TEMA BROJA

Gordana Jovanović i Milan Jovanović

Superračunari / Big data

Između prošlosti, zabave i predviđanja budućnosti

Zahvaljujući savremenim tehnologijama, razvijanje znanja i veština radi rešavanja životnih problema postaje sve efikasnije, a predviđanje događaja u budućnosti postaje sve važnija tema iako smo svesni da se na budućnost ne može mnogo uticati. Ipak, sve više koristimo kompjuterske tehnike ne samo da bismo poboljšali kvalitet života i obavljali svakodnevne poslove već i za zabavu.

Na pitanje: kada je nastao prvi kompjuter, nema lakog odgovora jer postoje različite klasifikacije računara. Počev od pre 1000 godina p.n.e, kada je napravljena prva računaljka sa kuglicama pa do danas, izmišljene su i napravljene razne naprave koje su mogućavale lakše snalaženje sa brojevima. Francuski matematičar Paskal je 1642. godine konstruisao računarsku mašinu koja je sabirala i oduzimala brojeve najpre na šest; kasnije je bolja verzija ove mašine sabirala i oduzimala na osam dekadnih mesta. Prvi mehanički računar, tj. automatsku računarsku mašinu koja je mogla da izračuna nekoliko skupova brojeva i napravi štampane kopije rezultata, danas većina ljudi ne bi ni smatrala računarom. Ovu mašinu je napravio Charles Babbage 1822. godine. Vremenom su osmišljavana sve savremenija pomagala da bi se, 1941. napravili računari sa programiranim upravljanjem.
Sa prikupljanjem sve većeg broja informacija iz različitih sfera života i rada nametnula se i potreba za sve bržom obradom podataka i predviđanjem događaja, pa se šestedesetih godina prošlog veka pojavljuju računari visokih performansi koji, u poređenju sa računarom opšte namene, brže obrađuju mnogo veće baze podataka. Poznatiji su kao superkompjuteri, a praktično se mogu uporediti sa mnogo kompjutera koji rade istovremeno na istom problemu, tj vrše paralelnu obradu podataka. Bez ovih moćnih mašina nemoguće je zamisliti proračune velikih razmera u velikim kompanijama, simuilacije novih materijala, rekonstruisanje događaja iz prošlosti, prognoziranje vremenskih prilika ili drugih događaja i itd. Jedan od najbržih računara na svetu, koji je izgradio IBM, uspeo je da pomogne u mapiranju ljudskog genoma. Superkompjuteri čak mogu da pokažu snagu veštačke inteligencije koja se, na neki način, nadmeće sa ljudskom. Zahvaljući tome što mogu da izvrše hiljade proračuna za manje od sekunde, veliku primenu nalaze u svim naučnim disciplinama, a svedoci smo njihove upotrebe u pronalaženju lekova za bolesti savremenog čovečanstva a u novije vreme i COVID-19 i dr.
Kad je reč o zabavi, dovoljno je reći da simulacije kretanja nekih izumrlih životinja kao što su dinosaurusi pune muzejske hale širom sveta. Glavna karakteristika superračunara je to što svake godine postaju sve moćniji i sve više nalaze primenu u našim životima.

Kompjuter “IBM 705” je bio jedan od najmoćnijih sistema za obradu podataka sredinom 1950-ih. Dizajniran je prvenstveno za rukovanje poslovnim podacima. Bio je težak 10 t, imao je kapacitet centralne memorije od 40KB i koštao je 1.460.000 dolara. Taj računar je bio prvi koji je nabavljen u FNRJ, i to 1960. godine od strane tadašnjeg Saveznog zavoda za statistiku. Korišćen je pre svega za obradu popisa stanovništva 1961, a kasnije i za druga statistička istraživanja. “IBM 705” računar je, zbog težine i veličine, od aerodroma morao biti prevezen kamionima, a za instaliranje i rad mu je bila potrebna cela soba. Sačuvane su retke fotografije ovog događaja na beogradskom aerodromu i njegovom transportu kroz Beograd do odredišta.

