淺論領域高性能計算的引進及應用情況介紹

1、淺論領域高性能計算的引進及應用情況介紹 【關鍵詞】 中醫(yī)藥高性能計算；科研工具；計算機科學高性能計算是計算機科學的一個分支,研究并行算法和開發(fā)相關軟件,致力于開發(fā)高性能計算機。在科學技術迅猛發(fā)展的今天,高性能計算已經成為科學技術發(fā)展和重大工程設計中具有戰(zhàn)略意義的研究手段,它與傳統(tǒng)的理論研究和實驗室實驗一起構成了現代科學技術和工程設計中互相補充、互相關聯的研究方法,提高了科學研究的能力,促進和推動了現代科學與工程技術的發(fā)展。美國等發(fā)達國家在高性能計算方面發(fā)展很快,并一直把它作為國家戰(zhàn)略給予高度重視,在國家層面予以組織實施。目前,高性能計算在國內外很多領域已經取得了大量應用成果。在生命科學領域,高

2、性能計算在探究基因奧秘、蛋白質結構、生物信息以及醫(yī)藥設計等方面已經成為不可或缺的輔助工具；此外,將生命科學和信息科學進行結合,從而為生物醫(yī)學提供有價值的信息作為參考依據更是被一些主流研究機構視為重要的應用。目前,我國的高性能計算雖然與發(fā)達國家相比還有很大的差距,但在很多的科技領域已經通過有效地引進和運用高性能計算取得了很多的科研成果。 鑒于目前高性能計算在國內外的快速發(fā)展和廣泛應用,中國中醫(yī)科學院中醫(yī)藥信息研究所在2007年10月購置和引進了中醫(yī)藥行業(yè)第一套高性能計算系統(tǒng)曙光TC 2600刀片服務器。該系統(tǒng)具有50個計算節(jié)點,2個數據庫節(jié)點,1個I/O節(jié)點,1個管理節(jié)點,一個登陸節(jié)點,共計55

3、個節(jié)點,存貯達4 T容量,峰值浮點計算能力11 800億次/s,實測并行性能8 600億次/s。在2007年12月完成了設備的驗貨、安裝、調試、測試、驗收,目前已經測試運行了Linpack、PMB、IOzone、Stream等程序,以及生物計算領域的VASP應用程序；安裝了中國科學院計算技術研究所開發(fā)的網格軟件GOS3.0,目前正在與浙江大學計算機系合作進行中醫(yī)藥網格的研制和開發(fā)工作。 系統(tǒng)硬件配置：曙光TC 2600刀片服務器,2*AMD Opteron 2218雙核CPU,4 GB內存；80 G硬盤,千兆以太網卡,共50臺刀片機組成；I/O管理節(jié)點2臺；登錄節(jié)點1臺；數據庫節(jié)點2臺,4*A

4、MD Opteron 8214雙核,16 G內存,73 G硬盤兩塊；Infiniand 10 G網絡1套；磁盤陣列：300 GB FC硬盤8塊,500 GB SATAII硬盤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)調度系統(tǒng)(DPBS/Torque)1套；雙機高可用軟件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)是目前我國中醫(yī)藥行業(yè)引進的第一套高性能計算設備,由于中醫(yī)藥行業(yè)的獨特性,目前國內外還沒有這方面成熟的行業(yè)應用經驗可供參考,如何使高性能計算盡快成功應用于中醫(yī)藥行業(yè),目前還面臨著許多開創(chuàng)性的工作。希望能夠通過借鑒目前國內生物醫(yī)學領域的一些成功應用,為加快高性能計算在中醫(yī)藥行業(yè)的應用、普及和提高提供些有益的幫助和借鑒。 上海超級計算中心：上海超級計算

6、中心成立于2000年12月,由上海市政府投資建設,座落于浦東張江高科技開發(fā)園區(qū)內,是國內第一個面向社會開放,資源共享、設施一流、功能齊全的高性能計算公共服務平臺,目前已經在氣象預報、藥物設計、生命科學、汽車、新材料、土木工程、物理、化學、航空、航天、船舶等多個應用領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：中國科學院上海藥物研究所藥物發(fā)現與設計中心成立于2001年,是一個以基因信息和蛋白結構為基礎,以藥物設計、化學合成和現代生物技術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的用于分子生物學和藥物研究的實驗儀器設備,以及SGI(64個CPU)和國產“神威”高性能計算機

7、之外,還擁有最先進的分子模擬和藥物設計軟件,如：InsightII、Catalyst、TOPKAT、Sybyl和DOCK等。此外,他們還利用MDL公司所提供的“藥物數據報道數據庫(MDDR)”、“綜合藥物化學數據庫(CMC)”、“化合物篩選數據庫(ACD-SC)”和自主開發(fā)的“中國天然產物數據庫(CNPD)”等數據庫,建立了超過250萬個化合物的大型藥物虛擬篩選數據系統(tǒng)。在抗SARS科研攻關中,他們參加了抗SARS的藥物研究,在探索SARS病毒的致病機理、藥物設計、虛擬篩選和分子水平篩選的工作中高性能計算發(fā)揮了非常重要的作用。 此外,中國科學院院上海藥物研究所沈建華等學者密切注意國際網格技術發(fā)

