Helsingin yliopiston käytössä oleva laskentakapasiteetti moninkertaistuu parhaillaan, kun käyttöön otetaan uusia supertietokoneita. Tämä voi mullistaa kokonaisia tieteenaloja.

Helsingin yliopiston biofysiikan professori Ilpo Vattulainen tutkii biomolekyylien muodostamia toiminnallisia systeemejä, eli eräänlaisia nanotason molekylaarisia koneita ja solunsisäistä viestinvälitystä. Tutkimusta voi soveltaa esimerkiksi lääkekehityksessä ja ylipäätään sen ymmärtämiseen, miten terve elimistö käyttäytyy.

Vattulaisen tutkimus on yksi esimerkki niin kutsutusta data- ja laskentaintensiivisestä tutkimuksesta, joka yleistyy nyt kaikilla tieteenaloilla. Dataintensiivinen tutkimus tarkoittaa tutkimusta, joka edellyttää erittäin suurten tietoaineistojen käyttöä. Tällaisten aineistojen käsittelyssä ja analyysissä tarvitaan laskentateholtaan yhä järeämpiä tietokoneita ja yhä enemmän tallennustilaa.

Dataintensiivinen tutkimus on usein kytköksissä myös laskentaintensiiviseen tutkimukseen, jossa ongelman ratkaisun vaatima laskennallinen kapasiteetti on poikkeuksellisen suuri.

– Näin voimme esimerkiksi nähdä, miten lääkeaine tarttuu proteiiniin ja saa aikaan muutoksia sen toiminnassa, tai kuinka tietyt molekyylit pystyvät hajottamaan bakteereiden pintarakennetta ja tekemään ne toimintakyvyttömiksi. Näitä prosesseja simuloitaessa dataa kertyy tolkuttomasti, tyypillisesti sadoista gigoista teratavuihin, Vattulainen kertoo.

Ilpo Vattulainen 1000p

Biofysiikan professori Ilpo Vattulainen tutkii biomolekyylien muodostamia toiminnallisia systeemejä.

Uudet supertietokoneet käyttöön

Helsingin yliopistolla on paitsi omaa laskentakapasiteettia, myös mittavaa yhteistyötä niin Tieteen tietotekniikan keskus CSC:n kuin kansainvälisten palveluntarjoajien kanssa.

Vuonna 2021 Helsingin yliopiston tutkijoiden käytössä oleva laskentakapasiteetti kasvaa reilusti, kun käyttöön tulee CSC:n ylläpitämä LUMI-supertietokone. Siitä tulee maailmanlaajuisesti yksi tehokkaimmista supertietokoneista.

Yhdessä juuri käyttöön tulleiden CSC:n Mahti- ja Puhti-supertietokoneiden kanssa laskentakapasiteetti kasvaa noin 20-kertaiseksi verrattuna vuoden 2019 tilanteeseen. Vattulaisen mukaan tämä kapasiteetti on tutkijoille kuin iso hunajapurkki pikkukarhuille. Myös hänen tutkimuksensa pääsee uudelle tasolle.

– Ennen pystyimme tutkimaan noin kymmenen prosenttia siitä aikaskaalasta, jonka esimerkiksi tyypillinen proteiini vaatii työnsä tekemiseen. Pian voimme nähdä koko ketjun: miten viesti saapuu proteiiniin, proteiini käsittelee sen, muuttaa aktivoituessaan rakennettaan ja ohjaa viestin eteenpäin. Tämä voidaan nähdä millisekuntien ajalta ja ymmärtää atomitason tarkkuudella. Tämä ei ole ollut aiemmin mahdollista, koska koneiden kapasiteetti ei ole riittänyt simuloimaan sitä kokonaan.

Tutkijoiden tajuttava paradigman muutos

Vattulaisen mukaan tutkijat tarvitsevat nyt sekä aikaa syvällisille pohdiskeluille että koulutusta kasvavan laskentatehon hyödyntämisestä.

– Tutkijoiden on tajuttava tämä paradigman muutos. Pian on mahdollista tutkia täysin uusia tutkimuskohteita, jotka voivat olla paljon aiempaa haastavampia ja joiden tutkimisesta ei aikaisemmin voinut edes unelmoida. Se kuitenkin edellyttää, että tutkijat poistuvat mukavuusalueeltaan ja hyppäävät tuntemattomalle alueelle, uusien isompien haasteiden kimppuun. Sen ohessa uuteen laskentaympäristöön siirtyminen vaatii henkilökohtaista tukea.

Jos tässä ei onnistuta, Vattulaisen mukaan uudet tehokkaat laitteet voivat jäädä alikäytölle.

– Laskennallisissa tieteissä isompi on aina parempi. Ensimmäistä kertaa 25 vuoteen edessä on tilanne, että hyppy uutta resurssia kohtaan on todella iso.

Kumpula tähtää laskennallisen tieteen huipulle

Kumpulan kampuksen IT-ohjausryhmä on julkaissut strategisen näkemyksen Kumpulan kampuksen IT-toiminnan kokonaisuudesta. Raportti kuvaa kampuksen IT-toiminnan nykytilaa sekä lähivuosien kehittämistarpeita. Kehittämisen visio on, että Kumpulan kampus on tulevaisuudessa yksi laskennallisen tieteen edelläkävijöistä maailmanlaajuisesti.

Yliopisto tekee yhteistyötä muun muassa Tieteen tietotekniikan keskus CSC:n kanssa. Yliopistolle on kuitenkin tärkeää myös se, että sillä on aivan omaa, kilpailu- ja suorituskykyistä laskentakapasiteettia.

– On tärkeää, että meillä Kumpulassa on vahva oma tieteellisen laskennan infrastruktuuri. Voimme hankkia uusia laitteita ja tarjota uusia palveluita ennen kuin ne ovat tulleet esimerkiksi CSC:n valikoimiin. Voimme myös räätälöidä ratkaisuja paikallisten tarpeiden mukaan. Lisäksi kun infra on omassa hallussamme, voimme tutkia ja opettaa myös infraan itseensä liittyviä asioita, kertoo tietojenkäsittelytieteen professori, varadekaani Hannu Toivonen, joka on Kumpulan IT-ohjausryhmän puheenjohtaja.  

Monimutkaisten laskentainfrojen käyttö edellyttää kunkin laitteiston ohjelmisto- ja ohjelmointiympäristöjen tuntemista. Toivosen mukaan ne myös muuttuvat nopeasti, joten tutkijoiden osaaminen tulee pitää ajan tasalla.

– Kynnys ryhtyä laskentapalvelujen käyttäjäksi voi olla monelle liian suuri, mutta niin ei tarvitsisi olla. Pyrimme madaltamaan infroihin liittyvää kynnystä lisäämällä henkilökunnan koulutusta.

Tietotekniikkakeskuksen Kumpulassa toimiva IT for Science -tiimi pitää yllä Kumpulan infraa ja tuottaa siihen liittyviä palveluja. Strategisen näkemyksen mukaan tiimi tarjoaa tulevaisuudessa yhä enemmän koulutusta. Osaamista kehitetään esimerkiksi erilaisilla koulutus- ja seminaaritilaisuuksilla. Tutkijoiden verkostoitumista tuetaan erilaisin tilaisuuksin, jotta osaaminen siirtyisi myös tutkijoiden kesken.

– Tutkijan näkökulmasta hyöty on se, että hän osaa entistä paremmin käyttää erilaisia laskentapalveluita ja pystyy siten tekemään tutkimusta, jota muuten ei välttämättä voisi tehdä, Toivonen sanoo.

Lue lisää: