Лаборатория I-Scalare в МФТИ: результаты научных исследований с использованием суперкомпьютера на базе «РСК Торнадо»
Лаборатория суперкомпьютерных технологий для биомедицины, фармакологии и малоразмерных структур I-Scalare (Intel super computer applications laboratory for advanced research), созданная в 2010 г. в рамках гранта Правительства России на базе Московского физико-технического института (МФТИ), представила новые результаты своих научных исследований, достигнутых благодаря использованию модернизированного энергоэффективного суперкомпьютера с пиковой производительностью 41,57 Тфлопс, созданного на базе передовой архитектуры «РСК Торнадо» и новых серверных процессоров Intel Xeon E5-2600.
Проект реализуется при участии сотрудников МФТИ и корпорации Intel, а группа компаний РСК разработала и установила инновационный вычислительный кластер, используемый для проведения всего спектра исследований в рамках работы лаборатории.
В целом 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 высокопроизводительных моделей процессоров нового серверного семейства Intel Xeon E5-2600 стало возможным благодаря использованию передового жидкостного охлаждения, являющего основой архитектуры «РСК Торнадо». При этом обеспечен большой объем оперативной памяти на один узел — 64 ГБ (в пилотной системе было 36 ГБ на узел), что суммарно составляет 7,1 ТБ ОЗУ, сообщили в РСК.
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 вычислительный кластер такими характеристиками, как: простота и надежность; экономическая эффективность; энергоэффективность (рекордный показатель эффективности использования электроэнергии (PUE) — менее 1,2, то есть на охлаждение будет расходоваться не более 20% энергопотребления); компактность и высокая плотность; большой коэффициент вычислительной эффективности (более 90% на тесте Linpack); масштабируемость; возможность использования ускорителей (архитектуры Intel MIC).
Биоинформатика и моделирование лекарственных препаратов являются одними из самых быстрорастущих областей, где существует острая необходимость использования высокопроизводительных вычислений на суперкомпьютерах, говорится в сообщении ГК РСК. Актуальность исследований, проводимых на базе лаборатории I-Scalare, состоит в том, что 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. Совместная реализация этого проекта сотрудниками МТФИ, специалистами корпорации Intel и группы компаний РСК позволяет вывести исследования в данной области на новый уровень.
«Перед лабораторией I-Scalare под рукодством Владимира Пентковского поставлена задача по решению важных проблем из области современной биоинформатики, — отметил Николай Кудрявцев, ректор Московского физико-технического института. — Профессионализм, целеустремленность и энтузиазм команды способствуют успешному решению поставленных задач».
Камиль Исаев, генеральный директор по исследованиям и разработкам корпорации Intel в России, представил основные направления деятельности лаборатории I-Scalare, созданной в МФТИ при участии Intel. Главным из них 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, отметили в РСК.
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 тыс. 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, то есть сейчас благодаря высокой производительности нового вычислительного кластера, скорость получения научных результатов увеличилась более чем в 14 раз, подчеркнули в РСК.
В целом 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.
На новом суперкомпьютере лаборатории I-Scalare учеными исследовательской группы химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова под руководством академика Николая Зефирова также решается задача моделирования структуры белковой оболочки и молекулярной динамики опасных для человека вирусов типа Flavivirus (например, вируса лихорадки Денге) и процессов их взаимодействия с клетками организма. Как рассказал ведущий научный сотрудник МГУ Владимир 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.
По словам Владимира Палюлина, на основе таких моделей был проведен 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). Кроме того, 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. По мнению Палюлина, такие структуры могут послужить основой для создания в будущем препаратов для лечения тяжелых нейродегенеративных заболеваний, в частности болезни Альцгеймера.
В свою очередь, сотрудник лаборатории, аспирант МФТИ Григорий Речистов рассказал о принципах моделирования архитектур и достигнутых результатах. Основным результатом исследований группы моделирования является разработка методологии изучения работы приложений на суперкомпьютерных вычислительных системах следующего поколения заранее, ещё 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. Таким образом, методика позволяет изучать компьютерные системы производительностью до 665 Тфлопс, утверждает Речистов.
Технологии моделирования вычислительных систем, разрабатываемые на основе программного продукта Wind River Simics, позволят архитекторам и пользователям суперкомпьютерных систем иметь средства для измерения полной производительности, нахождения ограничивающих её «узких мест», оценивать эффекты от использования оптимизаций. В результате такого анализа появляется возможность принимать решения о соответствии выбранной аппаратной конфигурации для решения практических научных задач, подчеркнул Григорий Речистов.
© CNews
