淺論領(lǐng)域高性能計(jì)算的引進(jìn)及應(yīng)用情況介紹

1、淺論領(lǐng)域高性能計(jì)算的引進(jìn)及應(yīng)用情況介紹 【關(guān)鍵詞】 中醫(yī)藥高性能計(jì)算；科研工具；計(jì)算機(jī)科學(xué)高性能計(jì)算是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支,研究并行算法和開(kāi)發(fā)相關(guān)軟件,致力于開(kāi)發(fā)高性能計(jì)算機(jī)。在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天,高性能計(jì)算已經(jīng)成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展和重大工程設(shè)計(jì)中具有戰(zhàn)略意義的研究手段,它與傳統(tǒng)的理論研究和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)一起構(gòu)成了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工程設(shè)計(jì)中互相補(bǔ)充、互相關(guān)聯(lián)的研究方法,提高了科學(xué)研究的能力,促進(jìn)和推動(dòng)了現(xiàn)代科學(xué)與工程技術(shù)的發(fā)展。美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在高性能計(jì)算方面發(fā)展很快,并一直把它作為國(guó)家戰(zhàn)略給予高度重視,在國(guó)家層面予以組織實(shí)施。目前,高性能計(jì)算在國(guó)內(nèi)外很多領(lǐng)域已經(jīng)取得了大量應(yīng)用成果。在生命科學(xué)領(lǐng)域,高

2、性能計(jì)算在探究基因奧秘、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、生物信息以及醫(yī)藥設(shè)計(jì)等方面已經(jīng)成為不可或缺的輔助工具；此外,將生命科學(xué)和信息科學(xué)進(jìn)行結(jié)合,從而為生物醫(yī)學(xué)提供有價(jià)值的信息作為參考依據(jù)更是被一些主流研究機(jī)構(gòu)視為重要的應(yīng)用。目前,我國(guó)的高性能計(jì)算雖然與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大的差距,但在很多的科技領(lǐng)域已經(jīng)通過(guò)有效地引進(jìn)和運(yùn)用高性能計(jì)算取得了很多的科研成果。 鑒于目前高性能計(jì)算在國(guó)內(nèi)外的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院中醫(yī)藥信息研究所在2007年10月購(gòu)置和引進(jìn)了中醫(yī)藥行業(yè)第一套高性能計(jì)算系統(tǒng)曙光TC 2600刀片服務(wù)器。該系統(tǒng)具有50個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn),2個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)節(jié)點(diǎn),1個(gè)I/O節(jié)點(diǎn),1個(gè)管理節(jié)點(diǎn),一個(gè)登陸節(jié)點(diǎn),共計(jì)55

3、個(gè)節(jié)點(diǎn),存貯達(dá)4 T容量,峰值浮點(diǎn)計(jì)算能力11 800億次/s,實(shí)測(cè)并行性能8 600億次/s。在2007年12月完成了設(shè)備的驗(yàn)貨、安裝、調(diào)試、測(cè)試、驗(yàn)收,目前已經(jīng)測(cè)試運(yùn)行了Linpack、PMB、IOzone、Stream等程序,以及生物計(jì)算領(lǐng)域的VASP應(yīng)用程序；安裝了中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所開(kāi)發(fā)的網(wǎng)格軟件GOS3.0,目前正在與浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)系合作進(jìn)行中醫(yī)藥網(wǎng)格的研制和開(kāi)發(fā)工作。 系統(tǒng)硬件配置：曙光TC 2600刀片服務(wù)器,2*AMD Opteron 2218雙核CPU,4 GB內(nèi)存；80 G硬盤(pán),千兆以太網(wǎng)卡,共50臺(tái)刀片機(jī)組成；I/O管理節(jié)點(diǎn)2臺(tái)；登錄節(jié)點(diǎn)1臺(tái)；數(shù)據(jù)庫(kù)節(jié)點(diǎn)2臺(tái),4*A

4、MD Opteron 8214雙核,16 G內(nèi)存,73 G硬盤(pán)兩塊；Infiniand 10 G網(wǎng)絡(luò)1套；磁盤(pán)陣列：300 GB FC硬盤(pán)8塊,500 GB SATAII硬盤(pán)8塊。 系統(tǒng)軟件配置：LINUX操作系統(tǒng) Redhat企業(yè)版1套；曙光刀片管理軟件1套；集群系統(tǒng)軟件：曙光集群系統(tǒng)管理軟件(DCMS)1套,曙光集群系統(tǒng)部署軟件(DCIS)1套,并行命令軟件(MTERM)1套,作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)(DPBS/Torque)1套；雙機(jī)高可用軟件RoseHA 1套；GNU C/C+編譯器1套；GNU Fortran77/90編譯器1套；DataDisplay Debugger 1套；CodeAnaly