Kad kompjuter uči

Zdravlje čoveka bi trebalo da bude jedan od prioriteta savremene nauke. Pristup genomskim i drugim velikim medicinskim podacima je neophodan za korišćenje veštačke inteligencije, tj.  AI (eng. artificial intelligence) i superračunara koji bi mogli pomoći u suzbijanju bolesti. Primarna uloga računarske nauke i superračunarske tehnologije u farmaceutskim istraživanjima je ubrzanje procesa otkrivanja i razvoja lekova, koristeći spregu aplikacija baza podataka, aplikacija za generisanje podataka i aplikacija za analizu i vizuelizaciju podataka. Poseban problem zadaju teške i smrtonosne bolesti.
Tokom poslednjih decenija, računarske tehnologije visokih performansi (HPC) i superračunari su značajno napredovali. Računarski dizajn lekova (computer-aided drug design – CADD), koji se uveliko oslanja na HPC i kombinuje farmaceutsku hemiju i računarsku biologiju, danas je neophodan korak u otkrivanju novih lekova.
Veliki broj lekova deluje tako što se njihovi molekuli vezuju intermolekulskim vezama za specifično mesto na ciljnom proteinu, među kojima su receptori na membranama ćelija ili enzimi koji se mogu naći u citoplazmi. Poznavanje osobina molekula leka, njegovog ponašanja u tom specifičnom mestu, kao i osobina samih aminokiselina koje su odgovorne za vezivanje leka na tom mestu su od najvećeg značaja za dizajn novih lekova. Mnoge CADD tehnike koje se primenjuju radi prikupljanja ovih informacija, kao što su virtuelni skrining lekova, simulacije molekularne dinamike (MD) i molekularno modeliranje, mogu se ubrzati najnovijim tehnologijama. Virtuelni skrining predstavlja testiranje velike baze jedinjenja u potrazi za jedinjenjem sa odgovarajućim karakteristikama. MD simulacije predstavljaju simulacije kretanja molekula tokom vremena. Mogu se koristiti u proučavanju različitih struktura, a u ovom kontekstu je zanimljivo ispitivanje ponašanja leka vezanog za svoje mesto delovanja u toku vremena. Ove metode omogućavaju pronalaženje ključnih osobina lekova i specifičnih interakcija sa mestom dejstva u cilju pronalaženja efikasnijih i selektivnijih, pa samim tim i bezbednijih lekova.

Veštačka inteligencija (AI) i druge tehnologije mogu igrati važnu ulogu u pronalaženju novih i efikasnih tretmana za razna oboljenja. Iako neki misle da je samostalno rešavanje problema upotrebom veštačke inteligencije iz novih generacija softvera najbolje rešenje, prema drugim mišljenjima kombinacija ovog i ljudskog iskustva bi trebalo da bude najefikasnija. Biološke baze podataka i analize genetičkog materijala pružili su naučnicima mogućnost da proučavaju veze između gena i oboljenja na nivou pojedinačnih pacijenata kako bi bolje razumeli genotipove pacijenata i njihove implikacije na bolest i lečenje. Najmoćniji svetski superkompjuteri se koriste da bi se ubrzala otkrića novih lekova. Snaga mašinskog učenja i molekularnih simulacija zasnovanih na fizici je vrlo značajna kako bi se, prilikom pronalaženja lekova, ubrzala otkrića jedinjenja sa predviđenim terapijskim vrednostima. Svake godine se pojavljuju sve brži superračunari, a na listi od 500 najbržih treba navesti: “fugaku”, “summit”, “sierra”, “marconi-100”, “tianhe II” itd.

U službi proučavanja fosila

Više od jednog veka paleontolozi pronalaze kosti dinosaurusa i zamišljaju kako su izgledali i na koji način su se kretali. Za Tirannosaurus rex-a se najpre smatralo da stoji slično kenguru i vuče teški rep po zemlji. Napravljeni su jednostavni modeli koji su pokazali da je ovaj položaj nerealan, jer se tako ne može održavati ravnoteža. Zato je u muzejima prihvaćeno da rep na modelima stoji paralelno sa zemljom; a da bi eksponati stabilno stajali, korišćene su šipke koje su pridržavale repove.

