گرومکس چیست؟ مزایا و معایب آن کدامند؟

کافی‌ست نام گرومکس (GROMACS) را در یکی از نشریات علمی معتبر جهان سرچ کنید. آنگاه متوجه عظمت استفاده از این نرم‌افزار در میان دانشمندان خواهید شد. نرم افزار گرومکس یک ابزار قدرتمند برای شبیه سازی و محاسبه دینامیک مولکولی است. برای آشنایی با پاسخ سوال گرومکس چیست و نحوه استفاده آنلاین از آن با ابر فردوسی همراه باشید:

فهرست مطالب

• دینامیک مولکولی چیست؟
• گرومکس چیست؟
• آشنایی با مزایای گرومکس
• آشنایی با معایب گرومکس
• تاریخچه گرومکس
• استفاده از گرومکس آنلاین در ابر فردوسی

دینامیک مولکولی چیست؟

مولکول‌ها قدرت حرکت و ایجاد واکنش‌های شیمیایی با یکدیگر را دارند. اتم‌ها کوچک و ثابت‌ترند. اما همان‌ها نیز با دریافت انرژی جابه‌جا خواهند شد.

دینامیک مولکولی به شبیه سازی کامپیوتری این رفتارها می‌پردازد تا بتوانیم ساختار، حرکات و توابع مولکول‌ها را مطالعه کنیم. این روش محاسباتی در رشته‌های زیست‌شناسی، شیمی و و فیزیک کاربرد دارد و پدیده‌ها را از طریق حل عددی و معادلات نیوتونی تعریف می‌کند.

گرومکس (GROMACS) چیست؟

گرومکس یک نرم افزار دقیق و قدرتمند برای مطالعه دینامیک مولکول‌های زیستی و غیرزیستی است. اگرچه برای مولکول‌های زیستی مشهورتر است. منظور از مولکول‌های زیستی ترکیباتی نظیر پروتئین‌ها، لیپیدها و اسیدهای نوکلئیک هستند که حیات بشر و سایر جانداران به آن‌ها وابسته است.

با کمک نرم افزار گرومکس می‌توان حرکات و برهم کنش‌های اتم‌ها و مولکول‌ها را بر یکدیگر شبیه‌سازی و محاسبه کرد. این محاسبات بر اساس اصول فیزیک کلاسیک، علی‌الخصوص قوانین حرکت در نظریات نیوتون صورت می‌پذیرند.

با این ابزار می‌توان میزان نیرو، وضعیت، جهت، سرعت و حتی دما و فشار حاکم در محیط و اتم‌ها را شبیه‌سازی کرد. این نرم‌افزار می‌تواند از شبیه سازی و مطالعه واکنش‌های شیمیایی با میلیون‌ها ذره مختلف در طی بازه زمانی نانو‌ثانیه و پیکو‌ثانیه پشتیبانی کند.

GROMACS تاثیر به‌سزایی در درک دانشمندان از فرآیندهای بیولوژیکی مختلف از قبیل نقاط اتصال، رفتار غشا، واکنش آنزیم‌ها، نحوه تاخوردگی پروتئین‌ها و… دارد. در نتیجه اطلاعات ارزشمندی از نحوه تعامل، روابط و عملکرد ساختارهای زیستی به دست می‌آیند که منجر به تولید دارو، سموم و مکمل‌های کم ضررتر می‌شود.

مزایای گرومکس چیست؟

نرم‌افزارهای مختلفی از قبیل Amber, NAMD و… وجود دارند که در حوزه شبیه‌ سازی دینامیک مولکولی، رقیب GROMACS به حساب می‌آیند. اما دلایل مختلفی وجود دارند که این نرم‌افزار را در میان دانشگاهیان و دانشمندان محبوب می‌کند. در ادامه با این ویژگی‌ های گرومکس آشنا خواهیم شد:

