LICC, Laboratorio Interdipartimentale di Chimica Computazionale

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1 LICC, Laboratorio Interdipartimentale di Chimica Computazionale Antonino Polimeno Università degli Studi di Padova Facoltà di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali Dipartimento di Scienze Chimiche

2 1. Software

3 Chimica? È una scienza di base,, con solide radici nel pensiero culturale moderno,, non solo scientifico È una disciplina insieme antica e modernissima Usa gli strumenti forniti dalla fisica e dalla matematica per comprendere e descrivere la materia organizzata a livello molecolare Dà un contributo tecnologico primario al nostro sviluppo

4 Robert Boyle ( ) 1691)

5 Antoine Lavoisier ( ) 1794)

6 Stanislao Cannizzaro ( )

7 Linus Pauling ( ) 1994)

8 Chimica teorica/computazionale (1) La chimica teorica è la branca della chimica che si occupa dello sviluppo di modelli matematici, basati sulla meccanica classica e sulla meccanica quantistica, di sistemi chimici (molecole singole, cluster/aggregati, sistemi supramolecolari e fasi/materiali).

9 Chimica teorica/computazionale (2) La chimica computazionale è la branca della chimica che si occupa dell implementazione dei modelli teorici nella forma di codici di calcolo e della loro applicazione alla simulazione di sistemi chimici, con lo scopo di calcolarne le grandezze fisiche caratteristiche e prevederne le proprietà chimiche.

10 Chimica teorica/computazionale (3) La potenza predittiva delle simulazioni è legata alle caratteristiche delle macchine che si hanno a disposizione. Il numero di operazioni floating-point per secondo (FLOPS) e la capacità di memoria sono i più importanti parametri che determinano la possibilità di eseguire simulazioni in tempi ragionevoli. Nonostante già nei primi anni del XX secolo il supporto teorico per la formulazione dei modelli fosse pronto, il grande sviluppo della chimica computazionale si è avuto negli ultimi 30 anni, proprio perché si è iniziato a disporre di sistemi hardware sufficientemente potenti. da (Chimica computazionale)

11 cdc.6600 card reader (1964)

12 Blue Gene: Teraflops (2004)

13 Chimica computazionale (1) Il calcolo permette di interpretare i dati sperimentali (es. spettroscopie ottiche e magnetiche) relativi a sistemi chimici esistenti Il calcolo permette di determinare le proprietà di sistemi molecolari che per motivi tecnici od economici non sono misurabili sperimentalmente I metodi della chimica computazionale possono essere di grande utilità per la progettazione di nuovi sistemi chimici (design molecolare) con le proprietà chimico-fisiche desiderate

14 Meccanica e dinamica molecolare Force field MM Distribuzione di carica

15 Meccanica quantistica

16 2. Hardware

17 Dipartimenti chimici italiani/in rosso sono indicati i dipartimenti con facilities computazionali proprie Ancona Bari Benevento Bergamo Bologna Bolzano Brescia Cagliari Camerino Campobasso Cassino Castellanza Catania Catanzaro Chieti Ferrara Firenze Foggia Genova L'Aquila Lecce Macerata Messina Milano Padova Palermo Parma Pavia Perugia Pisa Potenza Reggio Calabria Rende Roma Salerno Sassari Siena Teramo Torino Trento Trieste Udine Urbino Varese Venezia Vercelli Verona Viterbo Modena Napoli

18 Obiettivi (1) La necessità di disporre di strumenti per la chimica computazionale ha comportato il rafforzamento dell impiego intensivo, da parte della comunità chimica universitaria, dei grandi centri di calcolo Cineca, Caspur Cilea Contemporaneamente però si sono venuti a formare, sull esempio di altre comunità scientifiche (fisici, matematici, biologi, astronomi) laboratori di calcolo locali di piccole o medie dimensioni

19 Obiettivi (2) I centri di calcolo locali permettono un più agile impiego di risorse per problemi di medie dimensioni, rispetto alla difficoltà di gestione in remoto delle risorse la possibilità di avviare esperienze formative in loco per studenti, dottorandi e ricercatori la possibilità di un impiego razionale di risorse di calcolo altrimenti disperse, mediante soluzioni basate sui sistemi grid

