Das nächste große Ding in der Wissenschaft steckt bereits in Ihrer Tasche

Supercomputer sind ein wesentlicher Bestandteil der modernen Wissenschaft. Indem sie Zahlen knacken und Berechnungen durchführen, für deren Ausführung wir Menschen Äonen brauchen würden, helfen sie uns, Dinge zu tun, die sonst unmöglich wären, wie z. Aber diese Rechenleistung hat ihren Preis – buchstäblich. Supercomputer-abhängige Forschung ist notorisch teuer. Es ist nicht ungewöhnlich, dass Forschungseinrichtungen mehr als 1.000 US-Dollar für eine einzige Stunde Supercomputer-Nutzung zahlen, manchmal auch mehr, je nach erforderlicher Hardware.

Aber in letzter Zeit wenden sich immer mehr Wissenschaftler einer anderen Methode zu, anstatt sich auf große, teure Supercomputer zu verlassen, um ihre Zahlen zu verarbeiten: verteiltes Supercomputing. Sie haben wahrscheinlich schon einmal davon gehört. Anstatt sich auf einen einzigen, zentralisierten Computer zu verlassen, um eine bestimmte Aufgabe auszuführen, bezieht dieser Crowdsourcing-Stil des Computers Rechenleistung von einem verteilten Netzwerk von Freiwilligen, typischerweise durch Ausführen spezieller Software auf Heim-PCs oder Smartphones. Einzeln sind diese freiwilligen Computer nicht besonders leistungsfähig, aber wenn Sie genug von ihnen aneinanderreihen, kann ihre kollektive Leistung die eines zentralisierten Supercomputers leicht in den Schatten stellen – und oft zu einem Bruchteil der Kosten.

In den letzten Jahren erlebten diese Art von Peer-to-Peer-Computing-Projekten eine Art Renaissance, und da sich die Rechenleistung unserer Geräte weiter verbessert, scheint es, dass das nächste große Ding in der Wissenschaft das Smartphone in Ihrer Tasche sein könnte .

Die Geburt und der Aufschwung

Das Konzept des Volunteer Computing gibt es schon seit Jahrzehnten, aber erst in den späten 1990er Jahren – als PCs Einzug in eine große Anzahl von US-Haushalten gehalten hatten – begann es wirklich Fuß zu fassen.

Im Jahr 1999 starteten Forscher an der UC Berkeley und Stanford zwei Projekte, die in den Medien beträchtliche Beachtung fanden und breite Akzeptanz fanden: SETI@home , das PC-Benutzer dazu ermutigte, sich anzumelden und ihre CPUs für die Analyse von Radioteleskopdaten einzusetzen, und Folding@home , das dies nutzte Rechenleistung, um komplexe Proteine ​​zu falten.

Beide Projekte waren große Publikumserfolge. SETI@Home erlebte tatsächlich einen so großen Anstieg des anfänglichen Interesses, dass es die Server des Projekts überforderte und häufige Abstürze verursachte . Aber nach diesem durchschlagenden Erfolg ließ das Interesse schließlich nach, ließ nach und veranlasste die Macher des Projekts schließlich, es nach 20 Jahren einzustellen .

Folding@home erlitt jedoch nicht das gleiche Schicksal. Ungefähr zu der Zeit, als das SETI@home-Projekt zu Ende ging, erschien Folding@homes Chance zu glänzen: der COVID-19-Ausbruch . Kurz nach dem Ausbruch der Pandemie schlossen sich mehr als eine Million neue Freiwillige dem Projekt an und schufen effektiv den schnellsten Supercomputer der Welt – einen, der leistungsstärker ist als die 500 besten traditionellen Supercomputer zusammen. Ihre Aufgabe war einfach, aber entscheidend, um einige der komplexesten Krankheiten zu knacken, einschließlich COVID-19 : Faltproteine.

Proteine ​​sind entscheidend, um zu verstehen, wie beispielsweise ein Virus auf das menschliche Immunsystem reagiert und es kontaminiert. Proteine ​​liegen in ihrem ursprünglichen Zustand in gefalteter Form vor und entfalten sich, um beispielsweise unsere körpereigenen Abwehrkräfte zu binden und zu unterdrücken. Um Therapeutika zu entwerfen, führen Wissenschaftler Simulationen durch, um die Entfaltungssequenz eines Proteins zu untersuchen – aber es ist ein sehr ressourcenintensiver und zeitaufwändiger Prozess. Hier kommt Folding@home ins Spiel. Es senkt nicht nur die Kosten drastisch, sondern beschleunigt auch die Entwicklung um Monate und in einigen Fällen sogar um Jahre.

Sobald Folding@home-Freiwillige eine Software installieren, übernehmen ihre Maschinen einen Teil einer größeren Aufgabe und verarbeiten sie im Hintergrund. Die Ergebnisse werden über die Cloud an die Labore der Forschungsgruppe zurückgesendet, wo sie gesammelt und überprüft werden.

