • Investigación

Fecha de primera publicación: 30/07/2015

Joseba Alberdi junto a la supercomputadora del grupo Nano-Bio Spectroscopy

Informáticos, físicos y químicos de la UPV/EHU colaboran en la realización de simulaciones de la molécula en la que sucede la fotosíntesis, basándose en la mecánica cuántica. Han ejecutado el paquete de software OCTOPUS en las supercomputadoras más rápidas de Europa, y, una vez introducidas diversas mejoras en el mismo, han hecho las mayores simulaciones realizadas en este campo, utilizando miles de procesadores de manera eficiente.

La informática —sobre todo desde la creación de supercomputadoras— hace posible que científicos e ingenieros analicen procesos físicos muy complejos utilizando técnicas de simulación. Precisamente, investigadores del Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores y del Departamento de Física de Materiales de la UPV/EHU colaboran con investigadores de diversas universidades (entre otras, Universidade de Coimbra, Universitat de Barcelona, Lawrence Livermore National Laboratory, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, University of Liege) en el análisis del proceso de la fotosíntesis, basándose en ciertas teorías, debido a que todavía no es conocido cómo absorben luz las plantas.

La molécula encargada de la fotosíntesis en plantas es la LHC-II (Light Harvesting Complex II), compuesta por más de 17.000 átomos. Los científicos no saben cómo actúa esta molécula cuando recibe fotones de luz. Se necesitan computadoras complejas y programas avanzados para poder simular moléculas tan grandes como esta. Joseba Alberdi, ingeniero informático de la UPV/EHU, ha realizado su tesis en este ámbito, gracias a la colaboración del grupo ALDAPA del Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores de la Facultad de Informática y del grupo Nano-Bio Spectroscopy de la Facultad de Químicas.

Objetivo: conseguir un gran rendimiento

El paquete de software OCTOPUS, utilizado para hacer los cálculos, se fundamenta en dos teorías que son fruto de la reformulación de la mecánica cuántica y que se basan en la densidad electrónica. Con estas dos teorías se ha conseguido resolver problemas de mecánica cuántica por ordenador; ya que "de otra manera, se obtienen ecuaciones tan complejas que son imposibles de resolver, incluso con las supercomputadoras más potentes", explica Alberdi. "Lamentablemente, para simular sistemas de tamaño real se necesitan tiempos de ejecución muy largos, y la única alternativa es utilizar supercomputadoras", añade. En este trabajo, han podido utilizar algunas de las supercomputadoras más rápidas del mundo: la alemana Juqueen (con 458.752 núcleos de procesamiento o cores), la italiana Fermi (con 163.840 núcleos), la alemana Hydra (65.320 núcleos) y la catalana MareNostrum III (48.896 núcleos), entre otras.

El objetivo de la tesis del investigador Joseba Alberdi ha sido optimizar el código OCTOPUS y conseguir un alto rendimiento, para poder obtener factores de aceleración adecuados en los cálculos que se realizan en las supercomputadoras. De hecho, para poder ejecutar este código en múltiples procesadores, se han tenido que mejorar diversos problemas de memoria y de rendimiento. Todavía es todo un reto ejecutar la molécula LHC-II en su totalidad, pero han conseguido simular partes importantes de la molécula. "Hemos simulado sistemas de 5.759, 4.050 y 6.075 átomos; de acuerdo con los datos de los que disponemos, son las mayores simulaciones hechas hasta ahora", manifiesta el investigador. En estas simulaciones han podido probar que la teoría coincide con la realidad. "Estas simulaciones nos permitirán entender, por primera vez, las reacciones que suceden en los primeros femtosegundos (10–15 s) de la fotosíntesis", explica. Asimismo, las mejoras introducidas en la aplicación posibilitan la simulación de muchos otros sistemas de este tamaño, y como además se trata de un software libre, está al alcance de todos los físicos.

Información complementaria

Joseba Alberdi (Zumarraga, 1986) es ingeniero informático, y tiene un máster de Sistemas Informáticos Avanzados. Ha hecho la tesis, titulada High performance computing for electron dynamics in complex systems, en el grupo ALDAPA del Departamento de Arquitectura y Tecnología de Computadores (Facultad de Informática) y en el grupo Nano-Bio Spectroscopy del Departamento de Física de Materiales (Facultad de Químicas), bajo la dirección de Javier Muguerza y Angel Rubio.

Los cálculos de las partes más importantes del proyecto han sido realizados con la supercomputadora del grupo Nano-Bio Spectroscopy y con la supercomputadora MareNostrum III de Barcelona.

Referencias bibliográficas

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.