5、st系統(tǒng)性能分析工具1套；OpenMPI 1套；Mvapich 1套；MPICH/Lam-MPI 1套；PVM 1套；ACML 1套；APL 1套；LAPACK,ScaLAPACK 1套；HDF5 1套；BLAS、GOTO、Atlas 1套。 這套系統(tǒng)是目前我國(guó)中醫(yī)藥行業(yè)引進(jìn)的第一套高性能計(jì)算設(shè)備,由于中醫(yī)藥行業(yè)的獨(dú)特性,目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有這方面成熟的行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可供參考,如何使高性能計(jì)算盡快成功應(yīng)用于中醫(yī)藥行業(yè),目前還面臨著許多開(kāi)創(chuàng)性的工作。希望能夠通過(guò)借鑒目前國(guó)內(nèi)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一些成功應(yīng)用,為加快高性能計(jì)算在中醫(yī)藥行業(yè)的應(yīng)用、普及和提高提供些有益的幫助和借鑒。 上海超級(jí)計(jì)算中心：上海超級(jí)計(jì)算

6、中心成立于2000年12月,由上海市政府投資建設(shè),座落于浦東張江高科技開(kāi)發(fā)園區(qū)內(nèi),是國(guó)內(nèi)第一個(gè)面向社會(huì)開(kāi)放,資源共享、設(shè)施一流、功能齊全的高性能計(jì)算公共服務(wù)平臺(tái),目前已經(jīng)在氣象預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)、生命科學(xué)、汽車(chē)、新材料、土木工程、物理、化學(xué)、航空、航天、船舶等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域取得了一批重大成果,發(fā)揮了重要作用。 上海藥物研究所：中國(guó)科學(xué)院上海藥物研究所藥物發(fā)現(xiàn)與設(shè)計(jì)中心成立于2001年,是一個(gè)以基因信息和蛋白結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),以藥物設(shè)計(jì)、化學(xué)合成和現(xiàn)代生物技術(shù)為主要研究手段的創(chuàng)新藥物研發(fā)中心。該中心除了擁有大量先進(jìn)的用于分子生物學(xué)和藥物研究的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備,以及SGI(64個(gè)CPU)和國(guó)產(chǎn)“神威”高性能計(jì)算機(jī)

7、之外,還擁有最先進(jìn)的分子模擬和藥物設(shè)計(jì)軟件,如：InsightII、Catalyst、TOPKAT、Sybyl和DOCK等。此外,他們還利用MDL公司所提供的“藥物數(shù)據(jù)報(bào)道數(shù)據(jù)庫(kù)(MDDR)”、“綜合藥物化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)(CMC)”、“化合物篩選數(shù)據(jù)庫(kù)(ACD-SC)”和自主開(kāi)發(fā)的“中國(guó)天然產(chǎn)物數(shù)據(jù)庫(kù)(CNPD)”等數(shù)據(jù)庫(kù),建立了超過(guò)250萬(wàn)個(gè)化合物的大型藥物虛擬篩選數(shù)據(jù)系統(tǒng)。在抗SARS科研攻關(guān)中,他們參加了抗SARS的藥物研究,在探索SARS病毒的致病機(jī)理、藥物設(shè)計(jì)、虛擬篩選和分子水平篩選的工作中高性能計(jì)算發(fā)揮了非常重要的作用。 此外,中國(guó)科學(xué)院院上海藥物研究所沈建華等學(xué)者密切注意國(guó)際網(wǎng)格技術(shù)發(fā)

8、展動(dòng)向,及時(shí)組織跨學(xué)科、跨科研院所和跨地區(qū)的交叉學(xué)科研究隊(duì)伍,開(kāi)展高性能藥物研發(fā)網(wǎng)格技術(shù)研究,該項(xiàng)研究2002年獲得“863”計(jì)劃“高性能計(jì)算機(jī)及其核心軟件專(zhuān)項(xiàng)”的支持,研究人員針對(duì)高通量虛擬篩選計(jì)算量和數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn),開(kāi)展了藥物設(shè)計(jì)網(wǎng)格的各種關(guān)鍵技術(shù)的研究,建立了“新藥研發(fā)應(yīng)用網(wǎng)格”技術(shù)平臺(tái)。目前,上海、北京和香港地區(qū)的多個(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)機(jī)群等計(jì)算資源已經(jīng)加入這一平臺(tái),形成了超過(guò)每秒萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算能力的應(yīng)用網(wǎng)格系統(tǒng)。上海藥物研究所將自己開(kāi)發(fā)的高通量虛擬篩選軟件進(jìn)行了異機(jī)(不同型號(hào)的計(jì)算機(jī)之間)并行化,安裝在該技術(shù)平臺(tái)上；同時(shí),在該平臺(tái)上還安裝了含有120萬(wàn)個(gè)化合物信息的數(shù)據(jù)庫(kù)和各類(lèi)藥物靶