Rekonstrukcija hoda izumrlih životinja zahteva integraciju paleontoloških podataka dobijenih iz fosila sa znanjem iz anatomije, fiziologije i biomehanike današnjih životinja. Kompjuterska simulacija pruža metode za kombinovanje multimodalnih informacija da bi se proizvela konkretna predviđanja koja se mogu koristiti za procenu verovatnoće hipoteza. Zahvaljujući kompjuterima učinjen je veliki napredak naročito u pogledu kretanja dinosaurusa. Pojavom mnogo bržih superračunara, takve simulacije mogu da istraže širok spektar mogućnosti i omoguće stvaranje novih hipoteza o kretanju. Danas, umesto da posmatramo samo anatomiju dinosaurusa i na osnovu kostiju i otisaka stopala kako se to nekad radilo, pomoću računara možemo do vrlo finih detalja rekonstruisati način kretanja ovih gmizavaca. Pomoću CT skeniranja, paleontolozi mogu identifikovati ne samo tragove očnih jabučica, perja i krljušti, već i mišića.
Mišići nisu sačuvani u fosilnim nalazima, već se nalaze samo kosti koje su svakako bile u vezi sa mišićima. Tako se, na osnovu analogije sa najbližim živim rođacima dinosaurusa, sa krokodilima i pticama, može videti gde se mišići vezuju za kosti, a može se utvrditi i koji su mišići u pitanju. Rezultati ovakvih analiza su omogućili da se skeletima doda meko tkivo.

Ovako dobijeni biomehanički modeli koriste se za simulaciju hodanja i drugih pokreta, omogućavajući istraživačima da eksperimentišu sa položajem i snagom mišića. Neverovatne ili neefikasne vrste pokreta se ne uzimaju u obzir, pa se na taj način sužava opseg mogućih pokreta.
Snaga superračunara omogućila je postavljanje i mnogih drugih pitanja: kako su se dinosaurusi kretali sa četiri ili sa dve noge, kako se njihovo kretanje menjalo kada su postajali ptice... Nova otkrića (posebno u Kini) i računarsko modeliranje omogućavaju empirijsko proučavanje ne samo kretanja već i detalja poput disanja, cirkulacije i snage ugriza. Na osnovu fosilizovanih melanosoma (organele prepune pigmenta - specijalizovane podjedinice u ćelijama), uspešno su rekonstruisane boje i izgled perja kod nekih vrsta. Pokazalo se da su mnogi dinosaurusi imali ekstravagantno perje, prugaste repove i druge ukrase na telu raskošnih boja koji su verovatno služili za skretanje pažnje partnera. Kako se kompjuterima uspeo dočarati nov izgled ovih životinja, umetnost i paleontološka nauka su se u skladu sa tim prilagodili potrebama javnosti, a to je pre svega obaveštavanje javnosti u okviru onoga što je moguće. Sve što prirodnjački muzeji iznose javnosti mora biti prikazano na osnovu proverenih informacija. Nažalost, pošto se primena superkompjutera u paleontologiji veoma brzo razvija, muzeji zbog finansijskih i kadrovskih problema nisu u stanju da prate sva naučna dostignuća.

