Cara saintis dan superkomputer dapat menjadikan air laut boleh diminum
Proses menyingkirkan garam daripada air laut merupakan cabaran yang besar. Penyelidik mungkin mempunyai jawapannya—tetapi perkara ini memerlukan kuasa pemprosesan yang sangat tinggi.
Aleksandr Noy mempunyai rancangan yang besar untuk alat yang sangat kecil. Noy yang merupakan saintis penyelidikan kanan di Makmal Kebangsaan Lawrence Livermore telah mengabdikan sebahagian besar daripada kerjayanya untuk menyempurnakan keajaiban cecair yang dikenali sebagai penyahgaraman—menyingkirkan garam daripada air laut. Peralatan yang menjadi taruhan beliau ialah tiub nano karbon. Pada tahun 2006, Noy mendapat keberanian untuk mengaplikasikan satu teori yang radikal: Mungkin tiub nano, silinder yang sangat kecil, yang hanya boleh dilihat dengan mikroskop elektron, boleh bertindak sebagai penapis penyahgaraman. Hal ini bergantung pada sejauh mana lebarnya tiub itu. Bukaan tiub perlulah cukup besar untuk membolehkan molekul air mengalir tetapi cukup kecil untuk menghalang zarah garam yang lebih besar, yang membuatkan air laut tidak boleh diminum. Jika anda menggabungkan tiub nano karbon bersama-sama, anda mungkin akan memiliki mesin pembuat air bersih yang paling cekap di dunia.
Berapa kecilkah nanotiub karbon sebenarnya?
Selebar benang labah-labah
4,000 nanometer
50 nanotiub karbon
0.8 nanometer setiap satu
Kebanyakan rakannya di makmal menolak idea itu sebagai cereka sains. “Sukar untuk membayangkan air mengalir melalui tiub yang sangat kecil,” kata Noy. Akan tetapi, jika teori nanotiub itu betul, manfaat yang akan diperoleh adalah tidak terhingga. Banyak kawasan di dunia sedang mengalami kekurangan bekalan air boleh diminum, dengan 1.2 bilion orang—iaitu kira-kira satu perenam penduduk dunia—tinggal di kawasan yang mengalami kekurangan air. Penyahgaraman boleh membantu, tetapi prasarana yang ada hari ini memerlukan sejumlah besar tenaga (dan juga wang) untuk memanaskan air laut atau memaksanya lalu menerusi penapis yang rumit. Jika penapis nanotiub boleh digunakan, teknologi ini akan dapat mengurangkan masalah air di dunia dengan ketara.
Aleksandr Noy
Saintis Penyelidikan Kanan, Makmal Kebangsaan Lawrence Livermore
Pasukan Noy menyediakan satu uji kaji penyaringan mudah dan membiarkannya berjalan semalaman. Keesokan paginya, dua pembantu melihat lopak air di lantai makmal; air telah meresap keluar melalui nanotiub dengan cepat sehinggakan takungan kecil yang digunakan untuk menakung cecair itu telah penuh menyebabkan airnya melimpah. Penyelidik kemudiannya nanti akan mengesahkan bahawa kadar aliran air melalui nanotiub karbon adalah enam kali lebih tinggi berbanding alirannya melalui penapis yang digunakan di loji penyahgaraman hari ini.
Lopak air itu mungkin isu kecil, tetapi hal itu merupakan satu daripada penemuan terbesar dalam kerjaya Noy. "Uji kaji itu menarik," katanya, "kerana tiada siapa tahu perkara yang akan terjadi." Sekarang apabila semua orang mengharapkan sesuatu, masih ada satu lagi cabaran besar—cabaran yang mungkin dapat diatasi dengan kekuatan pengkomputeran yang secukupnya.
