por
Comprender la degradación de los materiales en entornos extremos es un problema científico con importantes aplicaciones tecnológicas, que van desde los vuelos espaciales hasta la seguridad industrial y nuclear. Sin embargo, presenta un desafío inherente: los investigadores no pueden replicar fácilmente estos entornos en el laboratorio u observar procesos críticos de degradación en tiempo real. Por lo tanto, el modelado y la simulación por computadora se han convertido en herramientas indispensables para ayudar a predecir el comportamiento de materiales complejos en una variedad de condiciones difíciles.
En el MIT, un nuevo esfuerzo de investigación tiene como objetivo avanzar en el estado del arte en simulación predictiva y dar forma a nuevos programas de educación superior interdisciplinarios en la intersección de la ciencia. computacional y computación.
Fortalecimiento del compromiso con la ciencia
El Centro de simulación a exaescala de materiales en entornos extremos (CESMIX), con sede en el Centro de ciencia e ingeniería computacional (CCSE) del MIT Stephen A. Schwarzman College of Computing, reunirá a investigadores en algoritmos numéricos y computación científica, química cuántica, ciencia de materiales e informática para conectar simulaciones cuánticas y moleculares de materiales con lenguajes de programación avanzados, tecnologías de compilación y herramientas de ingeniería de rendimiento de software, respaldadas por rigurosos enfoques de ingeniería. 39; inferencia estadística y cuantificación de incertidumbres.
"Uno de los objetivos de CESMIX es establecer un vínculo sustancial entre la ciencia de la computación y la ciencia e ingeniería computacionales, lo que siempre ha sido difícil de hacer, pero es muy necesario. Dice Daniel Huttenlocher, Decano de MIT Schwarzman College of Computing. “El centro también brindará una oportunidad para que los profesores, investigadores y estudiantes del MIT interactúen intelectualmente y creen una nueva síntesis de diferentes disciplinas, que es el núcleo de la misión de la universidad.
El líder del proyecto como investigador principal está Youssef Marzouk, profesor de aeronáutica y astronáutica y codirector de CCSE, que pasó a llamarse Centro de Ingeniería Informática en enero para reflejar su mayor compromiso con la ciencia en el MIT. Marzouk, quien también es miembro del Centro de Estadística y Ciencia de Datos, señala que “CESMIX intenta hacer dos cosas simultáneamente. Por un lado, queremos resolver un problema de simulación multiescala increíblemente difícil, aprovechando modelos de mecánica cuántica de materiales complejos para lograr una precisión sin precedentes a escala de ingeniería. Por otro lado, queremos crear herramientas que faciliten al máximo el desarrollo y la ingeniería del rendimiento holístico de la pila de software asociada, con el fin de lograr el máximo rendimiento en la próxima generación de hardware informático de exaescala. . "
El proyecto implica la participación de una cohorte interdisciplinaria de ocho miembros de la facultad, que actúan como co-IP, y científicos de investigación que abarcan múltiples laboratorios y departamentos del MIT. La lista completa de participantes incluye:
- Youssef Marzouk, PI, profesor de aeronáutica y astronáutica y codirector de CCSE;
- Saman Amarasinghe, co-PI, profesor de informática e ingeniería;
- Alan Edelman, co-PI, profesor de matemáticas aplicadas;
- Nicolas Hadjiconstantinou, co-PI, profesor de ingeniería mecánica y codirector de la CCSE;
- Asegun Henry, co-PI, profesor asociado de ingeniería mecánica;
- Heather Kulik, co-PI, profesora asociada de ingeniería química;
- Charles Leiserson, co-PI, Profesor Edwin Sibley Webster de Ingeniería Eléctrica;
- Jaime Peraire, co-investigador principal, profesor H.N. Slater de Aeronáutica y Astronáutica;
- Cuong Nguyen, investigador senior en aeronáutica y astronáutica;
- Tao B. Schardl, investigador del laboratorio de informática e inteligencia artificial; y
- Mehdi Pishahang, investigador en ingeniería mecánica.
El MIT fue una de un total de nueve universidades seleccionadas en el marco del programa Predictive Science Academic Alliance (PSAAP) III para formar un nuevo centro que respalde el modelado y la simulación científica y las tecnologías de computación a exaescala. Esta es la tercera vez que los centros PSAAP han sido asignados por la Administración Nacional de Seguridad Nuclear (DoE / NNSA) del Departamento de Energía de los Estados Unidos desde que comenzó el programa en 2008, y es la primera vez que el Instituto sea seleccionado. El MIT es una de las dos instituciones nacionales elegidas para crear un centro de una sola disciplina bajo este ciclo y recibirá hasta $ 9.5 millones en fondos bajo un acuerdo. de cooperación durante cinco años.
Avanzando en la simulación predictiva
CESMIX se centrará en la simulación exascal de materiales en entornos de flujo hipersónico. También liderará el desarrollo de nuevos paradigmas de simulación predictiva y herramientas informáticas para exaescala. Los investigadores apuntarán específicamente a predecir la degradación de materiales complejos (desordenados y multicomponente) bajo carga extrema inaccesible a la observación experimental directa, una aplicación que representa un área tecnológica de intenso interés actual, y que ilustra una clase importante problemas científicos que involucran materiales. interfaces en entornos extremos.
“Un gran desafío aquí es poder predecir qué reacciones ocurrirán y qué nuevas moléculas se formarán en estas condiciones. Si bien el modelado mecánico cuántico nos permite predecir estos eventos, también debemos ser capaces de lidiar con las escalas de tiempo y duración de estos procesos ”, dice Kulik, también miembro de la facultad de CCSE. "Nuestros esfuerzos se centrarán en desarrollar el software necesario y las herramientas de aprendizaje automático que nos indiquen cuándo los modelos físicos más asequibles pueden cumplir con el desafío de la escala de longitud y cuándo necesitamos la mecánica cuántica". para afrontar el desafío de la precisión ".
Los investigadores de CESMIX planean difundir sus hallazgos a través de múltiples proyectos de software de código abierto, involucrando a sus comunidades de desarrolladores y usuarios. El proyecto también apoyará el trabajo de postdoctorados, estudiantes graduados e investigadores del MIT con el objetivo general de crear nuevos paradigmas de práctica para la próxima generación de científicos informáticos.
