Origen y usos del supercómputo en la BUAP

El origen

 

A través de la historia los seres humanos siempre hemos querido entender el mundo y sobre todo transformarlo. Nuestra curiosidad nos hace voltear hacia el cielo, indagar en nuestra mente o asomarnos al mundo de las especies microscópicas. Cada descubrimiento nos abre nuevas incógnitas: más complicadas, más confusas, más desafiantes, y para resolverlas necesitamos herramientas que nos ayuden a realizar miles de cálculos precisos y a tiempo. Cálculos que nos permitan por ejemplo, evaluar el impacto de una colisión sin necesidad de destruir decenas de autos, medir propiedades fármaco-químicas de un medicamento sin necesidad de probarlo en animales y hasta predecir la simulación de la circulación oceánica a través de modelos matemáticos. Realizar miles de simulaciones de este tipo requiere de computadoras más rápidas, precisas y poderosas que aquellas que tenemos en la oficina o en casa, ¡necesitamos de supercomputadoras! [1].

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Figura1. Infraestructura de la Supercomputadora Cuetlaxcoapan

En el año 2013 nació una iniciativa por parte de un conjunto de investigadores de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP), que tuvo como proyecto brindar servicios de alto rendimiento computacional; es decir, poder contar con plataformas de “Supercómputo de Altas Prestaciones” [2]. Por  ello es que al unir los esfuerzos de los investigadores de la BUAP, del Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y Electrónica (INAOE) y de la Universidad de las Américas Puebla (UDLAP), en conjunto con el apoyo del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt), los ciudadanos del estado de Puebla y del sureste de México tenemos ante nosotros, una gran oportunidad de realizar cálculos computacionales de una magnitud sin precedente. El Laboratorio Nacional de Supercómputo del Sureste de México (LNS) de la BUAP, es el tercer laboratorio reconocido a nivel nacional después del de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM, México) y del Centro Nacional de Supercómputo del Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica (CNS-IPICyT, San Luis Potosí) [3].

 

Supercómputo

¿Qué es el supercómputo? Un ejemplo podría ser la mejor manera de definir al Supercómputo. Imaginen ustedes el estadio azteca con 100 mil personas dentro y cada una con una calculadora realizando una operación por segundo, todas estas personas necesitarían más de 50 años para realizar los cálculos que la supercomputadora “Cuetlaxcoapan” del LNS (Cuetlaxcoapan en náhuatl significa “Lugar donde las víboras cambian de piel”) realiza en un solo segundo [1]. Es decir, se trata de tecnología informática avanzada de cálculo numérico para desarrollar investigaciones complejas de alto nivel de especialización; es la única herramienta que le permite al investigador llevar a cabo, con certeza y velocidad, billones de billones de cálculos matemáticos por segundo, para estudiar problemas de gran magnitud; su altísima capacidad para procesar simultáneamente grandes volúmenes de información facilita el estudio de fenómenos y condiciones que tan sólo hace menos 30 años eran imposibles; sus aplicaciones abrieron nuevas líneas de investigación científica en áreas como la ingeniería, la medicina, la geofísica, la astronomía, la química y las ciencias nucleares, entre otras [4]. Este es el poder del supercómputo con el que cuenta actualmente el LNS-BUAP.

 

Avance tecnológico y recursos

El LNS además de representar un avance tecnológico, reúne la capacidad y el potencial de las tres instituciones que por tradición son las más representativas en el estado de Puebla en las diferentes áreas de investigación. El LNS es utilizado por investigadores de la BUAP, de la región y de otros estados de la República Mexicana; es una herramienta que impacta en las diferentes líneas de estudio que desarrollan los grupos de investigación. Además, apoya en la formación de recursos humanos de forma directa en las tres universidades participantes a través de los programas educativos que ofrecen, tanto de licenciatura como de posgrado.

 

Etapas de desarrollo del LNS

El proyecto del LNS es un proyecto de largo aliento, cuyo desarrollo está dividido en tres diferentes etapas. La primera de ellas es la que soporta el mayor grado de dificultad y responsabilidad porque ésta implicó poner a disponibilidad de la comunidad universitaria y de la sociedad en general, la herramienta de Supercómputo en total grado de operatividad. En dicha fase inicial se diseñó y se puso en funcionamiento la infraestructura de la supercomputadora “Cuetlaxcoapan”, de la BUAP, con los siguientes parámetros (ver Tabla1).