Mujurlah, saintis kini sedang menghampiri satu kejayaan yang dipanggil pengkomputeran eksaskala (dalam kes Google mungkin datang daripada sekumpulan mesin yang disambungkan di awan). Eksaskala akan mengatasi superkomputer paling berkuasa hari ini. Kuasa pemprosesan ekstrem seperti ini akan menjadi aset besar kepada para penyelidik yang sedang memikirkan cara membuat nanotiub berfungsi sebagai penapis air besar-besaran. Tiub ini—dan berbilion-bilion molekul yang mengalir melaluinya—adalah terlalu kecil untuk diteliti secara terperinci, dan menguji kepelbagaian yang berbeza secara fizikal adalah sukar dan memakan masa. Pemodelan komputer eksaskala akan memberikan tumpuan yang lebih terperinci terhadap tiub kecil ini, yang secara mendadak akan mempercepatkan penyelidikan penyahgaraman nanotiub. Malah, teknologi ini akan membantu menangani beberapa masalah besar alam sekitar hari ini.
Janji Kuasa Eksaskala
Peningkatan kelajuan yang jauh lebih tinggi boleh membantu mengatasi cabaran yang dahulunya mustahil dan membawa kepada kejayaan besar.
-
Penemuan Ubat
Bayangkan menyaring satu trilion kemungkinan gabungan ubat untuk mencari rawatan yang disesuaikan dengan sempurna bagi setiap individu.
-
Ramalan Cuaca
Ahli meteorologi boleh memproses beratus-ratus helaian data untuk memberikan sebanyak empat minggu pemberitahuan kepada orang ramai di laluan cuaca buruk.
-
Terjemahan Bahasa
Terjemahan bahasa masa nyata mungkin menjadi ciri umum yang boleh didapati pada telefon pintar.
Bagi mereka yang tidak berapa mahir dengan jargon Lembah Silikon, berskala heksa merujuk pada kuasa kuda yang ditawarkan oleh generasi superkomputer yang akan datang. Mesin berskala heksa akan mempunyai keupayaan melakukan pengiraan satu kuintilion (satu bilion bilion) setiap saat. Itu hampir 11 kali lebih berkuasa daripada Sunway TaihuLight, komputer terpantas yang digunakan China hari ini. Fikirkan tentang berskala heksa sebagai kuasa pemprosesan kira-kira 50 juta komputer riba yang tertambat.
Perlumbaan di seluruh dunia adalah untuk membina mesin berskala heksa yang pertama, yang membolehkan para saintis mengkaji semula segala-galanya daripada fizik teori kepada ramalan cuaca jangka panjang. Akan tetapi penyelidikan seperti usaha Noy untuk memahami nanotiub mungkin akan menjadi sebahagian daripada projek pertama yang dapat merealisasikan kelebihan keupayaan pengkomputeran yang meningkat.
George Dahl
Saintis Penyelidikan, Pasukan Cendekiawan Google
“Lonjakan kuasa pengkomputeran akan menyumbang manfaat yang besar kepada sains bahan, penemuan ubat-ubatan dan kimia”, kata George Dahl, seorang saintis penyelidikan dalam pasukan Cendekiawan Google. Dahl menjelaskan bawah semua bidang penyelidikan ini memerlukan pembinaan model komputer molekul—suatu aktiviti yang memerlukan kuasa pemprosesan yang tinggi. "Ini ialah pengiraan yang sangat perlahan", kata Dahl, "bagi setiap satu molekul atau bahan yang ingin kami analisis."
Tetapi ada lagi, tambah beliau. Jika anda menggunakan pembelajaran mesin—yang juga mendapat manfaat daripada kemajuan dalam kuasa pengkomputeran—untuk simulasi molekul, anda akan mendapat peningkatan kuasa yang berganda. "Anda boleh menggunakan pembelajaran mesin bersama dengan sains bahan untuk mendapatkan bahan serba baharu."
Inilah jenis kemajuan yang akan membawa kepada penapis air garam yang lebih berkesan dan murah. Ini bukanlah satu-satunya cara pengkomputeran tahap 'exascale' mungkin dapat membantu mengatasi masalah air di planet ini.
