Поиск - новости науки и техники

По большому счету. Развитию медицинской диагностики помогает суперкомпьютер.

Новые научные результаты и перспективы развития лаборатории суперкомпьютерных технологий для биомедицины, фармакологии и малоразмерных структур I-SCALARE (Intel super computer applications laboratory for advanced research) были представлены в конце мая на пресс-конференции, состоявшейся в МФТИ.
Лаборатория была создана на базе МФТИ в 2010 году. Именно тогда сотрудником корпорации Intel Владимиром Пентковским – известным разработчиком программно-аппаратных архитектур, обладающим солидным опытом создания научных коллективов в России, США и Индии, – совместно с учеными МФТИ  была представлена на конкурс, объявленный Минобрнауки РФ в рамках  выполнения Постановления  Правительства России №220, программа по исследованию и разработке программно-аппаратных архитектур, которые были бы максимально эффективны при решении сложных задач биоинформатики и фармакологии, требующих больших вычислительных ресурсов. Проект доктора Пентковского, выступившего руководителем команды, вошел в число 40 победителей и получил грант в размере
150 млн рублей на создание лаборатории в МФТИ и проведение исследований. Работы реализуются при участии сотрудников МФТИ и корпорации Intel, а специалистами группы компаний РСК был создан и установлен инновационный вычислительный кластер, используемый для проведения всего спектра исследований в рамках данной лаборатории.
Биоинформатика и моделирование лекарственных препаратов требуют сегодня активного использования высокопроизводительных вычислений на суперкомпьютерах. Прорывы в сфере новых методов медицинской диагностики, лечения, создания новых лекарств и т.д. возможны только с развитием новых вычислительных моделей и платформ, учитывающих специфику био-медико-фармацевтических задач – что и обусловливает актуальность исследований, проводимых на базе лаборатории I-SCALARE. Совместная реализация этого проекта сотрудниками МФТИ, специалистами корпорации Intel и группы компаний РСК позволяет вывести исследования в данной области на новый уровень.
– Перед лабораторией I-SCALARE под руководством Владимира Пентковского поставлена задача по решению важных проблем из области современной биоинформатики,  – отметил ректор МФТИ Николай Кудрявцев. – Профессионализм, целеустремленность и энтузиазм команды способствуют их успешному решению.
В 2011 году в рамках контракта с МФТИ группа компаний РСК (ведущий в России и СНГ разработчик и интегратор “полного цикла” суперкомпьютерных решений нового поколения на основе архитектур корпорации Intel и передового жидкостного охлаждения) разработала и установила в лаборатории I-SCALARE пилотную систему на базе передовой архитектуры “РСК Торнадо” и процессоров предыдущего поколения семейства Intel® Xeon® 5600. В этом году система была модернизирована до уровня мощного вычислительного кластера, представляющего собой законченное решение класса “РСК мини-ЦОД” с пиковой производительностью 41,57 TFlops.
Модернизированный кластер лаборатории I-SCALARE состоит из 112 вычислительных узлов на базе двух процессоров нового поколения Intel® Xeon® E5-2690 (всего 224 процессора, 1792 ядра). Использование таких высокопроизводительных моделей процессоров нового серверного семейства Intel® Xeon® E5-2600 стало возможным именно благодаря применению передового жидкостного охлаждения, являющегося основой архитектуры “РСК Торнадо”.
По словам генерального директора компании “РСК Технологии”, входящей в группу компаний РСК, Александра Московского, суперкомпьютер МФТИ основан на инновационной архитектуре “РСК Торнадо”. Это первое в мире энергоэффективное суперкомпьютерное решение с передовым жидкостным охлаждением для массово доступных стандартных серверных плат на базе процессоров Intel® Xeon®, изначально создававшихся для традиционных систем с воздушным обдувом электронных компонент. Архитектура “РСК Торнадо” обеспечивает гибкость конфигурации вычислительных узлов со стандартными интерфейсами и простоту построения решения, высокую ремонтопригодность (простота замены модулей оперативной памяти и увеличения ее объема, обновление на новые модели процессоров), возможность интеграции с любыми внешними изделиями со стандартными интерфейсами (PCI Express). На текущий момент обновленная кластерная система в МФТИ оснащена системой хранения данных емкостью 10 ТБ (ранее было 3 ТБ), а коммуникационная сеть построена на базе высокоскоростного интерфейса Infiniband QDR. Архитектура “РСК Торнадо” обеспечивает кластеру такие уникальные характеристики, как простоту и высокую надежность, экономическую эффективность, высокую энергоэффективность и т.д.