9、標(biāo)蛋白結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù),在該平臺(tái)上開(kāi)展了多項(xiàng)國(guó)際合作研究。新藥研發(fā)網(wǎng)格的建立,為真正實(shí)現(xiàn)公共計(jì)算和數(shù)據(jù)資源的共享奠定了基礎(chǔ),對(duì)創(chuàng)新藥物研究具有重要的意義。 國(guó)家新藥篩選中心：國(guó)家新藥篩選中心應(yīng)用先進(jìn)的高通量和高內(nèi)涵藥物篩選技術(shù),對(duì)我國(guó)特有的化合物樣品庫(kù)(包括中藥在內(nèi)的天然產(chǎn)物)在高性能計(jì)算平臺(tái)上實(shí)施大規(guī)模隨機(jī)篩選。在對(duì)篩選發(fā)現(xiàn)的活性化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)治療腫瘤、中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病和代謝性疾病的原創(chuàng)新藥。該中心在國(guó)際合作方面不斷取得進(jìn)展,如在與瑞士actelion 醫(yī)藥公司的合作中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)至今尚未見(jiàn)報(bào)道的神經(jīng)調(diào)節(jié)膚 u-1受體選擇性小分子激動(dòng)劑；與日本田邊制藥株式會(huì)社開(kāi)展原創(chuàng)藥物篩選合

10、作研究中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)具有高度生物活性、結(jié)構(gòu)全新的煙堿型乙酰膽堿受體的小分子調(diào)節(jié)劑；與美國(guó)celloinks公司建立了戰(zhàn)略伙伴關(guān)系,建立了我國(guó)首個(gè)具有國(guó)際先進(jìn)水平的高內(nèi)涵藥物篩選技術(shù)平臺(tái)并投入實(shí)用。這些成績(jī)不僅提升了我國(guó)新藥研究的技術(shù)水平和國(guó)際知名度,而且為相關(guān)先導(dǎo)化合物的下游開(kāi)發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 復(fù)旦張江新藥篩選及評(píng)價(jià)研發(fā)平臺(tái)：在新藥篩選及評(píng)價(jià)研發(fā)平臺(tái)的基礎(chǔ)上,復(fù)旦張江與中國(guó)藥物研發(fā)領(lǐng)域的頂級(jí)機(jī)構(gòu)之一中國(guó)科學(xué)院藥物研究所合作成立了“上海先導(dǎo)藥業(yè)有限公司”。為了更加快速主動(dòng)地尋找有可能成為新藥的化合物,復(fù)旦張江在技術(shù)上利用計(jì)算化學(xué)、組合化學(xué)等高效篩選技術(shù)建立了不同層次的藥物篩選和評(píng)價(jià)模型,在高性

11、能計(jì)算平臺(tái)上對(duì)有可能成為新藥的化合物進(jìn)行篩選和評(píng)價(jià),成功建立了新藥篩選及評(píng)價(jià)研發(fā)平臺(tái)。 華中科技大學(xué)浪潮高性能生物信息中心：2003年華中科技大學(xué)由浪潮北京電子信息產(chǎn)業(yè)公司捐助建設(shè)的“華中科技大學(xué)-浪潮高性能生物信息中心”正式啟用,該中心引進(jìn)了亞太區(qū)第一套基于Infiniband高速互聯(lián)技術(shù)的浪潮天梭TS10000高性能系統(tǒng),主要用于生物信息學(xué)中的科學(xué)計(jì)算、模擬和可視化研究,構(gòu)建大型生物信息數(shù)據(jù)中心。 北京生物醫(yī)學(xué)研究所：北京生物醫(yī)學(xué)院研究所與高性能計(jì)算廠(chǎng)商蜆殼星盈合作,引入了星盈億萬(wàn)次實(shí)時(shí)協(xié)作式超級(jí)刀片計(jì)算機(jī)系統(tǒng)并建立了具備國(guó)際領(lǐng)先水平的生物科學(xué)超級(jí)計(jì)算和研究中心,為科研人員的研究課題提供了

