Dzięki zastosowaniu algorytmu Dynamicznej Cieczy Sieciowej (DLL - Dynamic Lattice Liquid) ARUZ z niespotykaną do tej pory szybkością jest w stanie analizować gęsto upakowane układy molekularne. Zasada jego działania jest inna niż  superkomputerów, które w  większości laboratoriów na świecie wykorzystywane są do przeprowadzania skomplikowanych obliczeń. Maszyna ta, mimo że nie ma mikroprocesorów, pozwala na jednoczesną analizę reakcji chemicznych układów zawierających około miliona cząsteczek.

Analizator-gigant w klatce

Urządzenie ma wysokość ponad 4, a średnicę 14 metrów. Ten kolosalny walec umieszczony zostanie w odrębnym, specjalnie dla niego wybudowanym na terenie łódzkiego Technoparku budynku stanowiącym część kompleksu BioNanoPark+. Całość, ze względu na generowaną moc i możliwość zakłócania pracy  innych urządzeń znajdujących się w Technoparku i w okolicznych budynkach, zostanie zamknięta w tzw. klatce Faradaya (metalowy ekran mający chronić przed polem elektromagnetycznym). ARUZ będzie składał się z ponad 25 tysięcy rekonfigurowanych układów elektronicznych FPGA (Field Programmable Gate Array).

Wizualizacja budynku BioNanoPark+ zprojektowanego przez łódzką firmę Architekton.
Kopuła w kształcie kielicha stanowi pomieszczenie maszyny ARUZ.

Dlaczego ARUZ  jest wydajnym narzędziem analizy układów wieloskładnikowych?

- Maszyna ARUZ zbudowana została w oparciu o zasadę działania algorytmu DLL, którego twórcą był polski fizyk profesor Tadeusz Pakuła, absolwent Uniwersytetu Łódzkiego, pracownik Państwowej Akademii Nauk w Łodzi, Instytutu Maxa Plancka Badań Polimerów w Moguncji w Niemczech, Uniwersytetu Adama Mickiewicza w Poznaniu oraz Wydziału Chemicznego Politechniki Łódzkiej. Za pomocą opracowanego przez niego algorytmu można uzyskać niedostępne doświadczalnie informacje o układach wielocząsteczkowych, co z kolei pozwala zaprojektować strukturę makrocząsteczek o określonych, pożądanych właściwościach – mówi dr Jarosław Jung z Katedry Fizyki Molekularnej Politechniki Łódzkiej. - Pozwala również modelować reakcje polimeryzacji z uwzględnieniem subtelnych efektów dyfuzyjnych. Informacje te są wielokroć niezbędne w procesach produkcji wyrobów chemicznych, a także leków.

Jak opisuje dr Jung, u podstaw algorytmu DLL leżą mikroskopijne ruchy kooperatywne gęsto upakowanych cząsteczek, które już pod koniec lat pięćdziesiątych XX wieku zaobserwowali amerykańscy fizycy Bernie Adler i Thomas Wainwright. Algorytm okazał się niezwykle wydajny, a co najważniejsze, oddaje on rzeczywiste zachowanie układów molekularnych, co w przypadku innych metod jest trudne do uzyskania. Szybko jednak okazało się, że do przeprowadzenia symulacji rzeczywistych obiektów potrzebna jest maszyna zawierająca ogromną ilość elektronicznych układów logicznych. Profesor Pakuła poświęcił się idei budowy dedykowanej maszyny równoległej odwzorowującej model DLL, której podstawy opracował wspólnie z dr. inż. Jarosławem Jungiem. Projekt takiej maszyny, pod nazwą Analizatora Rzeczywistych Układów Złożonych, został opracowany przez naukowców z Katedry Fizyki Molekularnej oraz Katedry Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej. Prace nad skonstruowaniem maszyny ARUZ trwały 14 lat.

Umożliwi ona prowadzenie symultanicznie wielu analiz, co znacznie skróci pracę naukowców i technologów. W wielu przypadkach czas symulacji w porównaniu do obliczeń wykonywanych z zastosowaniem istniejących komputerów, może ulec skróceniu nawet stukrotnie!.

W notce prasowej ze strony wykonawcy inwestycji, firmy Ericpol, można przeczytać jak działa urządzenie. ARUZ z dokładnością do nanosekund odtworzy przepływ cząsteczek w czasie rzeczywistym i umożliwi poznanie natury zjawisk złożonych. I zrobi to naprawdę szybko, bo w przypadku badań chemicznych wynik, na który superkomputery pracowałyby miesiącami, ARUZ przygotuje w kilka dni. Co więcej, zrobi to z większą precyzją i zużywając mniej energii. Tak wielkie przyspieszenie tempa prac to zasługa specjalnie opracowanej konstrukcji urządzenia, wykorzystującej 25 tys. równocześnie pracujących i połączonych ze sobą układów scalonych FPGA. Dzięki tym układom analizator może zostać zamieniony na inne urządzenie. Jak mówią jego pomysłodawcy – będzie on jak kameleon. Dostosuje się do potrzeb badaczy.

Maszyna-kameleon

Inwestycja powstaje w łódzkim Technoparku. Głównym udziałowcem jest miasto Łódź, ale udziały w spółce posiadają także: województwo łódzkie i uczelnie wyższe. Korzyści z powstania ARUZ odczuje nie tylko branża chemiczna, kosmetyczna czy farmaceutyczna. Dzięki rekonfigurowalności układów FPGA maszyna ma ogromny potencjał. Może zostać przeprogramowana i wykorzystana w innych dziedzinach np.: meteorologii (przewidywanie pogody), ekonomii (analiza mechanizmów decydujących o gospodarce), socjologii (zasady zachowań społeczeństw) oraz dziedzinach wiedzy, które wymagają jednoczesnej analizy wielkiej liczby obiektów oddziałujących wzajemnie ze sobą (np. sieć neuronowa w tkance mózgowej).

Kiedy zaczniemy korzystać z ARUZ?

Supermaszyna ma być gotowa do pracy do końca lipca 2015 roku. Koszt całego przedsięwzięcia wyniósł 20 milionów złotych. Twórcy mają nadzieję, że zainwestowane pieniądze zwrócą się w stosunkowo krótkim czasie, ponieważ liczą na inwestycje firm, chcących skrócić znacznie czas realizacji projektów.

Smutną wiadomością jest to, że sam profesor Pakuła nie zobaczy maszyny będącej zwieńczeniem starań jego życia. Zmarł w 2005 roku, czyli w trakcie prac nad analizatorem.

Redakcja serdecznie dziękuje dr Jarosławowi Jungowi i rzecznikowi prasowemu Politechniki Łódzkiej za pomoc w tworzeniu tekstu.