Keupayaan pengkomputeran 'exascale' memproses jumlah data yang sangat tinggi dengan cekap membolehkannya membantu projek seperti kerja yang sebahagiannya sedang dijalankan oleh jurutera Google, Noel Gorelick, pengasas bersama platform Earth Engine dan Tyler Erickson, penyokong pembangun kanan memfokuskan pada analisis berkaitan air untuk platform tersebut. Platform berasaskan awan ini menganalisis data persekitaran pada skala global. Usaha hebat terbaharu yang diketuai oleh Gorelick dan Pusat Penyelidikan Bersama Suruhanjaya Eropah, adalah ingin mencipta peta permukaan air peleraian tinggi di seluruh dunia. Dengan meneliti imej satelit yang dirakam selama lebih 30 tahun menggunakan data Earth Engine, pasukan ini memetakan (dan mengukur) evolusi jasad air Bumi selama beberapa dekad, yang memperlihatkan tasik yang hilang dan sungai yang kering serta pembentukan jasad air yang baharu. Masa selama tiga tahun mungkin diperlukan hanya untuk memuat turun data yang diperlukan sekiranya dilakukan sekali gus. Arkib ini agak menakjubkan, kata Erickson, tetapi 'exascale' akan membolehkan pasukan ini mengumpulkan lebih banyak maklumat—pada kelajuan yang jauh lebih tinggi—untuk menghasilkan peta yang lebih tepat.
"Terdapat sumber data lain yang boleh kami teliti jika kami mempunyai kuasa pemprosesan yang lebih tinggi", kata Erickson. Beliau menegaskan bahawa mesin exascale berpotensi untuk memanfaatkan sumber yang paling dipandang rendah di dunia: warga saintis. Bayangkan jika projek pemetaan air dibuka, misalnya, kepada sesiapa yang menerbangkan dron untuk merakam video HD. "Data itu pasti data yang sangat hebat", katanya. Pelajar sekolah menengah yang menerbangkan DJI Phantoms merentasi sungai dan estuari mungkin memuat naik video ke Google Cloud yang boleh difailkan, dirujuk secara geografi pada peta asas dunia yang dihasilkan oleh Google, dianalisis dan disari menjadi kartografi digital. Pendemokrasian aksi sains ini boleh membantu dalam merancang pertanian, menyediakan kawasan untuk menghadapi bencana, malah membantu dalam memantau perubahan ekologi. (Untuk merangsang projek yang serupa di organisasi lain, pada tahun 2014, Google mengumumkan akan menyumang petabait storan awan untuk data iklim serta 50 juta jam pengkomputeran dengan Platform Google Earth Engine.)
Untuk peranannya, Dahl menambah dengan cepat, bahawa lonjakan dalam kuasa pemprosesan tidak akan menyelesaikan setiap cabaran pengiraan. Tetapi, katanya, manfaat terbesar mungkin datang daripada kegunaan yang belum kita bayangkan. Dia membuat analogi dengan penciptaan mikroskop—sebuah alat yang membawa kepada penemuan baharu dalam menyelamatkan nyawa. "Mungkin terdapat sesuatu yang tidak pernah kami fikir untuk lakukan yang tiba-tiba akan menjadi praktikal", ujar beliau. "Mungkin ini akan membolehkan kami membina sesuatu seperti mikroskop—alat yang serba baharu, yang akan membolehkan penemuan serba baru."
Hanya 3 peratus daripada air di Bumi adalah air tawar dan boleh diminum
Dan kita hanya boleh mengakses sebahagian kecil daripada peratusan itu.
