AtlAS: Doseganje daljših časovnih in dolžinskih skal v atomističnih simulacijah

Centri za visoko zmogljivo računalništvo (HPC) se pomikajo k prehodu na eksaskalo. V zadnjih letih je bilo veliko truda vloženega v prilagajanje atomističnih simulacij, da lahko le te učinkovito izkoristijo nove hibridne arhitekture. Kljub znatnemu napredku, natančno modeliranje kompleksnih reaktivnih pojavov v materialih, kot so oksidacija, degradacija in rast ob faznih mejah, ostaja odprt izziv tako v smislu pridobitve fizikalno-kemijskega razumevanja teh pojavov, kot tudi na področju razvoja znanstvene programske opreme. Posebno vprašanje v zvezi s tem je, kako obravnavati redke dogodke, tj. dogodke, ki so povezani z veliko večjimi aktivacijskimi energijami od kT. Metoda, ki je posebej primerna za modeliranje takih dogodkov, je znana kot kinetični Monte Carlo (kMC). Pri tej metodi je časovni razvoj sistema določen z verjetnostjo prehoda med različnimi stanji, ki jih sistem lahko zasede. Za pridobitev te verjetnosti se opira na teorijo prehodnega stanja, ki pravi, da sistem zaseda minimume na površini potencialne energije (ang. Potential Energy Surface, PES), medtem ko je pogostos prehodov med minimumi določena z višino aktivacijske energije, ki jo določuje sedliščna točka na tej površini, ki povezuje oba minimuma. Zato je treba za izvedbo uspešne simulacije kMC poznati vse kritične točke na površini potencialne energije preučevanega sistema. Vendar pa je opis kritičnih točk na tej površini v veliki meri odvisen od uporabljenega modela medatomske interakcije, zato obravnavanje kompleksnih pojavov zahteva tako kMC algoritem, kot tudi model interakcije in algoritem, ki raziskuje PES. Z drugimi besedami, programska oprema, ki izvaja simulacijo kMC, zahteva interoperabilnost in možnost enostavne razširitve. Eden od poglavitnih problemov v smislu razvoja programske opreme je, da je bila velika večina programske opreme, ki je sposobna izvajati simulacije kMC, v glavnem razvita z mislijo na določen sistem, ki pogosto vsiljuje tako imenovano predpostavko rešetke. Glavni cilj predlaganega raziskovalnega projekta je torej razviti in vzpostaviti fleksibilen računalniški okvir, ki omogoča simulacijo kompleksnih reaktivnih pojavov na osnovi kMC simulacij in ga uporabiti na prototipskem in znanstveno zanimivem primeru, tvorbi tankega oksidnega filma na površinah aluminija. Natančneje, vključili in razširili bomo nedavno razvito izvedbo tehnike aktivacije in relaksacije (ang. Activation Relaxation Technique ART), ki je sposobna identificirati kritične točke na površini potencialne energije z uporabo dobro uveljavljenih programskih paketov Quantum ESPRESSO (QE) in LAMMPS. Poleg tega bomo vključili nedavno razvit algoritem za primerjanje struktur, imenovan Iterativne rotacije in dodelitve (ang. Iterative Rotations and Assignments, IRA). Z implementacijo teh orodij je naš cilj razviti programsko ogrodje, ki je sposobno izvajati sprotno simulacijo kMC, ki lahko temelji na opisu interakcij s pomočjo empiričnih medatomskih potencialov, kot tudi na potencialih iz prvih principov. Samo ogrodje bo zasnovano modularno, tako da bo omogočalo brezhibno vključevanje alternativnih metod in algoritmov ter bo sposobno izkoriščati paralelizacijske zmogljivosti sodobnih HPC centrov. Nazadnje, dodatni cilj je zagotoviti, da so podatki, ki se generirajo med simulacijo, v skladu z načeli FAIR (ang. Findable, Accessible, Interoperable, Reproducible), tj., da so najdljivi, dostopni, interoperabilni in ponovljivi.