W Łodzi uruchomiono pierwsze na świecie cyfrowe laboratorium do badań chemicznych

Firma Ericpol zakończyła budowę Analizatora Rzeczywistych Układów Złożonych (ARUZ) dla łódzkiego Technoparku. To gigantyczne (waży 52 tony i ma kształt walca o wysokości 4,5 oraz średnicy 16 metrów) i pierwsze na świecie takie urządzenie, skróci czas badań chemicznych z miesięcy do dni i pozwoli zbadać zjawiska wymykające się dotąd obserwacji w warunkach laboratoryjnych

Wart ponad 20 mln zł Analizator Rzeczywistych Układów Złożonych (ARUZ) zbudowany w łódzkim Technoparku, pozytywnie przeszedł testy i może już rozpocząć pracę. Zdaniem specjalistów może on zrewolucjonizować badania naukowe. Urządzenie będzie sercem Laboratorium Symulacji Molekularnych – jednego z sześciu laboratoriów powstających w nowo budowanym obiekcie Technoparku w ramach współfinansowanego przez Unię Europejską projektu BioNanoPark.
Jak informuje Paweł Szczerkowski, wiceprezes zarządu i dyrektor generalny Ericpol, to pierwszy na świecie cyfrowy symulator pracujący na tak olbrzymią skalę.
– Urządzenie to pozwala analizować ponad milion molekuł jednocześnie. Było to dla nas wyzwanie zarówno pod względem technicznym, jak i projektowym – przyznaje Szczerkowski.
Sednem działania ARUZ jest to, że może on z dokładnością do nanosekund odtworzyć przepływ cząsteczek w czasie rzeczywistym, co umożliwia poznanie natury zjawisk złożonych.
Jednym z największych atutów urządzenia jest jego szybkość. W przypadku badań chemicznych wynik, na który superkomputery pracowałyby miesiącami, ARUZ przygotuje zaledwie w kilka dni. Co więcej, zrobi to z większą precyzją i zużywając mniej energii.

Ogromne przyspieszenie tempa pracy to zasługa specjalnie opracowanej konstrukcji urządzenia, wykorzystującej 25 tys. równocześnie pracujących i połączonych ze sobą układów scalonych FPGA. Pomysłodawcą koncepcji budowy i funkcjonowania ARUZ jest Politechnika Łódzka. Za wykonanie konstrukcji tego urządzenia, jak również za dostarczenie oprogramowania dla niego, systemu chłodzącego, instalacji elektrycznej oraz montaż odpowiedzialna była łódzka firma Ericpol.

Analityczny kameleon
Analizator można również bardzo szybko przeprogramować, tak, by dostosowywać je do potrzeb badaczy. Jak mówią jego pomysłodawcy – będzie on jak kameleon, dostosowujący się do potrzeb badaczy.
Zdaniem dr Bogdana Wasilewskiego, prezesa łódzkiego Technoparku dzięki analizatorowi o Łodzi i o centrum wdrożeniowym BioNanoPark zrobi się głośno w międzynarodowym środowisku naukowo-badawczym.
– ARUZ pozwoli nam wyprzedzać nowoczesność i zmieniać oblicze globalnej gospodarki – mówi Wasilewski.
Tym bardziej, że, działający jak cyfrowa probówka ARUZ może znaleźć zastosowanie w badaniach na rzecz bardzo wielu dziedzin przemysłu – od ochrony środowiska, przez farmację po przemysł kosmiczny i lotniczy. Ze względu na wykorzystanie protokołu DLL będzie niezastąpiony w badaniach chemicznych – w praktyce symulacje przy jego wykorzystaniu będą mogły zastąpić badania laboratoryjne. Pozwoli opracowywać nowe materiały, leki, kosmetyki.
Marek Cieślak, wiceprezydent Łodzi, który poinformował niedawno o oficjalnym przekazaniu analizatora przez wykonawcę podkreśla, że ARUZ jest polskim urządzeniem, które jest unikatowe w skali światowej. Ważnym polskim wątkiem jest fakt, że został on zbudowany w oparciu o zasadę działania algorytmu DLL, którego twórcą był polski fizyk profesor Tadeusz Pakuła, absolwent Uniwersytetu Łódzkiego, pracownik m.in.: Państwowej Akademii Nauk w Łodzi, Instytutu Maxa Plancka Badań Polimerów w Moguncji w Niemczech.
– To jest zupełnie nowa jakość, którą chcemy się chwalić, udostępniać ją i na niej zarabiać – mówi Cieślak.

Wielkie liczby
Analizator procesów chemicznych ARUZ uważany jest za największe tego typu urządzenie na świecie – waży 52 tony i ma kształt walca o wysokości 4,5 oraz średnicy 16 metrów. Za jego moc obliczeniową odpowiada 30 tys. równolegle pracujących układów FPGA rozmieszczonych na 20 panelach. Ze względu na sąsiedztwo portu lotniczego ARUZ zamknięty jest w kabinie ekranującej, tzw. klatce Faradaya, a jego budowa wymagała wzniesienia specjalnego budynku w BioNanoParku.
O rozmachu projektu świadczą też inne liczby: ok. 30 tys. układów logicznych tzw. bramek FPGA, ponad 80 tys. kabli o długości 100 km i wadze 6 ton oraz 1,2 tys. zasilaczy.
– W ciągu roku udało się skompletować miliardy części elektronicznych i zmontować z nich ponad 3 tys. płytek. Układy elektroniczne przystosowane są do realizacji algorytmu DLL prof. Tadeusza Pakuły – wyjaśnia Adam Włodarczyk, dyrektor projektu z Ericpol.
DLL ułatwia określenie tworzenia się wiązań molekuł i może służyć np. do badania polimeryzacji cieczy prostych i złożonych. Algorytm jest w stanie symulować ok 1,6 mln molekuł w czasie rzeczywistym, dzięki czemu można prześledzić oddziaływania zachodzące pomiędzy poszczególnymi molekułami. Za pomocą urządzenia można przeprowadzać symulacje przebiegu reakcji chemicznych w skomplikowanych układach molekularnych i biologicznych oraz złożonych zjawisk fizykochemicznych. Ponieważ przeprowadzone testy dowiodły, iż potrafi on wykonywać obliczenia co najmniej tysiąc razy szybciej niż dostępne obecnie superkomputery badania, które zajmują np. trzy miesiące, trwać będą ok. dwa tygodnie.

Kto może skorzystać z analizatora ARUZ?

PRZEMYSŁ:
– Chemiczny (produkcja, przetwórstwo polimerów i kompozytów/nanokompozytów polimerowych, analiza procesu polimeryzacji kontrolowanej, badanie dynamiki mieszania się cieczy złożonych i roztworów polimerowych);
– Kosmetyczny (dyfuzja makrocząsteczek specyfiku przez ośrodki porowate jak skóra).
– Farmaceutyczny (transport i dyfuzja cząstek leków przez błonę (membranę) komórkową, selektywny wychwyt substancji leku przez komórki, krystalizacja molekuł leków);
– Kosmiczny i lotniczy (mieszanie się mieszanek paliwowych, zachowanie się gazów wylotowych silników);
– Spożywczy (analiza trwałości opakowań i ich interakcji z produktami);
– Informatyczny IT (analiza rozbudowanych sieci bezprzewodowych i obciążenia sieci światłowodowych, tworzenie nowych , równoległych algorytmów i programów komputerowych);
– Obronny (analiza zjawiska wybuchu w przestrzeniach ograniczonych);
– Inżynieria materiałowa (np. badanie procesu krystalizacji z roztworu, analiza procesów transportu ciepła, transportu ładunków itd. w nowoczesnych laserach półprzewodnikowych i tranzystorach, optymalizacja parametrów warstw wykorzystanych do budowy urządzenia, projektowanie materiałów funkcjonalnych, odpornych na różne czynniki, określanie własności materiałowych, badanie procesów korozji materiałów);
– Ochrona środowiska (transport zanieczyszczeń małocząsteczkowych przez ośrodki porowate jak gleba do wód gruntowych, badanie materiałów stosowanych jako filtry).

NAUKA (granty – dziedziny i przykładowe badania):
– Astronomia (odwzorowanie dynamiki ruchu złożonych układów gwiezdnych i materii międzygwiazdowej);
– Biologia (selektywna absorpcja molekuł do wnęk na powierzchni komórki, topologia białek, sekwencjonowanie DNA);
– Fizyka (fizyka plazmy, zjawiska transportu w cieczach, zjawiska magnetyczne, przejścia fazowe i zjawiska krytyczne, zjawiska perkolacji, procesy agregacji, badanie stopnia uporządkowania i zjawiska samoorganizacji w układach heterogenicznych, wpływ defektów na zjawiska transportu);
– Socjologia (badanie dynamiki zachowań zbiorowisk kolektywnych (np. owady, ptaki)),
– informatyka (badanie zagadnień semantycznych);
– Elektronika (rozpływ ciepła w strukturach półprzewodnikowych);
– Chemia (dynamika złożonych mieszanin polimerowych, separacja faz w roztworach, reakcje w fazie ciekłej, badanie konformacji makromolekuł w zależności od czynników zewnętrznych jak temperatura i ich wzajemnych oddziaływań, badania zjawisk przypowierzchniowych (sorpcja, dyfuzja) oraz transportu w ograniczonej przestrzeni, analiza własności powierzchni sfunkcjonalizowanych).

ZALETY URZĄDZENIA
– Szybkość, którą zapewnia unikalna strukturę i olbrzymia liczba wykorzystanych układów FPGA;
– Obniżenie kosztów analizy substancji – badania rzeczywistych układów w skali laboratoryjnej wymagają użycia wyspecjalizowanej i drogiej aparatury oraz skomplikowanego procesu pomiarowego. Niezbędne jest wytworzenie i badanie dużych serii materiałów różniących się między sobą wymaganymi parametrami. Wydajne analizy za pomocą analizatora ARUZ w stosunku do nakładów przeznaczonych na badania laboratoryjne mogą umożliwić znaczne oszczędności finansowe, a czas poświęcony na badania może zostać skrócony do kilkuset razy;
– Pełna powtarzalność wyników;
– Innowacyjność zagadnienia i zastosowanych rozwiązań;
– Możliwość analizy dynamiki procesów krok po kroku, co jest niedostępne innymi metodami;
– Całkowita rekonfigurowalność.

PO CO TAKA WIELKA SKALA?
Minimalna liczba komórek potrzebna do zamodelowania rzeczywistego układu nie powinna być mniejsza niż 106. Rozmiar taki jest konieczny przy próbie analizy złożonych makrocząsteczek jak białka i rozbudowane polimery. Należy przy tym zaznaczyć, że próba modelowania tyko małego wycinka przestrzeni, np. 103 (skala około jednego nanometra) nie jest możliwa przy użyciu 103 komórek, gdyż występuje tutaj efekt skończonych rozmiarów obszaru analizowanego (z ang. finite size effect – efekt ten dotyczy wszystkich typów obliczeń, także normalnych symulacji komputerowych).