20 La costituzione di centri di calcolo di dimensioni medio-piccole (basate su cluster di un numero di processori dell ordine delle centinaia) é resa possibile dalla loro relativa economicità, anche a fronte di soluzioni relativamente standardizzate offerte chiavi in mano da varie compagnie (eg. IBM, Hewlett-Packard, Dell). Obiettivi (3) Diventano inoltre possibili la collaborazione con soggetti industriali locali, con chiare ricadute verso i relativi bacini di utenza e sul mercato, il coinvolgimento delle varie componenti chimiche (inter-dipartimentali ed interuniversitarie) lo sviluppo di iniziative e progetti di ricerca collegati, che favoriscano la valutazione (rating) delle strutture dipartimentali sedi dei centri di calcolo la realizzazione e sperimentazione di sistemi hardware-software ad alte prestazioni, con ottimizzazioni di portabilità, scalabilità, modularità e trattamento efficiente e flessibile di grande masse di dati la diffusione dei metodi computazionali in chimica, operando anche da stimolo e da supporto all attività didattiva rivolta agli studenti.

21 OR e - OR RO RO hν Previsione delle proprietà di materiali Struttura e dinamica di proteine Modelli di strutture supramolecolari Dinamica molecolare di fluidi complessi

22 Chimica computazionale a PD (1) Allocare un cluster di media dimensione con sistema operativo Linux, dotato di software per calcolo parallelo, degli applicativi e programmi più comuni Trasferire, almeno parzialmente, anche le esistenti risorse computazionali dei principali gruppi di ricerca del dipartimento che svolgono intensa attività di calcolo, per una gestione ottimale, e la costituzione di una grid locale Raccogliere e rendere disponibili il software, i prodotti ed i rapporti interni relativi a metodologie originali sviluppati dai gruppi di Padova, anche su Web

23 Chimica computazionale a Padova (2) La facility dovrebbe configurarsi come un servizio generale, fornito dal Dipartimento ai suoi afferenti, con una quota maggioritaria di utilizzazione assicurata ai maggiori partecipanti (vedi oltre), ma anche, dietro compenso, ad altri I componenti dei gruppi di ricerca computazionali presenti LICC potranno fornire, quando richiesto, una attività di consulenza per la soluzione di problemi di calcolo, sviluppo di metodologie, interpretazione e visualizzazione di dati, con l ausilio se necessario, del personale tecnico informatico del Dipartimento. Saranno possibili iniziative di training per gli studenti in Chimica, Chimica industriale e Scienze dei Materiali delle lauree di primo e secondo livello, nonchè della Scuola di Dottorato in Scienze Molecolari, anche in relazione all attività di Chimica Computazionale della Società Chimica Italiana.

24 Laboratorio Interdipartimentale di Chimica Computazionale / LICC (1) Area: chimica teorica e computazionale / modeling di materiali / biosistemi / drug design Persone: Antonino Polimeno, Maurizio Casarin Alessandro Bagno, Andrea Vittadini, Giacomo Saielli, Stefano Moro, Giorgio Moro, Diego Frezzato, Alberta Ferrarini Sede Università degli Studi di Padova Dipartimento di Scienze Chimiche Via Marzolo 1, Padova Web:

25 LICC (2) Laboratorio di calcolo di medie dimensioni che permette un più agile impiego di risorse per problemi di medie dimensioni, rispetto alla difficoltà di gestione in remoto delle risorse, più estese ma condivise, di un centro di calcolo la possibilità di avviare esperienze formative in loco per studenti, dottorandi e ricercatori, e quindi di costituire pool locali di esperti in chimica computazionale la possibilità di un impiego razionale di risorse di calcolo altrimenti disperse, mediante soluzioni basate sui sistemi grid

26 Partner Il LICC svolge la sua attività in collaborazione con altri nodi primari di calcolo inseriti nel circuito VILLAGE che riunisce gruppi di ricerca universitari e CNR attivi nell ambito del modeling chimico. I partner principali del LICC sono Università degli Studi di Padova / UniPd Università "Federico II" di Napoli / UniNa Istituto Nazionale di Scienze e Tecnologie dei Materiali / INSTM CIVEN Consiglio Nazionale delle Ricerche / CNR CNR-IPCF CNR-ICPT Hewlett Packard Finmeccanica Accelerys

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28 I cluster sono allocati presso una sala al pianterreno del DISC (Dipartimento di Scienze Chimiche) e possono complessivamente fornire un monte ore di CPU stimabile in circa ore cpu all anno.