Die Ergebnisse waren mehrfach bahnbrechend. Im Jahr 2021 konnten Wissenschaftler herausfinden, warum die Varianten von COVID-19 verheerender waren, vor allem dank der steigenden Rechenleistung von Folding@home. Darüber hinaus half es bei der Entwicklung eines antiviralen COVID-19-Medikaments, das sich nun in Richtung klinischer Studien bewegt. Darüber hinaus hat Folding@home auch eine Reihe bedeutender Durchbrüche bei anderen Krankheiten wie Alzheimer, Parkinson und Krebs ermöglicht.

Ohne Crowdsourcing-Computing sagt Dr. Gregory R. Bowman, Direktor von Folding@home und außerordentlicher Professor an der Washington University School of Medicine, St. Louis, Missouri: „Diese Arbeit hätte in der Cloud Hunderte von Millionen Dollar gekostet, was es für uns oder die meisten anderen wirtschaftlich undurchführbar macht.“ Er fügte hinzu: „Die Rechenleistung ist bahnbrechend.“

Eine neue Art von Citizen Science

Aufregenderweise sind Projekte wie Folding@home nicht die einzige Möglichkeit, wie Wissenschaftler die Leistungsfähigkeit von Smartphones nutzen. Manchmal ist rohe Rechenleistung nicht besonders wichtig, und Forscher brauchen einfach ein breiteres Spektrum an Informationen – Informationen, die nur Tausende von Menschen auf der ganzen Welt sammeln und liefern können.

Beispielsweise startete die Europäische Weltraumorganisation im März dieses Jahres ihre Camaliot- Kampagne, die darauf abzielt, Wetter-Apps zu verbessern, indem sie den GPS-Empfänger in den Android-Telefonen der Menschen kreativ nutzt. Sie sehen, wann immer Ihr Telefon Satelliten für die Navigation anpingt, antworten sie mit der Zeit und ihrem Standort, und Telefone berechnen, wo sie sich befinden, basierend darauf, wie lange jede Nachricht brauchte, um anzukommen. Die Zeit, die jedes Signal benötigt, kann Wissenschaftler besser über die Eigenschaften der Atmosphäre informieren, wie z. B. die Menge an Wasserdampf darin, was wiederum dazu beitragen kann, genauere Regenvorhersagen vorherzusagen. Das ESA-Team kann diese Aktivität jedoch nur von einer begrenzten Anzahl von Standorten aus durchführen.

Die Camaliot-App ermöglicht es Besitzern von Android-Telefonen aus der ganzen Welt, zum ESA-Projekt beizutragen. Es pingt wiederholt Satelliten von den Telefonen der Leute aus und sendet die gesammelten Antwortdaten zurück an die ESA-Basis.

Mit Camaliot hofft die ESA, Daten aus Gebieten wie Afrika zu sammeln, die aus Sicht der Ionosphäre von großem Interesse sind und die von den geospatial-begrenzten zentralisierten Methoden der Agentur nicht gut abgedeckt werden, so Vicente Navarro, das Wissenschaftsdirektorat der Europäischen Weltraumorganisation und Lead auf der Camaliot-Kampagne, sagte Digital Trends.

Einhacken

Aber die Frage bleibt: Warum sollte jemand die Energie seines Geräts kostenlos ausleihen? Neben erhöhten Stromrechnungen wirkt sich dies auch auf die Leistung und Gesundheit Ihrer Telefone und Computer aus. Aber selbst mit diesen Nachteilen ist die Antwort für viele wie Jeffrey Brice, ein Sounddesigner, der seit 2007 Proteine ​​faltet, ziemlich einfach: Gutes tun.

„Ich habe mich eine Zeit lang für Kryptowährung interessiert“, sagte Brice, „aber die Verwendung derselben Hardware für Folding@home schien eine bessere, ethischere und philanthropischere Nutzung der Ausrüstung zu sein.“

Für andere ist es eine Quelle des passiven Einkommens. Um die Teilnahme zu fördern, haben einige führende Folding@home-Gruppen spendengeführte Krypto-Communities eingerichtet, die jede Woche Währungen wie Dogecoin je nach Beitrag verteilen. Camaliot belohnt seine Top-Beitragenden ebenfalls mit Gutscheinen.

Da Computerchips in fast alles Einzug halten, erwartet Josh Smith, der Gründer von CureCoin, einer Kryptowährung zur Belohnung von Folding@home-Freiwilligen, eine noch bessere Zukunft für Crowdsourcing-Wissenschaftsprojekte. „Wenn wir unsere hohen Kapazitätsziele erreichen, wird der Dominoeffekt für die Zukunft unseres Planeten etwas sein, das nie vergessen wird“, sagte er.