Bilim insanları ve süper bilgisayarlar, okyanusları nasıl içilebilir hale getirebilir?
Deniz suyundan tuzu ayrıştırmak muazzam derecede zor bir iştir. Araştırmacılar bunun nasıl yapılacağını çözmüş olabilirler. Ancak bunun için çok fazla bilgi işlem gücü gerekmektedir.
Aleksandr Noy'un çok küçük bir araç için büyük planları var. Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı'nda kıdemli araştırmacı olarak görev yapan Noy, kariyerinin önemli bir bölümünü deniz suyundan tuzu ayrıştırma, yani desalinasyon işlemini mükemmelleştirmeye adadı. Bu iş için kullandığı araç ise karbon nanotüpler. Noy, 2006'da radikal bir teoriyi benimseme cesaretini gösterdi: Belki de nanotüpler, yani yalnızca elektron mikroskobuyla görülebilecek kadar küçük olan silindirler, deniz suyundan tuzu ayrıştırma filtreleri olarak kullanılabilirdi. Bu, tüplerin ne kadar geniş olduğuna bağlıydı. Tüpün ağzının su moleküllerinin akmasına izin verecek kadar büyük, deniz suyunu içilmez hale getiren tuz taneciklerinin geçişini engelleyecek kadar da küçük olması gerekiyordu. Yeterli sayıda karbon nanotüpü bir araya getirirseniz muhtemelen dünyanın en etkili temiz su elde etme makinesine sahip olursunuz.
Karbon nanotüpler ne kadar küçük?
Bir örümcek ağının genişliği
4.000 nanometre
50 karbon nanotüp
Her biri 0,8 nanometre
Laboratuvardaki çalışma arkadaşlarının çoğu fikre burun kıvırdı. “Suyu o kadar küçük tüplerden geçerken hayal etmek zordu,” diyor Noy. Ancak nanotüp teorisinin doğru olması halinde, sağlayacağı faydanın haddi hesabı olmayacaktı. Günümüzde, dünyanın birçok yerinde içme suyu kıtlığı çekiliyor. Dünya nüfusunun yaklaşık altıda biri, yani 1,2 milyar insan, su kıtlığının çekildiği yerlerde yaşıyor. Suyu tuzdan arıtmak sorunun giderilmesine yardımcı olabilir; ancak günümüzde kullanılan altyapı, deniz suyunu ısıtmak veya karmaşık filtrelerden geçirmek için muazzam miktarda enerjiye (dolayısıyla da paraya) ihtiyaç duyuyor. Nanotüp filtreler işe yararsa dünyanın suyla ilgili sıkıntılarını büyük ölçüde azaltabilir.
Aleksandr Noy
Kıdemli Araştırmacı, Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı
Noy’un ekibi basit bir filtreleme deneyi düzenledi ve deney bir gece boyunca devam etti. Sabah olduğunda iki asistan, laboratuvarın zemininde bir su birikintisi gördü. Su, nanotüplerden o kadar hızlı bir şekilde akıp gitmişti ki sıvıyı tutması amaçlanan hazne taşmıştı. Araştırmacılar daha sonra, suyun karbon nanotüplerden akma hızının, günümüzde su arıtma tesislerinde kullanılan filtrelerden akma hızına kıyasla altı kat daha yüksek olduğunu onayladı.
Su birikintisi küçük olsa da bu Noy'un kariyerindeki en büyük keşiflerden biriydi. O günleri şu sözlerle hatırlıyor: "Deney heyecan vericiydi; çünkü kimse ne bekleyeceğini bilmiyordu." Şimdi herkes ne bekleyeceğini bildiğine göre geriye aşılması gereken çok büyük bir zorluk kalıyor. Bu zorluk da yeterli hesaplama gücüyle aşılabilir...