Pengkomputeran berprestasi tinggi diukur dalam FLOPS. Metrik ini boleh digunakan pada mana-mana mesin, daripada komputer riba kepada superkomputer terpantas di dunia. Lebih banyak FLOPS akan meningkatkan kelajuan; kelajuan lebih tinggi bermakna peleraian yang lebih tinggi atau keupayaan untuk melihat sesuatu dalam perincian yang lebih halus; peleraian yang lebih tinggi bermakna imej dan ramalan simulasi komputer yang lebih tepat. Ciri ini sangat berguna terutamanya untuk tempat seperti Pentadbiran Lautan dan Atmosfera Negara (NOAA), yang menggunakan komputer untuk meramal pola cuaca, perubahan iklim dan gangguan di lautan serta sepanjang pantai.
Sistem Exaflop boleh melakukan 1018 (satu bilion bilion) pengiraan sesaat.
NOAA menjangka untuk menggunakan sistem berskala heksa pada tahun 2020-an. “Penggunaan sistem ini akan memberi kami keupayaan untuk memberikan amaran yang lebih tepat tentang cuaca buruk pada skala yang lebih kecil dan masa tunggu yang lebih lama yang akan memberikan perlindungan nyawa dan harta benda yang lebih baik”, kata Brian D. Gross, timbalan pengarah pengkomputeran prestasi tinggi dan komunikasi di agensi ini. Para saintis boleh membantu membina kebingkasan dalam menjangkakan peristiwa iklim lampau, seperti taufan yang dahsyat. Ini akan membolehkan seluruh rantau mengehadkan jumlah kerosakan dan kematian.
Untuk menyampaikan kuasa pengkomputeran pada skala itu, Gross menerangkan bahawa jabatannya menggunakan sistem teraflop pada tahun 2000-an (satu trilion pengiraan sesaat) yang dapat mengesan ciri cuaca yang sebesar kira-kira saiz sebuah negeri dengan tepat; kini sistem ini menggunakan petaflop (satu kuadrilion pengiraan sesaat) dan dapat mengesan ciri cuaca bersaiz sebuah kaunti dengan tepat. Pengkomputeran berskala heksa akan membolehkan NOAA melihat dengan lebih dekat untuk mendapatkan butiran yang lebih terperinci—contohnya, memetakan ribut petir sekecil sebuah bandar dengan tepat. Peleraian ini memberikan lebih banyak maklumat, yang menunjukkan lebih banyak perkara tentang gelagat dan perubahan ribut tanpa mengira saiz. “Model berpeleraian tinggi menggambarkan sistem cuaca berskala besar seperti taufan dengan lebih tepat. Model ini memperbaik ramalan hujan dan pengesanan ribut”, kata Gross. Dengan erti kata lain: Beberapa tahun dari sekarang, penyedia ramalan cuaca tidak mempunyai banyak alasan jika mereka memberikan ramalan lima hari yang tidak tepat. Kita juga akan tahu lebih banyak maklumat tentang tempat dan masa ribut kuat yang seterusnya akan melanda.
Pengkomputeran berskala heksa dapat membantu menyelesaikan kekurangan air bersih
Superkomputer yang lebih laju akan membantu para penyelidik yang sedang mengkaji penapis penyahgaraman dan penyahpencemaran untuk meningkatkan jumlah air yang boleh diminum di dunia.
Akses air tawar merupakan cabaran di seluruh dunia. Daripada akuifer yang kekeringan di bawah Arab Saudi kepada tanah gersang di Brazil hinggalah kepada jelapang gandum Amerika, yang berlaku kemarau yang menjejaskan Dataran Besar seperti rekahan jalan berturap, penyahhidratan besar-besaran semakin mengancam. Laporan risikan AS 2012 menyimpulkan bahawa tidak mustahil kekurangan air bersih akan turut menjejaskan keselamatan negara. Permintaan air tawar dijangka 40 peratus lebih tinggi daripada bekalan global menjelang 2030.
