Физтеховцы представили суперкомпьютер для биомедицинских рассчетов

В октябре прошлого года сотрудники лаборатории I-SCALARE в МФТИ говорили о  планах создания суперкомпьютера, способного строить сложнейшие биохимические модели. Вчера, 29 мая 2012 года, они рассказали журналистам, как им удалось всего за семь месяцев превратить концепцию в действующую сверхмощную машину, и о проектах, в которых ее уже опробовали.

Фото:

В наше время научные проекты реализуются не просто быстро, а очень быстро. Ну а если на вооруженииученых имеется суперкомпьютер — тогда скорость выполнения работ, по крайней мере, тех, что связаны с расчетами и моделированием, становится просто фантастической. Причем процесс имеет положительную обратную связь — суперкомпьютер помогает ученым решать сложные задачи, которые открывают новые горизонты для дальнейших исследований, а это в свою очередь приводит к дальнейшей модернизации самой машины.

И вот пример: в октябре прошлого года сотрудники лаборатории I-SCALARE (Intel super computer applications laboratory for advanced research), расположенной в МФТИ и созданной при поддержке ученых этого института, а также специалистов из корпорации Intel и группы компаний РСК, говорили о своих планах создания суперкомпьютера, способного строить сложнейшие биохимические модели (об этом можно прочитать в статье "Супероткрытия суперкомпьютера"). Тогда сложно было предположить, что всего-то через семь месяцев эти планы воплотятся в жизнь.

На пресс-конференции, прошедшей 29 мая 2012 года в том же самом МФТИ (или, как говорят сотрудники этого университета, на ФизТехе) сотрудники данной лаборатории отчитались о своих впечатляющих достижениях. Сейчас в лаборатории имеется мощнейшая машина с производительностью в 41,57 TFLOPS (один TFLOPS означает, что машина за секунду может совершить триллион операций) — хотя семь месяцев назад пределом мечтаний было создание компьютера мощностью в 30 TFLOPS. Получается, что план не только выполнили, но и перевыполнили.

Читайте также: Новый процессор открывает новую эру

Конечно, этого не могло бы произойти без поддержки и революционных решений специалистов компании Intel. Ведь именно они разработали платформы для данной машины, снабдив каждую восьмиядерными процессорами нового поколения Intel Xeon E5-2690 с тактовой частотой 2,9 ГГц. Всего 112 вычислительных узлов этого суперкомпьютера содержат 224 процессора. На каждый из узлов приходится 64 ГБ оперативной памяти, а общая память вычислительной машины равна 7,1 ТБ. Для хранения информации имеется система хранения данных емкостью 10 ТБ.

Более того, при создании платформ было применено еще одно интересное решение, о котором рассказал директор по развитию корпоративных проектов Intel Николай Местер: "Производительность процессоров развивается за счет самых разных вещей. Я бы хотел остановиться на одной весьма интересной технологии — она называется TurboBus. Смысл ее заключается в следующем: процессор сам отслеживает свое поведение и степень загрузки каждого ядра. И если окажется, что часть ядер не загружена, то оставшиеся могут поднимать свою частоту, причем в несколько раз.

Для чего это нужно? Дело в том, что существует много задач, для выполнения которых не требуется полной загрузки всех ядер. И если для какой-то задачи процессор использует одно или два ядра, то за счет прироста частоты он увеличивает свою производительность и, соответственно, работает более эффективно. Благодаря такой технологии, каждый процессор может добавить к своей номинальной частоте еще до 400 МГц и, соответственно, достичь частоты 3,3 ГГц".

Интересно, что это решение стало возможным благодаря не имеющей аналогов системе жидкостного охлаждения, разработанной специально для данного кластера специалистами группы компаний РСК. Без нее, при стандартном воздушном охлаждении, эффект прибавления частоты длился не более 20 минут. Теперь же он может проявляться значительно дольше — до нескольких часов.

Любопытно и то, что суперкомпьютер был создан в лаборатории I-SCALARE еще до того, как появился на свет, то есть воплотился в физическую реальность. И в этом есть заслуга сотрудников лаборатории, занимающихся моделированием архитектуры вычислительных кластеров. Один из них, аспирант МФТИ Геннадий Речистов, поясняет: "Наша группа занимается компьютерным моделированием ЭВМ — то есть мы создаем программу, являющуюся моделью компьютера следующего поколения. Это весьма удобный метод — ведь на модели можно досконально изучить работу всей системы, тогда как в реальности это часто не представляется возможным. Более того, так мы можем изучить особенности вычислительного кластера, который смогут построить через несколько лет, то есть заглянуть в будущее.

Таким образом, уже сейчас мы можем точно сказать, каким образом возможно развитие нашего суперкомпьютера. С помощью моделей возможно охарактеризовать все особенности работы приложений на системах производительностью до 665 TFLOPS — а это системы, которые используют в 16 раз большее число процессорных ядер, чем наша. С помощью программного пакета Wind River Simiks мы измеряем производительность системы, рассчитываем способы оптимизации ее работы, а также находим "узкие места" — недоработки или неудачные решения, ограничивающие возможности системы".