Neyse ki, bilim insanları üst düzey hesaplama adı verilen çığır açacak bir buluşun eşiğinde (bu buluş, Google'da muhtemelen bulut üzerinden bağlantılı olan makinelerden gelecektir). Üst düzey hesaplama, günümüzün en güçlü süper bilgisayarlarını gölgede bırakacak. Bu üst düzey bilgi işlem gücü, nanotüplerin büyük ölçekli su filtreleri olarak nasıl kullanılacağını çözmeyi amaçlayan araştırmacılar için de son derece değerli olabilir. Bu tüpler ve bunların içinden akan milyarlarca molekül, ayrıntılı bir şekilde incelenemeyecek kadar küçük. Ayrıca, farklı ihtimalleri fiziksel olarak test etmek de hem zor hem de vakit alan bir iş. Üst düzey hesaplama yapan bilgisayar destekli modelleme, bu küçük tüplere daha net bir şekilde odaklanılmasını sağlayarak nanotüple tuzdan arındırma araştırmasını önemli ölçüde hızlandıracak. Hatta, teknoloji, günümüzün çevreyle ilgili en çetrefilli sorunlarından bir kısmıyla mücadele edilmesine yardımcı olacaktır.
Üst Düzey Hesaplama Gücünün Vadettikleri
Muazzam oranlarda artan hız, eskiden imkansız olan sorunların aşılmasına ve büyük atılımların gerçekleştirilmesine yardımcı olabilir.
-
İlaç Keşfi
Her birey için ideal tedaviyi bulmak amacıyla trilyonlarca olası ilaç kombinasyonunu derinlemesine incelediğinizi düşünün.
-
Hava Tahmini
Meteorologlar, yüksek miktarda veriyi işleyerek şiddetli hava koşulları yaşanmadan dört hafta önce insanları uyarabilir.
-
Dil Çevirisi
Gerçek zamanlı dil çevirisi, akıllı telefonlarda sıradan bir özellik haline gelebilir.
Silikon Vadisi'nin jargonunu bilmeyenler için söyleyelim, üst düzey hesaplama, yeni nesil süper bilgisayarların sunduğu beygir gücünü ifade eder. Üst düzey hesaplama yapan bir makine, saniyede kentilyon (bir milyar milyar) hesaplama yapma kapasitesine sahip olacaktır. Bu hesaplama hızı, günümüzde kullanılan en hızlı bilgisayar olan Çin'e ait Sunway TaihuLight'ın hesaplama hızının yaklaşık 11 katıdır. Üst düzey hesaplamayı, kabaca 50 milyon birbirine bağlı dizüstü bilgisayarın işleme gücü olarak düşünebilirsiniz.
Üst düzey hesaplama yapan ilk makineyi yaratmak için dünya çapında bir yarış söz konusu. Bu makine, bilim insanlarının teorik fizikten uzun vadeli hava tahminlerine kadar her şeyi yeniden gözden geçirmelerini sağlayacaktır. Ancak Noy’un nanotüpleri anlama macerası gibi araştırmalar muhtemelen artan hesaplama olanaklarının avantajlarını hayata geçiren ilk projeler arasında olacaktır.
George Dahl
Research Scientist, Google Brain Team
“Hesaplama gücündeki sıçrama, malzeme bilimine, ilaç keşfine ve kimyaya önemli yararlar sağlayacak.” diyor Google Beyin takımı araştırmacılarından biri olan George Dahl. Dahl, bu araştırma alanlarının tümü için moleküllerin bilgisayar modellerinin oluşturulmasının gerektiğini, bunun da çok fazla bilgi işlem gücü istediğini belirtiyor. “Bunlar, analiz etmek istediğimiz her molekül ve malzeme için çok uzun zaman alan hesaplamalardır.” diyor Dahl.
Ama "Hepsi bu kadar değil!" diye de ekliyor. Yine hesaplama gücündeki gelişmelerden faydalanan makine öğrenimini moleküler simülasyonlara uyguladığınızda gücün artışı iki katına çıkıyor: “Yepyeni malzemeler bulmak için makine öğrenimini malzeme bilimiyle birlikte kullanabilirsiniz.”
Bunlar tam da daha iyi, daha ucuz tuzlu su filtrelerinin oluşturulmasını sağlayacak türden gelişmeler. Ancak üst düzey hesaplamanın, gezegenin su sorunlarına yardımcı olabileceği yollar bununla sınırlı değil.