О задачах и перспективах развития научной деятельности факультета радиотехники и кибернетики, при котором и была создана лаборатория I-SCALARE, участникам пресс-конференции рассказал декан факультета Сергей  Гаричев. Так, например, исследовательская группа под руководством профессора Романа Ефремова при Институте биоорганической химии РАН использует модернизированный вычислительный кластер лаборатории I-SCALARE в МФТИ для исследования в области конструирования нового класса антимикробных соединений на основе природных лантибиотиков. В ходе развития данного проекта, проведения расчетов и моделирования получены микросекундные траектории молекулярной динамики (МД) мишени действия антибиотиков (молекулы липида-II) в мембране бактерий. Использование обновленного суперкомпьютера лаборатории I-SCALARE позволяет получать траектории такой длительности для систем, содержащих свыше 50 тысяч атомов, примерно за неделю. Для сравнения, на вычислительном кластере на базе процессоров предыдущего поколения Intel® Xeon® E5450, активно используемом в настоящее время в ИБХ РАН, подобный расчет занимал бы примерно 100 дней. Сейчас же благодаря высокой производительности нового вычислительного кластера скорость достижения научных результатов увеличилась более чем в 14 раз. Анализ полученных траекторий МД позволил установить характерные особенности строения бактериальной мембраны. На модернизированном суперкомпьютере лаборатории I-SCALARE в этом году будет проведено более детальное моделирование  взаимодействия лантибиотиков с липидом-II в мембране. В перспективе такие исследования могут привести к созданию нового класса антибиотиков, не подверженных появлению резистентности у бактерий.
Как отметил генеральный директор по исследованиям и разработкам корпорации Intel в России Камиль Исаев, среди основных направлений деятельности лаборатории I-SCALARE – разработка проблемно-ориентированных архитектур вычислительных систем для задач биомедицины, фармакологии и малоразмерных структур. В качестве целевых были выбраны несколько прикладных вычислительных задач, связанных с моделированием вирусов, клеточных  мембран, а также взаимодействием белков и внешних полей с клеточными мембранами. Все они, с одной стороны, имеют большую практическую ценность, а с другой – не могут быть решены на имеющихся вычислительных ресурсах, требуют новых подходов к архитектуре кластеров.
О задаче моделирования структуры белковой оболочки и молекулярной динамики опасных для человека вирусов типа Flavivirus (например, вируса лихорадки Денге) и процессов их взаимодействия с клетками организма, решаемой на новом мощном суперкомпьютере лаборатории I-SCALARE учеными исследовательской группы химического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова под руководством академика Н.Зефирова, рассказал ведущий научный сотрудник В.Палюлин. В ходе проведенных исследований построены молекулярные модели мембраны вириона и фрагмента белковой оболочки, включающие миллионы атомов. Это позволило получить информацию о пространственном строении вирусного белка, не доступную экспериментальными методами, а затем проанализировать его динамическое поведение и связывание с ним молекул, препятствующих слиянию флавивирусов с клетками человека. На основе таких моделей осуществлен компьютерный поиск потенциальных ингибиторов слияния вируса клещевого энцефалита и идентифицированы перспективные соединения, проявившие необходимую активность в тестах in vitro. В рамках работ по дизайну новых нейропротекторных веществ построены модели полной структуры NMDA-рецептора, с помощью суперкомпьютера проводится моделирование его молекулярной динамики в фосфолипидной мембране с водным окружением, а также взаимодействия с известными нейропротекторами (система включает сотни тысяч атомов). Изучены закономерности связи их структуры с активностью, предложен возможный механизм действия модуляторов рецептора и на этой основе ведется поиск новых перспективных структур с нейропротекторной активностью. Такие структуры могут послужить основой для создания в будущем препаратов для лечения тяжелых нейродегенеративных заболеваний, в частности болезни Альцгеймера.
О принципах моделирования архитектур и достигнутых результатах рассказал сотрудник лаборатории, аспирант МФТИ Григорий Речистов. Основной результат исследований группы моделирования – разработка методологии изучения действия приложений на суперкомпьютерных вычислительных системах следующего поколения заранее (еще до их физической доступности). Результаты экспериментов, полученные к настоящему времени, позволяют полностью охарактеризовать возможность работы приложений на вычислительных комплексах, включающих в 16 раз большее число процессорных ядер, чем физически присутствует в используемом кластере. Данная методика позволяет изучать компьютерные системы производительностью до 665 TFlops.
На пресс-конференции было также отмечено, что лаборатория I-SCALARE ведет не только научную, но и учебную деятельность: ее сотрудниками был разработан учебный курс по использованию симуляторов для моделирования различных вычислительных систем. В лаборатории также регулярно проводятся научные семинары, а Владимир Пентковский является научным руководителем нескольких аспирантов и студентов МФТИ.

Подготовила Нина ШАТАЛОВА

Нет комментариев