Ohjelmistot ja metodit syyniin – Sisu ja Taito osallistuivat urakkaan

Aalto-yliopiston ja Åbo Akademin tutkijoiden yhdessä kansainvälisen työryhmän kanssa tekemä selvitys tuo lisävaloa tiheysfunktionaaliteorioiden käyttöön kiinteiden aineiden tutkimuksessa. Yli 60 asiantuntijaa noin 30 yliopistosta ja tutkimuslaitoksesta testasivat, miten kvanttisimulaatioilla saatavat tulokset materiaaliominaisuuksista vaihtelevat tutkijoiden ja heidän käyttämiensä tietokoneohjelmistojen mukaan. Tuoreemmat koodit ja metodit pärjäsivät edeltäviä sukupolvia paremmin, ja niillä saadut tutkimustulokset vastasivat hyvin toisiaan.

– Suuri asiantuntijoista koostuva yhteistyöryhmä vertasi käyttämiään ohjelmistoja keskenään, ja pääsimme tarkkuudessa tasolle, jota ei vastaavanlaisissa laskuissa ole aiemmin nähty, kertoo akatemialehtori Torbjörn Björkman Åbo Akademista. Hän toimi aiemmin post-docina Aalto-yliopiston COMP-huippuyksikössä.

Kokeiden toistettavuus on yksi tutkimuksen kulmakivistä. Tietokoneilla ajattaviin koodeihin perustuvassa tutkimuksessa tulokset voivat vaihdella sen mukaan, miten teoreettinen malli on toteutettu. Tämä koskee tutkimusryhmän tiedotteen mukaan erityisesti materiaaliominaisuuksien ennustamista.

 

 

Nyt yhteistyössä toteutettu projekti keskittyi tiheysfunktionaaliteoriaan (Density Functional Theory, DFT), joka on laajassa akateemisessa ja teollisessa käytössä. Yksittäisiä ohjelmistoja laskemiseen on kuitenkin useita, ja joskus on vaikeaa määritellä, mikä niistä soveltuu parhaiten tietyn tyyppiseen laskentaan.

Tutkimus toteutettiin yhteistyössä koodien asiantuntijakäyttäjien sekä kehittäjien kanssa. Tarkasteltavana oli kaikkiaan 40 eri metodia.

– Nykypäivänä elektronirakennelaskut ovat hyvin tärkeässä roolissa monella materiaalitutkimuksen alalla. Se on keskeistä monien tutkimusten tulkinnassa ja tekee yhä tarkemmat ennusteet mahdolliseksi. Siksi on erittäin tärkeää, että eri metodien käyttö antaa samat vastaukset korkealla tarkkuuden tasolla. Se, että tämän päivän viimeisimmät metodit tekevät tämän, on hyvin tärkeä tulos, Björkman arvioi.

Nyt saatuja tuloksia voidaankin pitää laatuvaatimuksena, jota vastaan tulevia ohjelmistoja pystytään arvioimaan. Tutkimukseen osallistuneet toivovat tämän johtavan yhä parempiin simulaatioissa käytettäviin koodeihin ja metodeihin.

"Huippuluokan palvelut"

CSC:n supertietokone Sisua ja superklusteri Taitoa käytettiin testattaessa erilaisia ratkaisuja niin sanotun kantajoukon rakentamiseen eräälle kiinteän tilan elektronirakennelaskuissa käytettävälle metodille. Jatkoa on luvassa. 

– Näitä tutkimustuloksia voi pitää pohjana metodien jatkokehittämiselle, ja CSC:n tietokoneresurssit ovat tietysti tärkeitä myös tulevissa töissä. Omat kiinnostuksenaiheeni kohdistuvat metodien kehittämiseen, jotka käsittelevät elektronin vuorovaikutusta kiinteissä aineissa, erityisesti joissakin haastavissa tapauksissa kuten systeemeissä, jotka tiedetään vahvasti korreloituneiksi tai joita kuvaa heikko van der Waals -vuorovaikutus, Björkman kertoo.

– Laskennallisen fysiikan tutkijana CSC:n suurimittaiset resurssit ovat erittäin tärkeitä tutkimukselleni. Uusien luovien asioiden tekeminen tarkoittaa usein sitä, että on kokeiltava alansa teknisiä rajoitteita, ja CSC on Suomessa oloni aikana tarjonnut huippuluokan palvelut yksittäiselle tutkijalle hyvin pienellä byrokratialla. Tästä on ollut valtavasti apua.

Tutkimus julkaistiin Science-lehdessä 25. maaliskuuta 2016.