Üst düzey hesaplama, hatırı sayılır miktarda veriyi işleme konusunda da istisnai bir performans göstereceği için başka projelerde işe yarayabilir. Bu projelere örnek olarak, Google mühendisleri Noel Gorelick ve Tyler Erickson'un yaptığı işleri gösterebiliriz. Noel Gorelick, Earth Engine platformunun kurucu ortağıdır. Tyler Erickson ise platform için suyla ilgili analizlere odaklanan kıdemli geliştirici temsilcisidir. Bulut tabanlı platform, çevresel verileri küresel ölçekte analiz eder. Gorelick ve Avrupa Komisyonu'nun Birleşik Araştırma Merkezi, kısa süre önce bir girişimde bulundu. Amaçları, dünyanın çevresindeki yüzey sularının yüksek çözünürlüklü haritalarını oluşturmaktı. Ekip, Earth Engine verilerinin yardımıyla 30 küsur yıllık uydu görüntülerine bakarak Dünya'nın su kütlelerinin on yıllar süresince geçirdiği evrimi haritalayıp ölçtü. Bunun sonucunda, yok olan göller ile kuruyan nehirlerin yanı sıra yeni su kütlesi oluşumlarını da ortaya çıkardı. İşlemin tamamı aynı anda yapılsaydı, sadece gerekli verileri indirmek üç yıl sürerdi. "Bu çok kapsamlı bir arşiv" diyor Erickson, "ancak üst düzey hesaplama, ekibin daha da fazla veriyi çok daha hızlı bir şekilde toplamasına ve daha da doğru haritalar oluşturmasına olanak tanıyacak".
Erickson sözlerine şöyle devam ediyor, “Daha fazla işlem gücümüz olsaydı başka veri kaynaklarına da bakabilirdik". Üst düzey hesaplama yapan bir makinenin, dünyanın kıymeti en az bilinen kaynağı olan sade vatandaşın topladığı verilerden istifade etme potansiyeli olduğunu belirtiyor. Su haritası oluşturma projesinin, HD video çeken bir drone uçuran herkese açık olduğunu düşünün. “İnanılmaz miktarda veri elde ederdik” diyor. DJI Phantom dronelarını nehirlerin ve nehir ağızlarının üzerinde uçuran lise öğrencileri Google Cloud'a video yükleyebilirdi. Burada, üst düzey hesaplama gücü sayesinde, video dosyalanabilir, Google'ın temel dünya haritasıyla karşılaştırılarak coğrafi referans oluşturulabilir, analiz edilebilir ve dijital haritacılığa aktarılabilirdi. Sorunların çözümüne yardımcı olan bilimin bu şekilde herkesin katkıda bulunabileceği hale getirilmesi tarımsal planlamaya yardımcı olabilir, bölgeleri felaketlere karşı hazırlıklı hale getirebilir, hatta ekolojik değişimlerin izlenmesine bile yardımcı olabilir. (Diğer kuruluşların da benzer projeler gerçekleştirmesini teşvik etmek amacıyla Google, 2014'te iklim verileri için 1 petabaytlık bulut depolama alanı ve Google Earth Engine platformunda 50 milyon saatlik hesaplama imkanı bağışladığını duyurdu.)
Dahl, bilgi işlem gücündeki atılımların hesaplamayla ilgili her sorunu çözmeyeceğini de ekliyor. Ancak, en büyük faydaların henüz hayal bile edemediğimiz kullanımlardan gelebileceğini söylüyor. Hayat kurtaran yeni keşiflerin yapılmasını sağlayan bir cihaz olan mikroskopun icadıyla paralellik kuruyor. “Belki yapmayı hiç aklımızdan bile geçirmediğimiz bir şey birdenbire kullanışlı hale gelecek,” diyor. “Belki de tamamen yeni keşiflerin yapılmasını sağlayan yepyeni bir araç olan mikroskop gibi bir şey yaratmamıza olanak tanıyacak.”
Dünyadaki suyun yalnızca %3'ü temiz ve içmeye elverişli
ve biz bunun sadece çok küçük bir kısmına erişebiliyoruz.
