Супероткрытия суперкомпьютера

Лаборатория I-SCALARE, находящаяся в Московском физико-техническом институте, занимается разработкой новейшего отечественного суперкомпьютера, который даст возможность ученым строить модели молекулярных процессов. Пока эта машина существует лишь в виртуальной реальности, однако скоро она перейдет из таковой в физическую. И вот тогда ученые смогут…

Фото: Источник: scalare.mipt.ru

…построить много моделей, которые пояснят, что именно происходит в мире органических молекул в той или иной ситуации.

Вчера, 13 октября в Московском физико-техническом институте, который больше известен россиянам как "Физтех в Долгопрудном", прошло очень интересное мероприятие. Лаборатория I-SCALARE (Intel super computer applications laboratory for advanced research) которая занимается разработкой моделей так называемых суперкомпьютеров, необходимых для моделирования молекулярно-биологических процессов, представила свое новое "детище", суперкомпьютер Gen 2. Он, правда, пока является не реальной, а виртуальной машиной. То есть, пока существует лишь как модель, построенная его предшественником, суперкомпьютером Gen 1.

Следует заметить, что лаборатория I-SCALARE появилась следующим образом. В 2010 году сотрудник корпорации Intel Владимир Пентковский (он известен тем, что в свое время разработал известный всем процессор Pentium III) совместно с учеными из МФТИ подал на конкурс, объявленный Минобрнауки РФ в рамках постановления правительства Российской Федерации №220 "О мерах по привлечению ведущих ученых в российские образовательные учреждения высшего профессионального образования", программу исследований. Она включала в себя разработку суперкомпьютера, который мог бы помочь исследованиям биофизиков, молекулярных биологов и фармакологов, а именно — моделировать сложные процессы, происходящие в живых системах на молекулярном уровне.

Этот проект вошел в число победителей (а всего таковых было сорок, тогда как исходных заявок было пятьсот), в результате чего Пентковский и его коллеги получили грант на 150 миллионов рублей. Данные деньги пошли на создание лаборатории на базе МФТИ (той самой I-SCALARE) и проведение заявленных в проекте исследований. И вот, наконец-то, ученые смогли представить первые результаты своей нелегкой, но, следует заметить, весьма интересной работы.

На пресс-конференции, которая прошла в МФТИ, ректор данного вуза Николай Николаевич Кудрявцев отметил, что, с его точки зрения, все пока складывается удачно. Даже несмотря на то, что суперкомпьютер Gen 2, который и планируется создать, пока еще является всего лишь виртуальной машиной, на его предшественнике удалось достигнуть значительных результатов. Все это, по его мнению, служит лишним доказательством того, что предложенная правительством РФ программа по привлечению в отечественные вузы ведущих зарубежных ученых показала свою полную эффективность в деле модернизации российской науки.

Выступивший далее сам разработчик суперкомпьютера, руководитель I-SCALARE Владимир Мстиславович Пентковский рассказал о том, как шел процесс создания этой "умной машины". Сначала был сконструирован предшественник, суперкомпьютер Gen 1, который состоит из 16 вычислительных узлов и обладает производительностью в 2,5 TFLOPS (1 TFLOPS означает то, что машина за секунду может совершить триллион операций).

Каждый такой узел представляет собой платформу, на которой размещены два процессора Intel^{^{^®}}Xeon^{^{^®}} 5680 с тактовой частотой 3,33 ГГц. На каждом узле также имеется 36 ГБ оперативной памяти и система хранения данных емкостью в 3 ТБ. Коммуникационная же сеть, обеспечивающая взаимодействие узлов, построена на базе интерфейса Infiniband QDR, который обеспечивает очень высокую скорость передачи данных.

Однако самым интересным в Gen 1 является его система охлаждения. Она представляет собой не шумную толпу вентиляторов (как на обычных компьютерах), а систему трубок, по которым подается охлаждающая жидкость (водный раствор гликолей). Эта жидкость, отведя тепло от платформы (то есть охладив ее), с помощью насосов поступает в расположенную на улице холодильную установку.

Данный способ жидкостного охлаждения является собственной разработкой специалистов из отечественной группы компаний РСК. Аналогов ей нет во всем мире. Эксперименты показали, что такая система дает рекордный показатель эффективности использования электроэнергии (PUE) — он менее 1,2 (это значит, что на охлаждение используется не более 20 процентов потребляемой машиной энергии), в то время как обычно PUE составляет 1,5-2,0. Именно благодаря этой уникальной разработке специалистов из РСК и стало возможно функционирование Gen 1 — при других системах охлаждения он достаточно быстро бы "сгорел".