• نرم افزار گرومکس رایگان و منبع باز است.
• این ابزار دارای کتابخانه کاملی است که تمام مولکول‌های زیستی را شامل می‌شود.
• این نرم افزار دارای ماژول‌های تجزیه و تحلیل و الگوریتم‌های متنوع است.
• قدرت پردازش‌ موازی آن باعث افزایش سرعت محاسبات می‌گردد.
• بار پردازشی در میان GPU و CPU تقسیم می‌شود. هسته SIMD برای CPUها و CUDA، OpenCL و SYCL برای GPUها.
• مقیاس پذیری بالای آن از مولکول‌های کوچک تا سیستم‌های بیومولکولی بزرگ را در بر می‌گیرد.
• گرومکس دارای میدان‌های مختلف نیرو، فشار و دما است.
• GROMACS از تکنیک‌های نمونه‌گیری پیشرفته‌ بهره می‌برد.
• رابط کاربرپسند، خط فرمان بصری، رابط کاربری گرافیکی و… محیط را برای تازه‌کاران جذاب می‌کند.
• جامعه توسعه دهندگان فعال دارد.
• می‌توانید با استفاده از گزینه -h یا از کتابچه‌های راهنمای گسترده کمک بگیرید.

تمام این‌ها باعث می‌شود که گرومکس از پس تمام شبیه‌ سازی‌ های مولکولی پیچیده با دقت و سرعت برآید.

معایب گرومکس چیست؟

مثلا شیب منحنی یادگیری گرومکس زیاد است. یعنی اگرچه در ابتدا برای تازه‌کاران آسان است، اما به محض پیچیده شدن محاسبات، چالش بر انگیز خواهد شد.

رابط خط فرمان پیچیده و گزینه‌های پیکربندی گسترده آن نیاز به تازه‌کارانی دارند که مشتاق به ادامه دادن و متخصص شدن باشند. در غیر این صورت جا می‌مانند.

از دیگر معایب گرومکس، قابلیت تجسم محدود آن عنوان می‌‍‌شود. زیرا معمولا کاربران آن مجبور می‌شوند برای تجسم دقیق نتایج‌شان به ابزارهای دیگر رو بیاورند.

تاریخچه گرومکس

تاریخچه پیدایش گرومکس به سال 1991 میلادی بازمی‌گردد. زمانی که گروه شیمی بیوفیزیک دانشگاه گرونینگن هلند، اقدام به توسعه آن کرد. نام آن نیز در بردانده حروف اولیه نام دانشگاه (GROningen) و حروف اولیه Machine for Chemical Simulations است.

اگرچه در حال حاضر GROMACS مخفف چیزی نیست و یک نام کامل است. زیرا در سال‌های اخیر، این دانشگاه تاثیر کمی در توسعه آن داشته است. هدف سازندگان این نرم افزار، ایجاد یک نرم افزار کارآمد و مقیاس پذیر برای شبیه سازی سیستم های زیست مولکولی برای مطالعه سطح اتمی بود.

در همان سال‌های اولیه، گرومکس به صورت یک سیستم موازی، بر اساس معماری حلقه‌ای، با زبان برنامه نویسی C و مبتنی بر Fortran 77 توسعه یافت. از سال 2001، این نرم‌افزار توسط تیم توسعه GROMACS، مستقر در موسسه سلطنتی فناوری و دانشگاه اوپسالا، سوئد توسعه می‌یابد.

استفاده از گرومکس آنلاین در ابر فردوسی

برای تجربه بهترین عملکرد گرومکس، به یک کارت گرافیک با ویژگی‌هایی از قبیل هسته CUDA یا پردازنده جریانی بالا، حافظه GPU سازگار، پهنای باند حافظه وسیع، عملکرد دقت دوگانه (FP64) و… احتیاج داریم.

برخی از کارت‌های گرافیک موجود در ابر فردوسی از قبیل NVIDIA GeForce RTX 3090، NVIDIA GeForce RTX 2080، NVIDIA Tesla V100 و… برای شبیه‌سازی با گرومکس بسیار مناسب هستند. برای تست رایگان گرومکس با هر یک از این کارت‌های گرافیک کلیک نمایید.