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Sin embargo, al ser un proyecto de gran aliento y con el debido apoyo de la BUAP y del Conacyt, se ha adquirido mayor infraestructura para poder realizar diferentes cálculos de gran envergadura en los diferentes ámbitos de las ciencias exactas, naturales, económicas-administrativas e ingeniería. Actualmente, el LNS cuenta con la siguiente infraestructura (ver Tabla 2).

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En la segunda etapa, el LNS ofrece los servicios de procesamiento de datos a los investigadores de la UDLAP y al INAOE, además de brindar el procesamiento de datos a investigadores de otras instituciones del sureste de México y por supuesto llevar a cabo la consolidación de la relación que existe en el cuestiones de supercómputo entre el LNS y el CNS-IPICyT de San Luis Potosí. Finalmente, la tercera etapa se encuentra en desarrollo y consiste en ofrecer el procesamiento y almacenamiento de datos tanto al sector industrial como a instituciones gubernamentales para hacer del LNS un Laboratorio autosustentable.

Las ventajas que ofrece el LNS entre otras cosas son por ejemplo, la alta capacidad en el almacenamiento, la confiabilidad y la disponibilidad de datos. Además, cuenta con la certificación en el nivel 3 por parte de la International Computer Room Experts Association (ICREA) y cuya infraestructura se muestra en la siguiente figura (ver Figura 1).

 

Aplicaciones del Supercómputo del LNS

En la BUAP los diferentes grupos de investigación han utilizado la infraestructura del LNS para resolver problemas relacionados con la ciencia, tal es el caso del Cuerpo Académico de “Investigación Experimental y Teórica de Nuevos Materiales y Educación en Ciencias”, BUAP-CA-263, en donde los integrantes han logrado la caracterización molecular de los compuestos de vanadio —contra la diabetes mellitus tipo II y el cáncer de mama—, el cual actúa como un conductor para llevar el fármaco específico al órgano o tejido dañado.

Durante los dos últimos años, los doctores Francisco Javier Meléndez, Norma Caballero Concha, Tom Scior, Ramsés Gutiérrez Ramírez y la estudiante de posgrado Lisset Noriega de la Facultad de Ciencias Químicas, así como los doctores María Eugenia Castro y Enrique González Vergara, del Instituto de Ciencias de la BUAP, han trabajado con estos compuestos, usando dos métodos Ab Initio y Docking.

A la fecha han logrado caracterizar teóricamente (además de espectroscópicamente) usando el supercómputo, los compuestos a partir de vanadio que han sintetizado y han realizado simulaciones entre fármaco y proteína In Silico, logrando resultados alentadores.

Los compuestos que contienen vanadio diseñados por el grupo, son series de dos tipos: una a partir de bases de Schiff (para cáncer de mama) y otra de compuestos de vanadio como los llamados bisperoxo-oxovanadato. A la fecha han caracterizado teóricamente tres compuestos contra el cáncer de mama y seis contra la diabetes. Por lo tanto, los estudios teóricos realizados usando métodos Ab Initio, Teoría de Funcionales de la Densidad (DFT) y Simulación Molecular Docking utilizados en el Laboratorio Nacional de Supercómputo del Sureste de México (LNS) permiten conocer más acerca de las estructuras moleculares, la asignación del espectro IR, la reactividad química y otras características de estos complejos [8].

Con el supercómputo es posible revelar los misterios de la naturaleza, crear ciencia con los países desarrollados, calcular para competir y hacer real lo imaginario. Con el poder de supercómputo a nuestro alcance, solo nos queda hacernos una esperanzadora pregunta: “¿Hasta dónde podremos llegar?

 

francisco.melendez@correo.buap.mx

 

Referencias

 

[1] https://www.youtube.com/watch?v=7zZr3QFVzmE

 

[2] Proyecto Institucional: Centro de Servicios de Supercómputo de la BUAP “Cuetlaxcoapan”. 13 de Agosto de 2013.

 

[3] https://www.youtube.com/watch?v=TZQi_xvy9P8

 

[4] E. Cruz Martínez, J. L. Gordillo Ruiz, “Supercómputo en la UNAM”, Entérate en Línea, Año 1, Número 14, Noviembre de 2002.

 

[5] Rpeak – representa el valor de diseño.

 

[6] Rmax – representa  el máximo alcanzado en la prueba LINPACK.

 

[7] http://www.lns.org.mx

 

[8] Francisco J. Meléndez, “Investigadores de la BUAP, en el camino de desarrollar fármacos anticancerígenos y antibiabéticos”, 2016. En prensa.