Yüksek performanslı hesaplama FLOP cinsinden ölçülür. Bu ölçü, dizüstü bilgisayarlardan dünyanın en hızlı süper bilgisayarına kadar her türlü makineye uygulanabilir. Daha fazla FLOP, daha yüksek hız; daha yüksek hız, daha yüksek çözünürlük (veya bir şeyleri daha ince ayrıntılarıyla görme imkanı); daha yüksek çözünürlük de daha doğru bilgisayar simülasyonu görselleri ve tahminleri demektir. Bu, özellikle hava durumunu, iklim değişikliklerini ve okyanuslar ile kıyılarda meydana gelen bozulmaları öngörmek için bilgisayar kullanan National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA-Ulusal Okyanus ve Atmosfer İdaresi) gibi kurumlar için değerlidir.
Üst düzey işlem gücü sistemleri saniyede 1018 (bir milyar milyar) hesaplama yapabilir.
NOAA, üst düzey işlem gücü sistemlerini 2020'lerde kullanacağını öngörüyor. “Bize, şiddetli hava durumlarıyla ilgili daha doğru uyarıları daha hassas ölçeklerde ve daha uzun hazırlık süresi sağlayacak şekilde sunma imkanı verecektir. Bu sayede, can ve mal kayıplarının gerçekleşmemesi için daha iyi koruma sağlanacaktır.” diyor ajansın yüksek performanslı hesaplama ve iletişim bölümünün genel müdür yardımcısı Brian D. Gross. Bilim insanları, yıkıcı kasırgalar gibi aşırı hava olayları beklenen yerlerde hazırlık yapılmasına, bu sayede de bir bölgenin tamamında hasarın ve can kaybının azaltılmasına yardımcı olabilir.
Gross, söz konusu hesaplama gücünün ne ölçekte olduğunu anlatmak için şu örneği veriyor: 2000'li yıllarda bölümümüz, kabaca bir eyalet büyüklüğündeki bir alanda hava olaylarını doğru bir şekilde izlemek için teraflop sistemlerini (saniyede bir trilyon hesaplama) kullanıyordu. Bugün ise sistemler petafloplar (saniyede bir katrilyon hesaplama) kullanıyor ve bir ülke boyutundaki alanda gözlemlenen hava olaylarını doğru bir şekilde izleyebiliyor. Üst düzey hesaplama, bir şehir kadar küçük gök gürültülü fırtınaları doğru bir şekilde haritalamak gibi durumlarda NOAA'nın daha fazla ayrıntıyı görmesini sağlayacak. Bu çözünürlük daha fazla bilgi sağlıyor. Bu da, her türlü ölçekteki fırtınanın davranışı ve evrimi konusunda çok daha fazla bilgi veriyor. “Yüksek çözünürlüklü modeller, kasırgalar gibi daha büyük ölçekli hava sistemlerini daha doğru bir şekilde göstererek fırtınanın izlediği rota ve yağmur ile ilgili daha doğru tahminler yapılmasını sağlıyor,” diyor Gross. Bir başka deyişle: Birkaç yıl sonra, meteoroloji uzmanları beş günlük hava tahmininde yanlışlık yaparlarsa arkasına sığınabilecekleri çok fazla bahane olmayacak. Hem de bir sonraki süper fırtınanın tam olarak nereyi, ne zaman vuracağıyla ilgili daha fazla bilgiye sahip olacağız.
Üst düzey hesaplama, temiz su kıtlığının çözülmesine yardımcı olabilir
Daha hızlı süper bilgisayarlar, dünyadaki içilebilir su miktarını artırmak için tuzdan ve kirden arıtma filtreleri üzerinde çalışan araştırmacılara yardımcı olacaktır.
Temiz suya erişim dünyanın dört bir yanında kendini gösteren bir sorundur. Suudi Arabistan'ın altındaki tükenmiş akiferlerden Brezilya'nın kavrulmuş topraklarına ve Amerika'nın tahıl ambarı olan Great Plains'e, kaldırımdaki çatlaklar gibi yayılan kuraklığa kadar dünyadaki su kaynaklarının tükenmesinin eli kulağında. 2012'de yayınlanan bir ABD istihbarat raporu, temiz su kıtlığının milli güvenliği bile etkileyeceği sonucuna varmıştı. 2030 itibarıyla, temiz suya gösterilen talebin küresel arzdan %40 daha fazla olması bekleniyor.
