Лаборатория I-SCALARE в МФТИ достигла новых исследовательских успехов

Биоинформатика и моделирование лекарственных препаратов являются одними из самых быстрорастущих областей, где существует острая необходимость использования высокопроизводительных вычислений на суперкомпьютерах. 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, несомненно, 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 Николаевич Кудрявцев, ректор Московского физико-технического института. – Профессионализм, целеустремленность и энтузиазм команды способствуют успешному решению поставленных задач». 

Новые научные результаты, достигнутые сотрудниками лаборатории после начала использования модернизированного суперкомпьютера, и дальнейшие перспективы развития были представлены в рамках пресс-конференции, проведенной в МФТИ при участии корпорации Intel и группы компаний РСК. С приветственным словом и рассказом о задачах и перспективах развития научной деятельности Факультета радиотехники и кибернетики (ФРТК), при котором была создана лаборатория I-SCALARE, выступил его декан Сергей Николаевич Гаричев. 

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. 

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. 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. 

О задаче моделирования структуры белковой оболочки и молекулярной динамики опасных для человека вирусов типа Flavivirus (например, вируса лихорадки Денге) и процессов их взаимодействия с клетками организма, решаемой на новом мощном суперкомпьютере лаборатории I-SCALARE учеными исследовательской группы химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова под руководством академика Н.С. Зефирова, рассказал ведущий научный сотрудник В.А. 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. На основе таких моделей осуществлён 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). 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. Такие структуры могут послужить основой для создания в будущем препаратов для лечения тяжелых нейродегенеративных заболеваний, в частности болезни Альцгеймера. 

О принципах моделирования архитектур и достигнутых результатах рассказал сотрудник лаборатории, аспирант МФТИ Григорий Речистов. 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 TFLOPS. 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. 

Создание инновационного вычислительного кластера в МФТИ 

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, в рамках контракта с МФТИ разработала и установила в 2011 году в лаборатории суперкомпьютерных технологий для биомедицины, фармакологии и малоразмерных структур I-SCALARE пилотную систему на базе передовой архитектуры «РСК Торнадо» и процессоров предыдущего поколения семейства Intel Xeon 5600. В этом году она была модернизирована до уровня мощного вычислительного кластера, представляющего собой законченное решение класса «РСК миниЦОД» с пиковой производительностью 41,57 TFLOPS. Эта система занимает 20 место в текущей редакции списка Top50 самых высокопроизводительных суперкомпьютеров России и стран СНГ (март 2012 г.). 

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 этих самых высокопроизводительных моделей процессоров нового серверного семейства Intel Xeon E5-2600 стало возможным именно 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. 

Как рассказал Александр Московский, генеральный директор компании «РСК Технологии», входящей в группу компаний РСК, этот суперкомпьютер МФТИ основан на инновационной архитектуре «РСК Торнадо». Это первое в мире энергоэффективное суперкомпьютерное решение с передовым жидкостным охлаждением для массово доступных стандартных серверных плат на базе процессоров Intel Xeon, изначально создававшихся для традиционных систем с воздушным обдувом электронных компонент. Архитектура «РСК Торнадо» обеспечивает гибкость конфигурации вычислительных узлов со стандартными интерфейсами и простоту построения решения, высокую ремонтопригодность (простота замены модулей оперативной памяти и увеличения ее объема, обновление на новые модели процессоров), возможность интеграции с любыми внешними изделиями со стандартными интерфейсами (PCI Express). 

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 этот вычислительный кластер следующими уникальными характеристиками:

• Простота и высокая надежность;

• Экономическая эффективность;

• Высокая энергоэффективность – рекордный показатель эффективности использования электроэнергии (PUE) менее 1,2, то есть не более 20% энергопотребления будет расходоваться на охлаждение;

• Компактность и высокая плотность;

• Большой коэффициент вычислительной эффективности – более 90% на тесте LINPACK;

• Высокая масштабируемость;

• Возможность использования ускорителей (архитектуры Intel MIC). 

Об истории создания лаборатории I-SCALARE в МФТИ 

В 2010 г. сотрудник корпорации Intel Владимир Пентковский совместно с учеными МФТИ представил на конкурс, объявленный Министерством образования и науки РФ в рамках выполнения постановления правительства России №220**, программу по исследованию и разработке программно-аппаратных архитектур, которые были бы максимально эффективны при решении сложных задач биоинформатики и фармакологии, требующих больших вычислительных ресурсов. Владимир Пентковский, известный разработчик программно-аппаратных архитектур, заслуженный исследователь Intel, обладает большим опытом создания научных коллективов в России, США и Индии. Он владеет 40 международными патентами, что подтверждает его высокий авторитет. Проект доктора Пентковского, выступившего руководителем проектной команды, вошел в число 40 победителей и получил грант в размере 150 млн. руб. на создание лаборатории в МФТИ и проведение исследований по предложенному им проекту. Всего на конкурс было подано более 500 заявок. 

Корпорация Intel на протяжении продолжительного времени активно сотрудничает с российскими вузами в сфере научных исследований, внедрения новых учебных программ, формирования экосистемы инноваций через кооперацию высших учебных заведений и индустрии. Intel является базовой организаций для факультета радиотехники и кибернетики МФТИ, поэтому совместный проект с выделенным государственным финансированием стал логическим развитием этого сотрудничества. 

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.