Intel
и Московский физико-технический институт (МФТИ) подвели
итоги работы лаборатории суперкомпьютерных технологий для
биомедицины, фармакологии и малоразмерных структур I-SCALARE
(Intel super computer applications laboratory for advanced
research) за три года. Лаборатория была создана на базе МФТИ
в 2010 году в рамках гранта Министерства образования и науки
РФ при участии сотрудников института и корпорации Intel.
Руководство лабораторией осуществляет д.т.н. Владимир
Пентковский, известный разработчик программно-аппаратных
архитектур, заслуженный исследователь Intel.
Основным направлением деятельности лаборатории является
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
взаимодействия 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 и требуют новых подходов к
архитектуре кластеров.
Для проведения широкого спектра исследований в рамках
деятельности лаборатории используется инновационный и
энергоэффективный суперкомпьютер на базе
высокопроизводительных серверных процессоров Intel Xeon
E5-2690, разработанный и установленный специалистами группы
компаний РСК. Использование старших моделей процессоров
семейства Intel Xeon E5-2600 стало возможным благодаря
применению передовой технологии жидкостного охлаждения,
лежащей в основе архитектуры «РСК Торнадо».
Пиковая производительность суперкомпьютера на данный момент
составляет 83,14 TFLOPS при занимаемой площади менее чем 4
кв.м. Кластер состоит из двух вычислительных стоек,
содержащих в сумме 224 вычислительных узла на базе серверных
плат Intel S2600JF и двух процессоров Intel Xeon E5-2690 в
каждом (всего 448 процессоров, 3584 ядра). При этом
обеспечивается поддержка большого объема оперативной памяти
на один узел — 64 ГБ, что суммарно составляет 14,3 ТБ ОЗУ
для всей системы. Коммуникационная сеть построена на базе
высокоскоростного интерфейса Infiniband QDR.
Расширение вычислительного кластера проводилось в три этапа,
причем, на каждом из них архитектура вычислительной системы
создавалась собственной группой лаборатории, отвечающей за
разработку программных и аналитических моделей будущих
вычислительных комплексов с последующим изучением их
производительности на приложениях, решающих задачи
молекулярной динамики. На текущий момент специалисты
лаборатории успешно проводят моделирование систем, в 10 раз
превышающих мощность установленного кластера, т.е. имеющие
производительность до 830 TFLOPS, используя инструментарий
Wind River Simics, Intel VTune Amplifier, а также
технологии, разработанные в лаборатории.
Тестирование эффективности и производительности будущих
вычислительных комплексов проводилось на приложениях,
решающих био-медико-фармацевтические задачи. Биоинформатика
и моделирование лекарственных препаратов — быстрорастущие
области знаний, требующие использования
высокопроизводительных вычислений. Понимание того, насколько
эффективно будут исполняться программы на оборудовании,
подчас еще только запланированном к эксплуатации, позволяет
предвидеть и заранее устранить проблемы производительности,
добиться наилучшей отдачи от дорогостоящей вычислительной
системы.
Непрерывная адаптация архитектуры кластера к особенностям
задач молекулярной динамики и биохимии, позволила российским
ученым, использующим суперкомпьютер в исследовательских
целях, добиться новых, уникальных результатов в данных
направлениях.
Так, группа под руководством профессора Романа Ефремова из
Института биоорганической химии РАН использует
вычислительный кластер в МФТИ для исследований структуры и
динамики белок-мембранных систем и 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. Модернизация
суперкомпьютера позволила проводить более масштабные
вычислительные эксперименты, увеличив размеры систем в 10
раз, а длительность траекторий молекулярной динамики — в 20
раз. Учеными было проведено детальное моделирование
взаимодействия лантибиотиков с липидом-II в мембране и
впервые установлено, что молекула-мишень (липид-II) создает
в мембране бактерий специфический паттерн, эффективно
распознаваемый спроектированными «ловушками» —
потенциальными антибиотиками. В результате таких
исследований была предложена атомистическая модель
связывания «ловушка-мишень» — основа дальнейшего
рационального дизайна новых антибиотиков. Данных результатов
удалось добиться, осуществив анализ больших (до 2,2x105
атомов) систем на длительных (до 1 мкс) траекториях
молекулярной динамики.
