Půjčte vědcům Playstation...

... a už vám ji nevrátí

Když ráno přijde profesor Todd J. Martínez, fyzikální chemik z University of Illinois, do své laboratoře, nezřídka nalezne své studenty u herních konzolí Sony Playstation 2. Nevyžene je k "pořádné práci", jak byste asi čekali. Playstation totiž v jeho laboratoři slouží k chemickému výzkumu, podobně jako jinde používají pipetu či kádinku.
První počítače byly z dnešního pohledu legrační obludy - byly sestrojeny z tisíců elektronek a spotřebovaly tolik elektřiny, že by stačila k osvětlení menšího města. Žádný vědec si je proto nemohl samostatně dovolit. Počítače tehdy vlastnily celé instituce a někdy se jich o jeden počítač dělilo hned několik.
Na konci osmdesátých let už byly výkonné vědecké počítače (tzv.

pracovní stanice) natolik levné, že si je mohli pořídit i jednotliví vědci, a natolik malé, že se vešly přímo na pracovní stůl. Ve stejné době se začaly objevovat osobní počítače (PC), které sloužily a slouží převážně ke kancelářské práci. Všeobecné rozšíření osobních počítačů vedlo ke snížení jejich cen, zatímco ceny pracovních stanic se vzhledem k omezenému trhu příliš neměnily. Za cenu jedné pracovní stanice si bylo a je možno koupit celou kupu osobních počítačů. Schopnost PC řešit matematické úlohy je sice omezená, jejich spojením se přesto dá získat počítač výkonnější než pracovní stanice.

Herní superpočítače

V posledních letech se pro vysoce výkonné počítače specializované na vědecké výpočty objevil zcela nový trh, totiž trh s videohrami. Videohry nejsou ničím jiným než složitými fyzikálními simulacemi. Fyzika rozhoduje o tom, zda auto unikne policii, nebo narazí do zdi a exploduje. Fyzika určí, zda útočící hokejista zavěsí puk do sítě, či zda ho brankář lapí. Také vytvoření trojrozměrného zobrazení, bez kterého by videohry nebyly ani trochu zábavné, v sobě zahrnuje náročné matematické výpočty.
Procesory herních konzolí provádějí stejný typ výpočtů, jaké potřebuje teoretický fyzik, a dělají to mimořádně dobře. Herní konzole jsou konstruovány tak, aby vysoce náročné výpočty zvládaly co možná nejrychleji. Zcela přirozeně se tak objevila myšlenka "zneužít" je k vědeckým výpočtům. Hodí se k tomuto účelu mnohem lépe než osobní počítače, které jsou uzpůsobeny spíše ke zpracování textu či prohlížení internetu. Pro srovnání: první Playstation 2 (PS2) byla schopna provádět matematické operace pětkrát rychleji než nejlepší procesor Pentium, který byl v té době k mání.

Skoro zadarmo

Vyšší výkonnost PS2 ve srovnání s PC není její jedinou atraktivní stránkou. Firma Sony má ohromný zisk z prodeje videoher, avšak tyto hry si koupí jen ti, kdo vlastní herní konzoli. Je proto v zájmu firmy stlačit cenu Playstation co nejníže, aby si ji mohlo koupit co nejvíce lidí. První PS2 přišla zhruba na 300 dolarů, zatímco výkonné PC stálo v té době okolo 2000 dolarů. Praktické použití videoherních konzolí pro vědecké účely však není úplně jednoduché. Výrazně pomohlo, když firma Sony uvolnila "Linux kit" pro PS2 - sadu hardwaru a softwaru, díky níž je možné s PS2 pracovat jako s libovolným jiným osobním počítačem. Sada obsahuje klávesnici, myš, harddisk, síťovou kartu a verzi Linuxu slučitelnou s PS2. (Linux je volně šířený operační systém, značně oblíbený mezi vědci.) Součástí sady byly také kompilátory - programy, které umožnují napsat a spustit váš vlastní program.