Ramya Tunuguntla
Penyelidik Pascakedoktoran, Makmal Kebangsaan Lawrence Livermore
Suhu yang meningkat, hujan yang jarang turun, orang yang semakin ramai, pencemaran dan kemiskinan—cabaran yang mendasari permintaan ini kelihatan pada mata kasar, sukar diatasi. Akan tetapi Aleksandr Noy tetap yakin bahawa mesin exascale akan membantu dia membuat membran tiun nano yang menapis air dan menyelamatkan nyawa. “Dengan begitu banyak kuasa komputer, kita boleh menjalankan simulasi pantas sebelum kita pergi ke makmal,” katanya. “Itu benar-benar membantu kerana ia akan membolehkan kita menumpukan tenaga kita pada uji kaji yang lebih mudah.” Dan masih banyak perkara yang perlu difikirkan: Ukuran tepat yang diperlukan untuk pengangkutan air melalui tiub nano masih belum ditentukan, dan tiada sesiapa yang tahu bahan membran yang terbaik untuk membalut tiub-tiub nano tersebut atau bagaimana tiub nano tersebut perlu disusun. “Dalam banyak kajian pemodelan tiub nano menggunakan simulasi, masih terdapat percanggahan dalam bilangannya,” kata Ramya Tunuguntla, penyelidik pascakedoktoran yang bekerja dengan Noy. “Itu cabaran yang mesti kita atasi.” Seperti Noy, dia berpendapat superkomputer yang lebih mantap akan membawa penyelidikan mereka ke peringkat yang lebih tinggi: “Dengan exascale, kita boleh menjalankan simulasi dengan lebih lama untuk mengumpulkan lebih banyak data.”
Pada tahun 2023, komputer baharu akan dipasang di Makmal Livermore. Dengan empat hingga enam kali ganda kuasa memproses nombor berbanding sistem semasa, mesin yang digelar Sierra ini mungkin merupakan perhentian terakhir sebelum exascale. Mesin ini akan membolehkan kita melihat imej berpeleraian tinggi yang cantik, yang disertakan dengan FLOPS kuintilion. Malah, exascale mungkin telah pun tiba di tempat lain pada masa itu. Seorang penyelidik terkemuka di Livermore mengatakan bahawa sementara mesin exascale pertama akan mula muncul di Amerika Syarikat sekitar tahun 2020, China—pesaing yang digeruni dalam perlumbaan ini—mendakwa ia akan menyiapkan prototaip yang digelar “super-superkomputer.” oleh beberapa orang, sama ada akhir tahun ini atau awal tahun hadapan.
Costas Bekas, pemenang Gordon Bell Prize sebanyak dua kali dan pakar exascale di makmal Penyelidikan IBM di Zurich, menegaskan bahawa exascale bukan penamat—kuasa pengkomputeran akan terus berkembang. Beliau meramalkan pemodelan komputer akan membolehkan kita mengkaji alam semesta bukan hanya pada peringkat molekul tetapi pada peringkat atom suatu hari nanti.
“Exascale bermakna akhirnya kita dapat merungkaikan—dalam jumlah masa dan tenaga yang dibelanjakan yang boleh diterima—perkara yang sangat rumit, seperti bagaimana tiub nano karbon berfungsi,” kata Bekas. “Exaflops tidak akan menyelamatkan planet ini. Kita mempunyai terlalu banyak masalah. Walau bagaimanapun, ia pasti menjadikan bumi ini tempat yang lebih baik untuk didiami.”
Kembali ke Lawrence Livermore, Aleksandr Noy dan Ramya Tunuguntla memuatkan satu lagi membran tiub nano ke dalam sel ujian, memetik suis dan mengumpulkan data lagi. Tidak lama lagi mereka—bersama dengan pengkomputeran exascale—mungkin akan mengubah kehidupan berbilion-bilion orang.
RENE CHUN merupakan penulis yang berpusat di New York. Karyanya telah terpapar dalam pelbagai penerbitan, daripada The New York Times dan The Atlantic hinggalah kepada Wired dan Esquire.
Animasi oleh Justin Poulsen
Ilustrasi oleh Matthew Hollister