Владимир Мстиславович также рассказал о том, что основной задачей Gen 1 является моделирование суперкомпьютера Gen 2. Производительность данной машины будет равна 30 TFLOPS, и состоять она будет из 128 узлов! Конечно же, суперкомпьютер тоже будет снабжен системой жидкостного охлаждения от РСК, без нее он просто не сможет функционировать. Эта замечательная машина сможет решить самые сложные задачи, которые стоят перед биофизиками и молекулярными биологами.

Однако даже Gen 1 уже может весьма много. Выступивший на пресс-конференции руководитель исследовательской группы из Института биоорганической химии Роман Гербертович Ефремов рассказал, что с помощью существующего компьютера его команда смогла смоделировать процесс внедрения белка в оболочку бактерии. Роман Гербертович Ефремов и его коллеги исследуют так называемые природные антибиотики — пептиды, выделяемые бактериями для того, чтобы уничтожать своих сородичей (врагов или конкурентов).

Этот природный антибиотик имеет высокую избирательность действия — он связывается с определенным белком на мембране бактерии и, внедряясь в нее, делает дырку, сквозь которую содержимое клетки микроорганизма выплескивается наружу. Причем использование данного антибиотика имеет два преимущества перед традиционными лекарствами.

Во-первых, он не вредит клеткам эукариотного организма (в их мембране нет белков, с которыми он мог бы связаться), убивая лишь бактерий, а во-вторых, за миллионы лет бактерии так и не смогли выработать резистентность к этому пептиду. Если бы люди смогли создать аналогичное лекарство, то любая бактериальная инфекция была бы побеждена в считаные дни. Но перед тем, как приступить к синтезу аналога данного пептида, нужно детально изучить его воздействие на бактерию. Этим-то и занимается группа Ефремова — ученые моделируют процесс проникновения пептида в мембрану.

Так вот, с помощью Gen 1 удалось построить модель начальной стадии проникновения белка в мембрану. В реальности этот процесс занимает 250 наносекунд, однако и это достаточно сложно рассчитать на обычном компьютере. Г-н Ефремов продемонстрировал видеоролик, который отображает данную модель, — действительно, процесс проникновения был отображен во всех подробностях.

Сотрудник исследовательской группы химического факультета МГУ им. Ломоносова Дмитрий Осолодкин рассказал, что с помощью Gen 1 им удалось построить модель изменения конфигурации оболочки вируса лихорадки Денге перед его проникновением в клетку. Исследователи предполагают, что при этом его гладкая оболочка начинает формировать своеобразные шипы, которыми вирус и цепляется за клеточную мембрану. Им удалось рассчитать поведение 700 тысяч атомов (всего в процессе их участвует 20 миллионов), то есть отобразить начальную стадию формирования шипа.

Г-н Осолодкин выразил надежду, что с помощью Gen 2 можно будет смоделировать весь процесс целиком. А если это будет сделано — тогда ученые смогут разработать противовирусный препарат, который будет препятствовать формированию этих шипов и, следовательно, не допустит заражения клетки вирусом. И хотя лихорадка Денге не встречается на территории России, однако родственные вирусы (например, возбудитель клещевого энцефалита) ведут себя при проникновении в клетку точно так же — значит, препарат сможет одолеть и их.

Когда корреспондент "Правды.Ру", присутствовавший на пресс-конференции, спросил исследователей, насколько достоверными оказываются подобные модели, коллега Дмитрия Осолодкина Владимир Александрович Палюлин рассказал, что ему удалось с помощью Gen 1 смоделировать процесс работы каналов мембраны нервных клеток, которые поглощают кальций. Нужно было создать вещество, которое тормозило бы их активность (ибо иногда, например, у людей пожилого возраста, излишнее количество кальция, поглощаемое нейронами, убивает их). И вот, на основе модели работы каналов данное вещество было создано. В экспериментах оно повело себя именно так, как и предполагали ученые, — снизило активность канала ровно настолько, насколько и планировалось. Такое попадание в точку с первого раза говорит о том, что уже с помощью Gen 1 можно создавать весьма достоверно отражающие реальные процессы модели. А то ли еще будет, когда моделированием займется Gen 2!

Читайте также: Биомедицинские технологии будущего

Итак, новый суперкомпьютер от I-SCALARE, по прогнозам сотрудников лаборатории, будет создан уже в этом году. И тогда ученые смогут увидеть то, что скрыто от человеческого глаза, — ведь моделирование процессов, происходящих на молекулярном уровне, раскрывает перед исследователями тайны микромира. От раскрытия которых, как известно, зависит жизнь и здоровье вполне себе "макроскопических" объектов, в том числе и людей…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"