Laboratoř bez zkumavek

Profesor Martínez si první PS2 koupil ze stejných důvodů jako většina ostatních zákazníků - neodolal nátlaku svého dospívajícího syna. Záhy si však uvědomil potenciál PS2 pro vědeckou práci. Jeho badatelským oborem je teoretická chemie. Teoretičtí chemikové nepracují s chemikáliemi, zkumavkami a křivulemi jako jejich kolegové, kladou si však stejné otázky. Totiž jak vypadá svět v rozměrech nanometrů (miliontin milimetru). Tento svět se řídí rovnicemi kvantové mechaniky, jejichž řešení ale není vůbec jednoduché a použití nejvýkonějších počítačů je holou nebytností.
Laboratoř chemického teoretika vypadá spíše jako kancelář. Chemik-teoretik přeloží otázku, která ho zajímá, do řeči matematických rovnic. Tyto rovnice, většinou s pomocí počítače, vyřeší a výsledek porovná s experimentem provedeným v některé ze sousedních laboratoří. Síla teoretické chemie tkví nejen v tom, že je schopna předvídat výsledek experimentu, který ještě nikdo neprovedl, ale také v tom, že se dokáže na svět atomů a molekul podívat nesrovnatelně detailněji.

Molekula, která vidí

V Martínezově laboratoři se výpočetní síla Playstation využívá ke studiu fotochemie - oboru, který se zabývá vlivem světla na molekuly. Jednou z nich je retinal, molekula přítomná ve vašem oku. Když na ni působí světlo, elektrony se v ní začnou pohybovat rychleji. Důsledkem je signál, který mozku říká: "Něco vidím." Miliardy takových signálů pak v mozku vytvářejí obraz. Chytře provedený experiment může o tomto "fotochemickém tanečku" poskytnout celou řadu informací. Molekuly jsou příliš malé a pohybují se příliš rychle, než aby je bylo možné pozorovat. Profesor Martinez se proto snaží sestavit matematické modely molekul retinalu, které by byly v souladu s výsledky experimentu. Jakmile s pomocí počítačů uspěje, může sledovat pohyb molekul na obrazovce. Je to kino podobně živé jako Pán prstenů, jen se odehrává ve světě, který je miliardkrát menší.

Pařan v roli sponzora

Výpočty vlastností molekul běžně trvají týdny a měsíce. Čím výkonnější počítač, tím větší molekuly je možno studovat a tím rychleji a přesněji lze postupovat. A Playstation 2, často spojené do shluku (klastru), jsou velmi levným superpočítačem. Jejich výkon se navíc stále zvyšuje a můžeme očekávat, že se na práci vědců budou podílet stále více. Situace se tak proti počátkům počítačové éry obrací. Počítačové hry byly dříve trpěným vedlejším produktem vývoje počítačů pro výzkumné účely. Dnes jsou to pařani či jejich rodiče, kdo platí další vývoj.

Benjamin Levine, Petr Slavíček Autoři pracují ve skupině prof. Martineze na University of Illinois v Urbaně (USA).

***

Jak oklamat PS2

Herní konzole sama o sobě neobsahuje operační systém. Každé CD s hrou pro PS2 proto musí mít svůj vlastní operační systém, malý a poměrně primitivní. V zásadě stejným způsobem by šlo provádět vědecké výpočty. Program bychom napsali a přeložili na počítači a spolu s malým operačním systémem bychom ho vypálili na CD. Tímto způsobem bychom herní konzoli oklamali - předstírali bychom, že náš výpočet je hra. Tento způsob programování pro PS2 je však zdlouhavý a náročný, uvolnění Linux kitu pro PS2 (viz odstavec Skoro zadarmo) proto situaci nepoměrně zjednodušilo.

Počítačové experimenty

Zajímá-li nás, zda bude železo při 1000 °C roztavené nebo zda se benzin dá smíchat s vodou, můžeme to prostě vyzkoušet. Nebo můžeme na počítači vyřešit rovnice, kterými se atomy či molekuly řídí. Mluvíme o počítačových experimentech. První byly provedeny již na úsvitu počítačového věku při vývoji americké vodíkové pumy. Vědce tehdy zajímalo, jak se bude materiál chovat v podmínkách jaderného výbuchu, přičemž pokus nebylo možno provést. I při řešení jednodušších problémů je však počítačová simulace levnější než skutečný experiment a po provedení výpočtu navíc můžeme mít dobrý pocit, že přírodě "rozumíme"; že víme nejen JAK, ale také PROČ.