29 LICC (3) La facility computazionale è situata presso il Dipartimento di Scienze Chimiche dell Università degli Studi di Padova e a regime riunirà le competenze e le risorse dei gruppi di chimica computazionale padovani Il LICC comprenderà un cluster principale (70 quadri-processori Woodcrest Intel, e macchine aggiuntive rese disponibili da vari gruppi dipartimentali (cluster già esistenti nel Dipartimento di Chimica che potranno essere in parte integrati nella struttura principale). Il LICC raccoglierà e renderà disponibili il software, i prodotti ed i rapporti interni relativi a metodologie originali sviluppati dai gruppi di Padova, anche su Web. Il LICC, all interno della struttura nazionale VILLAGE, svolgerà un servizio qualificato di supporto per l impiego di strumenti computazionali nell ambito di imprese e laboratori privati

30 LICC / expertises (4)

31 LICC (5) Hardware Cluster-α (26 nodi / 54 cpu): AMD Opteron + Intel Xeon; interconnessione Infiniband; OS Linux Red Hat Cluster-β (71 nodi / 284 cpu): 71 nodi (blade) Intel Woodcrest Dual Core, 4 cpu, 2.6 GHz, 2 HD SAS da 72 Gb; interconnessione Infiniband; OS Linux Red Hat Software SO base: Linux RedHat 3.0 Compilatori (64bit): Intel C++ Compiler per Linux, Intel Fortran Compiler per Linux, Portland Fortran; gnu cc Librerie scientifiche: LAPACK, ScaLAPACK, BLAS, CBLAS, CLAPACK, ATLAS, GNU Library, FFTW, //Ellpack, PETSc Software QM: applicativi vari Software MD: applicativi vari

32 3. Grid

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34 Virtual Experiments (click on the experiments below to launch interactive teaching practicals) Interactive Organic Mechanisms Metal ions in solution Superconductor preparation Organo transition metals About this site [ About Us ][ What's Here ][ Plug-ins and Help ] [ Links ][ Write to Us ] Awards Nickel(II) complexes Simple inorganic solids VSEPR Symmetry June 2002, ScientificAmerican.com has selected the Virtual Chemistry Laboratory web site as a winner of the 2002 Sci/Tech Web Awards NewScientist, Science, Yell, DTI, BBC Education Web Guide... *NEW Flash Periodic Table* "Pre-University Chemistry Course" (an on-line chemistry course, chapters last updated Mar. 2003)Winner of the 2001 RSC Exemplarchem Competition. Webcast Lecture Series Gives users a unique chance to view lectures in streamed video format, allowing them to experience lectures by leading figures from home. *NEW* (Dec 2004) Interactive Organic Mechanisms A tutorial aimed at assisting in the understanding of simple reaction mechanisms. *NEW* (Oct 2004) Reaction Mechanisms At A Glance A tutorial based on the book of the same name by Dr Mark Maloney Virtual Environments (explore a virtual Oxford taking you from the historic heart of the city to the university science buildings and into the chemistry teaching laboratories and lecture theatre) Solid State Chemistry A comprehensive online Chemistry course covering solid state compounds. Pericyclic Chemistry Online Resource (an online resource on Pericyclic Chemistry - based on Third Year Lecture course by Dr. J Robertson) Winner of the 2003 RSC Exemplarchem Competition. Chemistry Film Studio (a section which shows the experiments that you want to see on the web. Write to us now with your ideas.) Assigning Spectra (an interactive tutorial on the analysis of IR and Raman Spectra using Group Theoretical methods.) Overall Winner of the 2002 RSC Exemplarchem Competition. Synthesis of Ketones (an interactive tutorial on the Claisen reaction and synthesis of ketones from β-ketoesters.) Chemistry QuickTime TV(view several 12 minute streaming online TV channels explaining key topics to chemistry). You need QuickTime 4 to watch. Last Update March 2005 Virtual Chemistry created, designed & maintained by final year MChem research students in the Department of Chemistry, University of Oxford Copyright

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37 irtual Italian Laboratory for Large-scale Applications in a Geographically-distributed Environment

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42 SeaSandS (Scientific Environment Aimed to an in Silico Approach to Nanomaterial Design and Structure) SeaSailS (Scientific Environment Aimed to an in Silico Approach to Innovation in Life Sciences) LICC / VILLAGE SeaIsleS (Scientific Environment Aimed to an In Silico Laboratory for Environmental Sciences)

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48 Web

49 ... l abitudine l a penetrare la materia, a volerne sapere la composizione e la struttura, a prevederne le proprietà e il comportamento, conduce ad un insight,, ad un abito mentale di concretezza e di concisione, al desiderio costante di non fermarsi alla superficie delle cose. La chimica è l arte di separare, pesare e distinguere: sono tre esercizi utili anche a chi si accinge a descrivere fatti o a dare corpo alla propria fantasia... ( Ex chimico,, P. Levi)