Προσομοιώνοντας τη φύση: Εισαγωγή στη Μοριακή Προσομοίωση σε σύγχρονα υπολογιστικά συστήματα παράλληλης επεξεργασίας

Στις μέρες μας, η αύξηση της υπολογιστικής ισχύος επιτρέπει την μελέτη του φυσικού κόσμου με χρήση ηλεκτρονικών υπολογιστών, σε όλο και μεγαλύτερη λεπτομέρεια κι ακρίβεια. Η προσομοίωση ενός φυσικού συστήματος στον υπολογιστή μπορεί να κατηγοριοποιηθεί με βάση το χαρακτηριστικό μήκος και χρόνο προσομοίωσης σε (α) μακροσκοπικές προσομοιώσεις, (β) μεσοσκοπικές προσομοιώσεις και (γ) μικροσκοπικές προσομοιώσεις. Στις μικροσκοπικές προσομοιώσεις περιλαμβάνονται οι κβαντικές ή ατομιστικές προσομοιώσεις και οι μοριακές προσομοιώσεις. Στις μοριακές προσομοιώσεις ο φυσικός κόσμος περιγράφεται από τη συλλογική συμπεριφορά πολλών μορίων που αλληλεπιδρούν. Χωρικές κατανομές μορίων παράγονται ως αποτελεσμα των αλγορίθμων μοριακής προσομοίωσης ντετερμινιστικά ή στοχαστικά, και με τη χρήση εργαλείων της στατιστικής μηχανικής γίνεται υπολογισμός μακροσκοπικών θερμοδυναμικών ιδιοτήτων. Οι στοχαστικές προσομοιώσεις βασίζονται στη χρήση ψευδοτυχαίων αριθμών (Monte Carlo), ενώ οι ντεντερμιστικές (αιτιοκρατικές) στηρίζονται στην επίλυση των εξισώσεων της μηχανικής. Τα συστήματα που μελετώνται αποτελούνται από χιλιάδες μόρια, περιλαμβάνουν διαφορετικά είδη και είναι πολύπλοκα σε δομή. Το τελευταίο έχει ως απαίτηση τη χρήση υπολογιστικών δομών παράλληλης επεξεργασίας (HPC), που η υπολογιστική τους ισχύ στηρίζεται είτε σε πολυπύρηνους επεξεργαστές (CPU) είτε σε κάρτες γραφικών (GPU), είτε και στα δύο, ανάλογα των αλγόριθμο που χρησιμοποιείται.