Pretraživanje fosilnih zapisa
o velikim izumiranjima

Paleontolozi nemaju potpuno jasan pogled na istoriju Zemlje jer nepotpuni fosilni zapisi i neprecizne tehnike datiranja otežavaju precizno utvrđivanje događaja koji su trajali milionima godina, tokom geološke prošlosti. Šezdesetih godina prošlog veka paleontolozi su započeli sistematsku analizu fosilnih zapisa otkrivajući periode bujanja života, nakon čega su se događala masovna izumiranja. S obzirom da su fosili bili grupisani u relativno duge geološke periode, istraživanja su mogla da utvrde promene biodiverziteta tek za vreme od oko deset miliona godina. Najbolji dosadašnji zapis o tome kako se biodiverzitet menjao u davnoj prošlosti stvoren je između ostalog i uz pomoć superračunara. Potvrđeno je da se jedno od pet velikih masovnih izumiranja nije dogodilo. Zapravo, smatralo se da su pre oko 375 miliona godina, pred kraj devonskog perioda, okeani postali otrovni, pri čemu su uništene mnoge morske vrste, uključujući skoro sve trilobite. Najnovija proučavanja ipak ne pokazuju dokaze o naglim katastrofalnim promenama, kao što je na primer bio udar asteroida koji je uništio dinosauruse i mnoge druge organizme. Umesto toga, došlo je do postepenog pada diverziteta tokom izuzetno dugog vremena - oko 50 miliona godina.
Polazeći od činjenice da se fosili koriste za datiranje stena i da je većina vrsta prisutna samo nekoliko miliona godina, a fosili jedne vrste se mogu naći u stenama na različitim lokalitetima, te stene bi onda trebalo da budu približno iste starosti. Pošto većina organizama u istoriji Zemlje nije ostavila fosile, a naučnici su identifikovali samo mali sačuvanih, ne možemo uvek sa sigurnošću reći da li promene u fosilnim zapisima označavaju stvarne pomake poput masovnog izumiranja, ili su jednostavno posledica nedostatka fosilnih nalaza. U zemljama sa obiljem fosila, kao što je Kina na primer, ovaj problem je rešavan superkompjuterima “tianhe II”. Tim naučnika sa sedištem uglavnom u Kini analizirao je bazu podataka sa više od 11.000 fosilnih vrsta koje su živele u periodu od pre oko 540 miliona do 250 miliona godina. Oko 300 miliona godina istorije Zemlje paleontolozi su detaljno proučili. Fosilni morski beskičmenjaci su pronađeni u više od 3.000 slojeva stena iz ranog paleozoika, što znači da su tokom ovog perioda predstavljale geologiju čitave planete. Korišćen je softver koji je iskoristio činjenicu da su se vrste obično nalazile u više stenskih formacija, od kojih svaka obuhvata stotine hiljada do miliona godina. Informacije su poslužile za postavljanje gornje i donje granice perioda u kojem su vrste zaista postojale. Ovaj posao je otkrio koliko dugo i kojim redosledom je postojalo svih 11.000 vrsta. Rezultat je istorija života tokom ranog paleozojskog doba, koja može odrediti porast i pad vrsta tokom diverzifikacije i masovnog istrebljenja na oko 26.000 godina. Ovo će pomoći naučnicima da identifikuju uzroke masovnih izumiranja - poput događaja na kraju permskog perioda, pre oko 252 miliona godina, koji je zbrisao više od 95% morskih vrsta kao i razumevanje manje dramatičnih izumiranja i oporavka vrsta koje je bilo teško otkriti zbog praznina u evidencijama fosila. Razumevanje ovih procesa moglo bi otkriti paralele sa gubitkom biodiverziteta na planeti koji se dešava danas. Običnim računarom bi za ovaj posao trebalo nekoliko desetina godina, superračunaru je trebalo oko sedam miliona procesorskih sati. Кoristeći ovaj pristup, tim naučnika je uspeo da sazna dodatne detalje o događajima kao što je kambrijska eksplozija (pre oko 540 miliona godina) i izumiranje krajem perma. Analiza je pokazala da se raznovrsnost živog sveta smanjivala tokom 80 000 godina, što je na kraju dovelo do masovnog izumiranja krajem perma, tokom oko 60 000 godina.

