Долгопрудный, 14 декабря 2012 г. — 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.
«Корпорация Intel активно сотрудничает с российскими вузами в сфере научных исследований. В частности, Intel является базовой организаций для факультета радиотехники и кибернетики МФТИ, и совместный проект по созданию лаборатории I-SCALARE с выделенным государственным финансированием стал логическим продолжением нашего сотрудничества, – говорит Камиль Исаев , генеральный директор по исследованиям и разработкам корпорации Intel в России. –Благодаря совместной деятельности сотрудников МФТИ, Intel, РСК и российских ученых за три года работы лаборатория достигла существенных результатов в области исследования и разработки программно-аппаратных архитектур и решения био-медико-фармацевтических задач.
Лаборатория создана на базе МФТИ в 2010 году в рамках гранта Министерства образования и науки РФ[1] 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 установенный 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 (исполнители А. Чугунов, Д. Нольде, Д. Пыркова, А. Полянский). 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 2,2×105 атомов) систем на длительных (до 1 мкс) траекториях молекулярной динамики.
Благодаря значительным вычислительным возможностям кластера лаборатории I-SCALARE группе, возглавляемой академиком Николаем Зефировым и ведущим научным сотрудником, к.х.н. Владимиром Палюлиным, удалось выполнить пионерские работы в двух областях – моделирование оболочки флавивирусов (исполнители Д. Осолодкин, Е. Дуева) и молекулярная динамика важнейшего нейрорецептора NMDA (Е. Радченко, Д. Карлов).
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.
О корпорации Intel
Корпорация Intel — ведущий мировой производитель инновационных полупроводниковых компонентов — разрабатывает технологии, продукцию и инициативы, направленные на постоянное повышение качества жизни людей и совершенствование методов их работы. Дополнительную информацию о корпорации Intel можно найти на веб-сайте www.intel.ru/pressroom и на русскоязычном сервере (http://www.intel.ru).
О МФТИ
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.
С самого основания в Московском физико-техническом институте используется оригинальная система подготовки специалистов, получившая широкую известность как “система Физтеха”. Дополнительную информацию о МФТИ можно найти на Web-сайте http://mipt.ru/.
О группе компаний РСК
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. Дополнительную информацию можно найти на Web-сайте www.rscgroup.ru.
Intel и логотип Intel являются товарными знаками корпорации Intel в США и других странах.
* Другие торговые марки и товарные знаки являются собственностью их законных владельцев.
[1] Договор о гранте № 11.G34.31.0016 Министерства образования и науки РФ, выделенном согласно постановлению № 220 Правительства России «О мерах по привлечению ведущих ученых в российские образовательные учреждения высшего профессионального образования»
О сотрудничестве корпорации Intel и Московского физико-технического института
Деятельность Intel в России началась в Москве в 1991 году. Сейчас в 4 центрах компании, расположенных в Москве, Нижнем Новгороде, Новосибирске и Санкт-Петербурге, работает около 1000 сотрудников. Львиную долю (около 900 человек) составляют инженеры и программисты подразделения Intel Software and Services Group (SSG). Это подразделение занимается разработкой программного обеспечения (компиляторов, библиотек, средств распараллеливания, анализаторов производительности и др.). Его возглавляет кандидат физико-математических наук, генеральный директор по исследованиям и разработкам корпорации Intel в России Камиль Исаев.
В задачи российского подразделения Intel Software and Services Group входит также укреплением связей с «экосистемой» – российской ИТ-индустрией, университетами, Академией наук, релевантными госкорпорациями и профильными министерствами. При активном участии Intel Software and Services Group развивается сотрудничество с Московским физико-техническим институтом (МФТИ).
С 2005 года при МФТИ функционирует базовая кафедра «Микропроцессорные технологии» под руководством члена-корреспондента РАН, профессора, доктора технических наук, директора по архитектуре, выпускника МФТИ Бориса Арташесовича Бабаяна и лаборатория Intel.
На базовой кафедре «Микропроцессорные технологии» работают 11 преподавателей (9 из них сотрудники Intel). Для студентов 3-6 курсов они проводят лекционные занятия по вопросам создания вычислительной техники (аппаратных средств, операционных систем, компиляторов, эмуляторов, мультимедийных приложений и т.д.). Ежегодно выпускниками кафедры становятся 8-10 студентов, из них около 70-80% сразу же принимаются в штат Intel.
Лаборатория Intel в МФТИ создана для студентов 1 и 2 курсов. Ежегодно в работе лаборатории принимают участие 70-80 студентов. Они выполняют научно-технические проекты, представляющие собой упрощенные аналоги реальных проектов, проводимых в Intel. В результате тщательного ступенчатого конкурсного отбора только 10 студентов, прошедших подготовку в лаборатории, принимаются на кафедру «Микропроцессорные технологии» и зачисляются в штат временных сотрудников Intel. Руководят деятельностью лаборатории сотрудники Intel – волонтеры (они же аспиранты и студенты МФТИ).
О корпорации Intel
Корпорация Intel — ведущий мировой производитель инновационных полупроводниковых компонентов — разрабатывает технологии, продукцию и инициативы, направленные на постоянное повышение качества жизни людей и совершенствование методов их работы. Дополнительную информацию о корпорации Intel можно найти на веб-сайте www.intel.ru/pressroom и на русскоязычном сервере (http://www.intel.ru).
Intel и логотип Intel являются товарными знаками корпорации Intel в США и других странах.
* Другие торговые марки и товарные знаки являются собственностью их законных владельцев.