12、強(qiáng)大計(jì)算服務(wù)平臺(tái)。 中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所：昆明動(dòng)物研究所是中國(guó)科學(xué)院所屬的20多個(gè)生物類(lèi)研究所之一,也是國(guó)內(nèi)一流的動(dòng)物研究機(jī)構(gòu)之一。他們購(gòu)置了一套曙光峰值運(yùn)算能力為2.75萬(wàn)億/s的高性能計(jì)算系統(tǒng),幫助研究所打造我國(guó)生物資源和生物多樣性研究基地。 北京放射醫(yī)學(xué)院研究所：北京放射醫(yī)學(xué)院研究所與國(guó)內(nèi)知名刀片高性能計(jì)算服務(wù)器廠(chǎng)商蜆殼星盈合作,引入了星盈億萬(wàn)次實(shí)時(shí)協(xié)作式超級(jí)刀片計(jì)算機(jī)系統(tǒng),并建立了具備國(guó)際領(lǐng)先水平的生物科學(xué)超級(jí)計(jì)算和研究中心,為科研人員的研究課題提供了強(qiáng)大計(jì)算服務(wù)平臺(tái)。 北京生命科學(xué)研究所：北京生命科學(xué)研究所由科技部、發(fā)改委、教育部、中國(guó)科學(xué)院等8個(gè)部委共同籌建,主要從事生物大分子

13、方面的研究,發(fā)表在科學(xué)、自然、細(xì)胞等生命科研領(lǐng)域的國(guó)際頂尖雜志上的論文數(shù)量居國(guó)內(nèi)首位。目前對(duì)生物大分子進(jìn)行深入研究,從原子水平上來(lái)掌握生物大分子的三維結(jié)構(gòu)和生物功能之間的關(guān)系,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行藥物設(shè)計(jì),是近年國(guó)際生物醫(yī)藥研究的前沿課題,也是該所重要的科研方向之一。大分子是目前自然界物質(zhì)結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的分子,一個(gè)生物大分子及其環(huán)境組成的系統(tǒng)往往包括幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)個(gè)原子,高性能計(jì)算的應(yīng)用在研究中起到重要的作用。他們購(gòu)置了擁有102個(gè)節(jié)點(diǎn)的浪潮天梭高性能集群,通過(guò)該計(jì)算平臺(tái),利用上百個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行并行計(jì)算可提高模擬效率幾十倍,過(guò)去利用單機(jī)工作站幾天才能完成的實(shí)驗(yàn)?zāi)M,現(xiàn)在幾個(gè)小時(shí)就可以完成,大大提高了科研的進(jìn)

14、度。 北京大學(xué)生命學(xué)院：以北京大學(xué)生命學(xué)院為龍頭的一些生物科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)加入了有關(guān)的國(guó)際組織,并在網(wǎng)格上分享現(xiàn)代生物信息資源,開(kāi)展了應(yīng)用高性能網(wǎng)格計(jì)算建立生物信息學(xué)中心的配套研究工作。 北京華大基因研究中心：北京華大基因研究中心成立于1999年9月,該中心長(zhǎng)期致力于基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、生物信息學(xué)方面的研究,目前所從事的基因組測(cè)序與組裝、基因預(yù)測(cè)、基因功能分析等課題,都是超大規(guī)模的海量計(jì)算。有些計(jì)算任務(wù)如果使用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)需要1個(gè)月,甚至1年的時(shí)間才能完成,所以只有引進(jìn)高性能計(jì)算產(chǎn)品才能滿(mǎn)足研究中心的計(jì)算任務(wù)。華大研究中心使用了與中國(guó)科學(xué)院計(jì)算所聯(lián)合研制,專(zhuān)門(mén)為生物信息學(xué)研究使用的“曙光4000 H”高性能計(jì)算系統(tǒng),以及IBM、Sun等廠(chǎng)商的高性能計(jì)算產(chǎn)品,他們利用這些高性能計(jì)算系統(tǒng)完成了1%人類(lèi)基因組計(jì)劃、超級(jí)雜交水稻基因組測(cè)序等諸多科研項(xiàng)目。 北京醫(yī)學(xué)信息研究所：北京醫(yī)學(xué)信息研究所與蜆殼星盈合作建立了生物醫(yī)學(xué)超級(jí)計(jì)算與研究中心,引進(jìn)了一套星盈萬(wàn)億次實(shí)時(shí)協(xié)作式超級(jí)刀片計(jì)算機(jī)系統(tǒng),研究人員在超級(jí)刀片計(jì)算平臺(tái),使用Blat、EstAlign等程序研究基因轉(zhuǎn)錄和可變剪接等問(wèn)題時(shí),利用56個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)并行運(yùn)行Blat,僅耗時(shí)7.5 h就可完成UniGene數(shù)據(jù)庫(kù)中五百多萬(wàn)條人類(lèi)EST序列對(duì)基因組數(shù)據(jù)庫(kù)的比對(duì),而相同的任務(wù)若在一般的服務(wù)器上用雙CPU的PC服務(wù)器需要3周時(shí)間。 通