Procesi u budućnosti - još jedna briga čovečanstva

Rešavanje mnogih problema u nauci nije jednostavna stvar, naročito ako se to odnosi na predmete koji su previše udaljeni, preveliki ili previše opasni za proučavanje. Iako su izmišljeni teleskopi za posmatranje dalekog svemira, sve više nas, na primer, brinu klimatske promene u budućnosti, nepredvidive prirodne katastrofe kao što su zemljotresi i cunami, ili pojave klizišta na terenima nakon ulaganja velikih finansijskih sredstava. Olakšavajuća okolnost je upotreba superračunara koji može da pokreće različite računarske programe za reprodukovanje raznih eksperimenata u sopstvenoj memoriji. To savremenom naučniku daje moćno sredstvo za proučavanje stvarnog sveta u virtuelnom okruženju. Sam proces izvođenja virtuelnog eksperimenta naziva se računarska simulacija.
Računarsko modeliranje visokih performansi može tačno simulirati cunami izazvan dejstvom vulkana. Takvi modeli upućuju na mogućnost ranog predviđanja događaja što bi mogli spasiti živote i pomoći da materijalne štete budu što manje. Cunami može biti izazvan zemljotresom, ali i podvodnim kliženjima koji mogu izazvati velike talase, kao što se dogodilo 2018. sa vulkanom Anak Krakatau, u Indoneziji. Nakon velike katastrofe posle cunamija, kada je oko 400 ljudi izgubilo živote, naučnici su tokom 2019. nekoliko puta istraživali indonežansko područje. Na SDSC-ovom superkompjuteru “comet”, istovremeno je pokrenuto više simulacija, tako da su istraživači mogli da razmotre različite scenarije. Tim naučnika veruje da će, nakon dovoljno proučenih podataka, u Indoneziji pronaći način ranog upozorenja na moguće ponavljanje ovako velike katastrofe i da će uspeti da vreme upozorenja sa nekoliko sati smanje na desetak minuta, kako bi što više ljudi bilo zaštićeno pre cunamija.

U brežuljkastim i strmim planinskim pejzažima, odroni zemlje izazvani klizištima česti su oblici erozije. Klizišta su, u najširem smislu reči, gravitaciona kretanja stenskih masa i tla niz padinu. U naseljima, pored puteva i drugim mestima koja koristi čovek prouzrokuju imovinsku štetu, poremećaj infrastrukture, povrede, pa čak i gubitke života. Pomeranjem zemljišta pokrenutim klizištem u potoke može se promenti tok potoka i izazvati neprocenjiva šteta prirodnom okruženju itd. Pojava klizišta je u zavisnosti od različitih parametara terena koji se moraju analizirati prilikom procene stabilnosti kosina ili opasnosti od njihovog aktiviranja. Interesantno je predvideti kako će se, na primer, klizište ponašati ako zemlja postane zasićena vodom ili ako je manje ili više vodopropusna itd. Poseban problem nastaje ako je nepoznata ili nejasna dubina sloja koji se može pokrenuti. Kompjuterski programi prave prilično precizne mape rizika od klizišta sa različitim scenarijima dubine tla, pružajući alternativne simulacije mogućeg pokretanja klizišta, odražavajući nam tako značaj dubine tla u predviđanju opasnosti od klizišta. Na osnovu tačno utvrđenog tipa i svojstava klizišta, zatim pretpostavljenih uzroka nastajanja i mehanizma klizanja kao i konstatovanih glavnih faktora koji klizište održavaju u stalnoj aktivnosti, za uspješnu sanaciju klizišta daju se precizne preporuke projektantu.
Više nije teško shvatiti i prihvatiti nezamenjivu ulogu superkompjutera u rešavanju problema današnjice ili bliske budućnosti ne samo naše planete, rešavanje prblema koji su donedavno bili nezamislivi. Rezultati dobijeni simulacijom sudara planeta i njihovih efekata mogu pružiti važne informacije o formiranju planeta, pa čak i o poreklu Zemlje i Meseca. Informacije dobijene kosmološkim simulacijama polako postaju deo naše svakodnevnice. Istraživanja pri otkrivanju novih lekova su takođe uveliko potpomognuta superkompjuterima. Ove moćne naprave nam otvaraju prozore u prošlost kada nije postojao život, ali bacaju i tračak svetlosti na moguće rešavanje problema u budućnosti.

Gordana Jovanović i Milan Jovanović

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"