Проектът на д-р Пентковски

На 29 май на специална пресконференция за представители на медиите създадената през 2010 г. с безвъзмездна финансова помощ от правителството на България на базата на Московския физико-технологичен институт (МФТИ) лаборатория за суперкомпютърни технологии за биомедицина, фармакология и малки структури I-SCALARE (Intel super computer applications laboratory for advanced research) представи нови успешни резултати от своите научни изследвания, постигнати чрез използването на модернизиран енергоефективен суперкомпютър с пикова производителност от 41,57 TFLOPS (трилиони операции с плаваща запетая в секунда), базирана на усъвършенстваната RSC Tornado архитектура и новите сървърни процесори Intel® Xeon® E5-2600. Проектът се изпълнява с участието на служители на Московския физико-технологичен институт и Intel Corporation, а групата компании RSC разработи и инсталира иновативен компютърен клъстер, използван за провеждане на целия набор от изследвания в рамките на лабораторията.

Автор: Александър СЕМЕНОВ

Ще започна разказа за това събитие от неговия край, когатоДиректорът по корпоративни проекти на Intel Corporation Николай Местер и Александър Московски, Генерален директор на RSK Technologies, част от групата компании RSK, представиха на публиката нов суперкомпютър. Честно казано, впечатлението беше силно. Думата "суперкомпютър" обикновено извежда образа на огромна зала с шкафове, които бръмчат силно. Тук суперкомпютърът, класиран на 20-то място в списъка на най-мощните суперкомпютри в България, беше натъпкан в два компактни шкафа и благодарение на използването на технология за течно охлаждане не беше по-силен от малък вентилатор. Неслучайно Николай Местър каза, че това е истинска революция на пазара на суперкомпютри.

Обновен лабораторен клъстерI-SCALARE се състои от 112 изчислителни възли, базирани на два процесора Intel® Xeon® E5-2690 от ново поколение (общо 224 процесора, 1792 ядра). Използването на тези най-високопроизводителни модели на процесорите от новото семейство сървъри Intel® Xeon® E5-2600 стана възможно именно благодарение на използването на усъвършенствано течно охлаждане, което е в основата на архитектурата RSC Tornado. В същото време е предвидено голямо количество RAM на възел - 64 GB (в пилотната система беше 36 GB на възел), което е общо 7,1 TB RAM.

Този суперкомпютър на MIPT е базиран на иновативната RSC Tornado архитектура. Това е първото в света енергийно ефективно суперкомпютърно решение с усъвършенствано течно охлаждане за основни сървърни платки, базирани на Intel® Xeon® процесори, първоначално проектирани за традиционни електронни системи с въздушно охлаждане. Архитектурата RSC Tornado осигурява гъвкавост в конфигурацията на изчислителните възли със стандартни интерфейси и лекота на изграждане на решение, висока поддръжка (лесна замяна на RAM модули и увеличаване на обема й, надграждане до нови модели процесори), възможност за интегриране с всякакви външни продукти със стандартни интерфейси (PCI Express).

Сега да се върна към началото на пресконференцията. Биоинформатиката и моделирането на лекарства са сред най-бързо развиващите се области, където има спешна нужда от високопроизводителни изчисления на суперкомпютри. Значението на изследванията, проведени на базата на лабораторията I-SCALARE, се крие във факта, че пробиви в областта на новите методи за медицинска диагностика, лечение, създаване на нови лекарства и др. са възможни само с разработването на нови изчислителни модели и платформи, които вземат предвидспецифика на био-медико-фармацевтичните задачи. Съвместното изпълнение на този проект от персонала на Московския физико-технологичен институт, специалистите от корпорацията Intel и групата компании RSC несъмнено позволява да се изведат изследванията в тази област на ново ниво.

На пресконференция, проведена в MIPT с участието на Intel Corporation и групата компании RSC, бяха представени новите научни резултати, постигнати от екипа на лабораторията след началото на използването на модернизирания суперкомпютър, и перспективите за по-нататъшно развитие. С приветствено слово и разказ за задачите и перспективите за развитие на научната дейност на Факултета по радиотехника и кибернетика (ФРТК), при който е създадена лабораторията I-SCALARE, говори неговият деканСергей Николаевич Гаричев.

Корпорация Intel отдавна си сътрудничи активно с българските университети в областта на научните изследвания, въвеждането на нови учебни програми и формирането на иновационна екосистема чрез сътрудничество между университети и индустрия. Intel е базовата организация за Факултета по радиотехника и кибернетика на Московския физико-технологичен институт, така че съвместният проект с отпуснато държавно финансиране беше логично развитие на това сътрудничество.