Ramya Tunuguntla
Doktora Sonrası Araştırmacı, Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı
Artan sıcaklıklar, daha az yağmur, daha fazla insan, kirlilik ve yoksulluk. Talebin altında yatan zorluklar görünürde aşılmaz sanılabilir. Ancak Aleksandr Noy, üst düzey hesaplama yapan bir makinenin, suyu filtreleyerek hayat kurtaracak bir nanotüp zarı oluşturmasına yardımcı olacağından emin. “Elimizde bu bilgisayar gücü olursa laboratuvara gitmeden hızlı bir simülasyon gerçekleştirebiliriz,” diyor. “Bu bizim açımızdan son derece faydalı, çünkü enerjimizi mantıklı deneylere harcamamıza olanak tanıyacak.” Hâlâ çözülecek pek çok problem var: Nanotüplerle su taşımak için gereken birebir ölçüler henüz belirlenmedi. Ayrıca, birkaç nanotüpün içine yerleştirileceği zar için hangi malzemenin en iyisi olacağını ya da bunların nasıl ayarlanması gerektiğini kimse bilmiyor. Noy ile çalışan ve doktora sonrası araştırmasını yürüten Ramya Tunuguntla, “Simülasyonlar kullanılarak gerçekleştirilen nanotüp modelleme çalışmalarının çoğunda sayılarda hâlâ tutarsızlık var,” diyor. “Bu, çözmemiz gereken bir sorun.” Noy gibi o da, daha güçlü bir süper bilgisayarın, araştırmalarını bir üst noktaya taşıyacağını düşünüyor: “Üst düzey hesaplama ile daha uzun simülasyonlar gerçekleştirerek daha fazla veri toplayabiliriz.”
2023'te Livermore Lab'a yeni bir bilgisayar kurulacak. Mevcut sistemden dört ila altı kat daha hızlı hesaplama gücüne sahip, Sierra adı verilen bu makine, üst düzey hesaplama sayesinde kentilyon FLOP ile birlikte gelen tüm o şahane yüksek çözünürlüklü görsellere iştahla bakmamızdan önceki son durak olacak gibi görünüyor. Hatta belki de üst düzey hesaplama o zaman bir yerlerde çoktan kullanılmaya başlamış olacak. Livermore'daki üst düzey araştırmacılardan biri, üst düzey hesaplama yapan ilk makinelerin ABD'de 2020'de ortaya çıkacağını söylerken, bu yarışın yanına yaklaşılamayan favorisi olan Çin, ya bu yılın sonunda ya da önümüzdeki yılın başında bazılarının "süper-süper bilgisayar" adını verdiği bir prototipi çıkaracağını iddia ediyor.
İki Gordon Bell Prize sahibi olan ve Zürih'teki IBM Araştırma laboratuvarında üst düzey hesaplama uzmanı olarak çalışan Costas Bekas, üst düzey hesaplamanın bir son olmadığını, hesaplama gücünün gelişmeye devam edeceğini belirtiyor. Bilgisayar destekli modellemenin, evreni yalnızca moleküler düzeyde değil atom düzeyinde de incelememize olanak tanıyacağı günlerin geleceği öngörüsünde bulunuyor.
“Üst düzey hesaplama, karbon nanotüplerin işleyişi gibi son derece karmaşık konularda nihayet kabul edilebilir oranda vakit ve enerji harcayarak hesaplama yapabileceğimiz anlamına geliyor,” diyor Bekas. “Üst düzey işlem gücü, dünyayı kurtarmayacak. Sonuçta çok fazla sorunumuz var. Ancak Dünya'yı çok daha yaşanabilir hale getireceği kesin.”
Lawrence Livermore'da Aleksandr Noy ve Ramya Tunuguntla bir başka nanotüp zarını test hücresine yüklüyor, bir anahtarı döndürüyor ve daha fazla veri topluyor. Yakında, üst düzey hesaplamayla birlikte milyarlarca insanın hayatını değiştirebilirler.
RENE CHUN New York'ta yaşayan bir yazar. Eserleri, The New York Times , The Atlantic , Wired ve Esquire gibi yayınlarda yer almıştır.
Animasyonlar: Justin Poulsen
Çizimler: Matthew Hollister