Благодаря значительным вычислительным возможностям кластера
лаборатории I-SCALARE группе, возглавляемой академиком
Николаем Зефировым и доцентом, к.т.н. Владимиром Палюлиным,
удалось выполнить пионерские работы в двух областях —
моделирование оболочки флавивирусов и молекулярная динамика
важнейшего нейрорецептора NMDA.
Идея подпроекта по моделированию оболочки флавивирусов
заключается в применении метода молекулярной динамики к
системам, содержащим десятки миллионов атомов. Флавивирусы —
это оболочечные вирусы, вызывающие такие заболевания, как
клещевой энцефалит и лихорадки Западного Нила и Денге.
Процесс проникновения флавивирусов в клетку человека
сопряжен со значительной структурной перестройкой белков
оболочки; одной из задач лаборатории является моделирование
этого процесса в полноатомном масштабе. Моделирование систем
такого размера с использованием современных вычислительных
средств пока является крайне обременительным, но вычислители
следующего поколения должны быть способны адекватно работать
с ними. К настоящему времени на суперкомпьютере лаборатории
I-SCALARE выполнено моделирование молекулярной динамики
мембраны вирусной частицы, состоящей из 1,5 млн атомов. На
основе моделирования белков оболочки вируса предложены
вещества, обладающие противовирусной активностью по
отношению к вирусу клещевого энцефалита (биологические
испытания проведены в ФГБУ «Институт полиомиелита и вирусных
энцефалитов им. М.П.Чумакова» РАМН).
Моделирование молекулярной динамики рецептора NMDA является
основой для компьютерного конструирования химических
соединений, которые позволяют управлять его работой и могут
использоваться для лечения болезней Альцгеймера, Паркинсона
и других нейродегенеративных возрастных заболеваний.
Вычислительная сложность этой задачи связана с
необходимостью моделирования эволюции сложной
надмолекулярной системы (рецептор в липидной мембране с
водным окружением, всего более 360 тысяч атомов) на
протяжении достаточно длительного времени. Благодаря
возможностям суперкомпьютера лаборатории I-SCALARE было
выполнено моделирование поведения рецептора в различных
условиях, изучен механизм действия его модуляторов и
предложен ряд перспективных веществ для биологических
испытаний.
Стоит отметить, что лаборатория I-SCALARE осуществляет не
только научную, но и учебную деятельность. Ее сотрудниками
был разработан учебный курс по использованию симуляторов для
моделирования различных вычислительных систем. Кроме того, в
лаборатории регулярно проводятся научные семинары, а
Владимир Пентковский стал научным руководителем нескольких
аспирантов и студентов МФТИ.
ПОДВЕРСТКА
Московский физико-технический институт создан в 1951
году на основе физико-технического факультета МГУ
(1946-1951). Институт осуществляет подготовку специалистов
высшей квалификации в различных областях современной науки и
техники. Основателями и сотрудниками института были лауреаты
Нобелевской премии П.Л. Капица, Н.Н. Семенов, Л.Д. Ландау.
Многие ведущие российские ученые являются профессорами МФТИ.
Среди них более 80 академиков и членов-корреспондентов
Российской академии наук.
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, а также целого
ряда собственных ноу-хау. Существующий потенциал компании
позволяет: создавать самые энергоэффективные решения с
рекордным показателем эффективности использования
электроэнергии (PUE), реализовать самую высокую
вычислительную плотность в индустрии на базе стандартных
процессоров архитектуры x86, использовать полностью
«зеленый» дизайн, обеспечить высочайшую надежность решения,
полную бесшумность работы вычислительных модулей, 100%
совместимость и гарантированную масштабируемость, при этом
достигается беспрецедентно низкая стоимость владения и
невысокий уровень энергопотребления. Кроме того, специалисты
РСК имеют опыт разработки и внедрения интегрированного
программного стека решений для повышения эффективности
работы и прикладного использования суперкомпьютерных
комплексов: от системного ПО до вертикально-ориентированных
платформ на базе технологии облачных вычислений.
РСК является партнером корпорации Intel по программе Intel
Technology Provider Program высшего уровня Platinum.
Производительность и масштабируемость решений на базе
архитектуры «РСК Торнадо» подтверждена сертификатом Intel
Cluster Ready.