Трябва да се отбележи, че лабораторията I-SCALARE извършва не само научна, но и образователна дейност. Нейният персонал е разработил курс за обучение за използването на симулатори за симулиране на различни изчислителни системи. Освен това в лабораторията редовно се провеждат научни семинари, а Владимир Пентковски става ръководител на няколко аспиранти и студенти от Московския физико-технологичен институт.

Например изследователска група, ръководена от професор Роман Ефремов от Института по биоорганична химия на Руската академия на науките, използва модернизиран компютърен клъстер на лабораториятаI-SCALARE в MIPT за изследване в дизайна на нов клас антимикробни съединения, базирани на естествени лантибиотици. Това казаучастникът в изследването Антон Чугунов. По време на разработването на този проект бяха получени изчисления и моделиране, микросекундни траектории на молекулярната динамика (MD) на мишената на антибиотично действие (молекули липид-II) в бактериалната мембрана. Използването на актуализирания суперкомпютър на лабораторията I-SCALARE позволява получаването на траектории с такава продължителност за системи, съдържащи повече от 50 хиляди атома, за около седмица. За сравнение, на изчислителен клъстер, базиран на процесори Intel® Xeon® E5450 от предишното поколение, който в момента се използва активно в IBCh RAS, такова изчисление ще отнеме около 100 дни, тоест сега, благодарение на високата производителност на новия изчислителен клъстер, скоростта на получаване на научни резултати се е увеличила повече от 14 пъти. Анализът на получените MD траектории позволи да се установят характерните особености на структурата на бактериалната мембрана. По-детайлно моделиране на взаимодействието на лантибиотиците с липид-II в мембраната ще бъде извършено тази година на модернизирания суперкомпютър на лабораторията I-SCALARE. В бъдеще такива изследвания могат да доведат до създаването на нов клас антибиотици, които не са податливи на появата на резистентност в бактериите.

Относно проблема с моделирането на структурата на протеиновата обвивка и молекулярната динамика на опасни за хората вируси от тип Flavivirus (например вирус на треска Денга) и процесите на тяхното взаимодействие с клетките на тялото, решени на новия мощен суперкомпютър на лабораторията I-SCALARE от учени от изследователската група на Химическия факултет на Московския държавен университет. М.В. Ломоносов под ръководството на академик Н.С. Зефиров, каза водещият изследователV.A.Палюлин. В хода на проведените изследвания са изградени молекулярни модели на вирионната мембрана и фрагмент от протеиновата обвивка, включваща милиони атоми. Това даде възможност да се получи информация за пространствената структура на вирусния протеин, която не е достъпна чрез експериментални методи, и след това да се анализира динамичното му поведение и свързването на молекули с него, които предотвратяват сливането на флавивируси с човешки клетки. На базата на такива модели беше извършено компютърно търсене на потенциални инхибитори на сливането на вируса на пренасяния от кърлежи енцефалит и бяха идентифицирани обещаващи съединения, които показаха необходимата активност при in vitro тестове. Като част от работата по проектирането на нови невропротективни вещества са изградени модели на пълната структура на NMDA рецептора, с помощта на суперкомпютър се симулира неговата молекулярна динамика във фосфолипидната мембрана с водна среда, както и взаимодействията с известни невропротектори (системата включва стотици хиляди атоми). Изследвани са закономерностите на връзката между тяхната структура и активност, предложен е възможен механизъм на действие на рецепторните модулатори и на тази основа се търсят нови перспективни структури с невропротективна активност. Такива структури могат да послужат като основа за създаването на бъдещи лекарства за лечение на тежки невродегенеративни заболявания, по-специално болестта на Алцхаймер.

Григорий Речистов, аспирант от Московския физико-технологичен институт,говори за принципите на моделиране на архитектури и постигнатите резултати. Основният резултат от изследването на групата за моделиране е разработването на методология за изучаване на работата на приложенията на суперкомпютърни изчислителни системи от следващо поколение предварително, дори преди те да са физически достъпни. Получените досега експериментални резултати ни позволяват да характеризираме напълно възможността за работаприложения на изчислителни системи, които включват 16 пъти повече процесорни ядра, отколкото физически присъстват в използвания клъстер. По този начин техниката прави възможно изучаването на компютърни системи с производителност до 665 TFLOPS. Технологиите за моделиране на компютърни системи, разработени на базата на софтуерния продукт Wind River Simics, ще позволят на архитектите и потребителите на суперкомпютърни системи да разполагат със средствата за измерване на цялостната производителност, намиране на „тесните места“, които я ограничават, и оценка на ефектите от използването на оптимизации. В резултат на такъв анализ става възможно да се вземат решения относно пригодността на избраната хардуерна конфигурация за решаване на практически научни проблеми.