Итак, одно реальное достижение за семь месяцев у суперкомпьютера уже имеется — эта машина построила сама себя. Из "гадкого утенка" с производительностью в 2,5 TFLOPS он превратился в прекрасный кластер производительсностью 41,57 TFLOPS — прогресс налицо. Однако этот компьютер смог оказать существенную помощь и другим научным проектам. Например, группа Р. Г. Ефремова, работающая в ИБХ им. Академиков Шемякина и Овчинникова РАН, уже сделала с его помощью весьма важное открытие.

Роман Гербертович Ефремов и его коллеги изучали действие лантибиотиков — пептидов, которые бактерии выделяют для устранения конкурентов. Лантибиотики имеют весьма узконаправленное действие — они убивают не все микроорганизмы, а лишь представителей определенного вида или штамма. Исследователи решили построить модель проникновения в мембрану бактерии одного из лантибиотиков — низина.

Предполагалось, что это вещество воздействует на очень важный компонент оболочки микроорганизмов — липид II, в результате чего в мембране образуется дырка, а также бактерии лишаются возможности строить клеточную стенку (надмембранную защитную структуру). Если ученым удастся расшифровать механизм действия низина, то можно будет создать похожее вещество, которое убивало бы целенаправленно только патогенные бактерии, а симбионтов бы не трогало. Кроме того, к действию лантибиотка бактерия не сможет привыкнуть, ибо гены, отвечающие за создание липида II, весьма консервативны, и любая мутация в них будет гибельна для бактерии.

О том, чего удалось достичь, рассказал сотрудник научной группы Антон Чугунов: "Нам удалось построить модель взаимодействия лантибиотика с липидом II и выяснить, на какой именно участок низин прикрепляется к мишени. Также было устанвлено, что активным фрагментом лантибиотика является пирофосфат. Используя эти данные, нам удалось создать при помощи компьютера два вещества, которые действовали так же, как и низин. То есть фактически были лекарственнымипрепаратами на основе лантибиотика. И что примечательно — при использовании суперкомпьютера в нынешней его конфигурации на все про все ушло около недели. А на обычных компьютерах расчет занял бы несколько месяцев".

Суперкомпьютер помог и группе академика Зефирова с химического факультета МГУ. Здесь ученые использовали его сразу на двух проектах. Первый предполагал моделирование механизма прикрепления к мембране клетки флавовирусов (к которым относятся возбудители таких опасных заболеваний, как лихорадка Денге и клещевой энцефалит). Эти вирусы обладают интересной особенностью — они могут выпускать белковые шипы, которые зацепляются за мембрану, после чего вирус вводит в клетку свою ДНК.

Так вот, построив модель, ученые смогли создать вещество, препятствующее выпусканию этих шипов — без этого вирус не может заразить клетку. Интересно, что после того, как вещество было создано на компьютере, его синтезировали и повторили эксперимент с живыми вирусами и клетками. Результаты полностью совпали с тем, что предсказала модель — ни один вирус в клетку не забрался.

По словам участника проекта Владимира Александровича Палюлина, на основе этого препарата можно создать лекарство, которое будет способно обезвредить вирус того же энцефалита на ранних стадиях заболевания, пока он еще не проник в нервную систему. А значит, последствия болезни для пациентов будут не такими ужасными — к примеру, до паралича дело не дойдет.

Владимир Александрович также рассказал о проекте создания нейропротектора, уменьшающего активность NMDA-рецептора нервных клеток. Этот рецептор отвечает за поставку в нейроны кальция, без которого они не могут функционировать. Однако часто у пожилых людей он становится слишком активным, а избыток кальция в нейронах может приводить к их деградации (что является, например, причиной болезни Альцгеймера).

Задача, надо сказать, была весьма сложной — ведь нужен был такой протектор, который не полностью бы затыкал канал рецептора (тогда кальций совсем бы не поступал), а лишь тормозил его деятельность. Но после детального моделирования работы самого рецептора такое вещество было найдено! Оно связывается с рецептором при помощи водородных связей и изменяет его активность. В итоге кальция поступает ровно столько, сколько нужно.

Читайте также: Погоду предскажет… суперкомпьютер!

Итак, всего за семь месяцев суперкомпьютер помог двум научным коллективам завершить первые стадии весьма сложных проектов. При этом сотрудники лаборатории I-SCALARE получили представление о том, в какую сторону должен будет развиваться их суперкомпьютер. Образовалась та самая положительная обратная связь, которая и является двигателем научного прогресса.

В заключение генеральный директор Intel по исследованиям и разработкам Камиль Исаев отметил, что ситуация развития суперкомпьютера лаборатории является уникальной. Мало где в мире создаются мощные ЭВМ, специализированные на решении биологических и биомедицинских задач. "Это является специализацией именно российского отделения Intel. И все необходимые для создания этих суперкомпьютеров инструменты и ПО создаются в нашей стране", — подчеркнул г-н Исаев. А это не может не радовать — ведь успехи современной науки зависят от того, какой у ученых есть компьютер. И если у наших исследователей имеется мощная ЭВМ, значит они обязательно будут радовать нас своими успехами.

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"