8、展動向,及時組織跨學科、跨科研院所和跨地區(qū)的交叉學科研究隊伍,開展高性能藥物研發(fā)網格技術研究,該項研究2002年獲得“863”計劃“高性能計算機及其核心軟件專項”的支持,研究人員針對高通量虛擬篩選計算量和數據量大的特點,開展了藥物設計網格的各種關鍵技術的研究,建立了“新藥研發(fā)應用網格”技術平臺。目前,上海、北京和香港地區(qū)的多個超級計算機和計算機機群等計算資源已經加入這一平臺,形成了超過每秒萬億次浮點運算能力的應用網格系統(tǒng)。上海藥物研究所將自己開發(fā)的高通量虛擬篩選軟件進行了異機(不同型號的計算機之間)并行化,安裝在該技術平臺上；同時,在該平臺上還安裝了含有120萬個化合物信息的數據庫和各類藥物靶

9、標蛋白結構數據庫,在該平臺上開展了多項國際合作研究。新藥研發(fā)網格的建立,為真正實現公共計算和數據資源的共享奠定了基礎,對創(chuàng)新藥物研究具有重要的意義。 國家新藥篩選中心：國家新藥篩選中心應用先進的高通量和高內涵藥物篩選技術,對我國特有的化合物樣品庫(包括中藥在內的天然產物)在高性能計算平臺上實施大規(guī)模隨機篩選。在對篩選發(fā)現的活性化合物進行結構優(yōu)化改造的基礎上,開發(fā)治療腫瘤、中樞神經系統(tǒng)疾病和代謝性疾病的原創(chuàng)新藥。該中心在國際合作方面不斷取得進展,如在與瑞士actelion 醫(yī)藥公司的合作中發(fā)現了一個至今尚未見報道的神經調節(jié)膚 u-1受體選擇性小分子激動劑；與日本田邊制藥株式會社開展原創(chuàng)藥物篩選合

10、作研究中發(fā)現了一個具有高度生物活性、結構全新的煙堿型乙酰膽堿受體的小分子調節(jié)劑；與美國celloinks公司建立了戰(zhàn)略伙伴關系,建立了我國首個具有國際先進水平的高內涵藥物篩選技術平臺并投入實用。這些成績不僅提升了我國新藥研究的技術水平和國際知名度,而且為相關先導化合物的下游開發(fā)奠定了堅實的基礎。 復旦張江新藥篩選及評價研發(fā)平臺：在新藥篩選及評價研發(fā)平臺的基礎上,復旦張江與中國藥物研發(fā)領域的頂級機構之一中國科學院藥物研究所合作成立了“上海先導藥業(yè)有限公司”。為了更加快速主動地尋找有可能成為新藥的化合物,復旦張江在技術上利用計算化學、組合化學等高效篩選技術建立了不同層次的藥物篩選和評價模型,在高性

11、能計算平臺上對有可能成為新藥的化合物進行篩選和評價,成功建立了新藥篩選及評價研發(fā)平臺。 華中科技大學浪潮高性能生物信息中心：2003年華中科技大學由浪潮北京電子信息產業(yè)公司捐助建設的“華中科技大學-浪潮高性能生物信息中心”正式啟用,該中心引進了亞太區(qū)第一套基于Infiniband高速互聯技術的浪潮天梭TS10000高性能系統(tǒng),主要用于生物信息學中的科學計算、模擬和可視化研究,構建大型生物信息數據中心。 北京生物醫(yī)學研究所：北京生物醫(yī)學院研究所與高性能計算廠商蜆殼星盈合作,引入了星盈億萬次實時協(xié)作式超級刀片計算機系統(tǒng)并建立了具備國際領先水平的生物科學超級計算和研究中心,為科研人員的研究課題提供了

12、強大計算服務平臺。 中國科學院昆明動物研究所：昆明動物研究所是中國科學院所屬的20多個生物類研究所之一,也是國內一流的動物研究機構之一。他們購置了一套曙光峰值運算能力為2.75萬億/s的高性能計算系統(tǒng),幫助研究所打造我國生物資源和生物多樣性研究基地。 北京放射醫(yī)學院研究所：北京放射醫(yī)學院研究所與國內知名刀片高性能計算服務器廠商蜆殼星盈合作,引入了星盈億萬次實時協(xié)作式超級刀片計算機系統(tǒng),并建立了具備國際領先水平的生物科學超級計算和研究中心,為科研人員的研究課題提供了強大計算服務平臺。 北京生命科學研究所：北京生命科學研究所由科技部、發(fā)改委、教育部、中國科學院等8個部委共同籌建,主要從事生物大分子

13、方面的研究,發(fā)表在科學、自然、細胞等生命科研領域的國際頂尖雜志上的論文數量居國內首位。目前對生物大分子進行深入研究,從原子水平上來掌握生物大分子的三維結構和生物功能之間的關系,并在此基礎上進行藥物設計,是近年國際生物醫(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結構最復雜的分子,一個生物大分子及其環(huán)境組成的系統(tǒng)往往包括幾萬至幾十萬個原子,高性能計算的應用在研究中起到重要的作用。他們購置了擁有102個節(jié)點的浪潮天梭高性能集群,通過該計算平臺,利用上百個節(jié)點進行并行計算可提高模擬效率幾十倍,過去利用單機工作站幾天才能完成的實驗模擬,現在幾個小時就可以完成,大大提高了科研的進

14、度。 北京大學生命學院：以北京大學生命學院為龍頭的一些生物科研機構已經加入了有關的國際組織,并在網格上分享現代生物信息資源,開展了應用高性能網格計算建立生物信息學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,該中心長期致力于基因組學、蛋白質組學、生物信息學方面的研究,目前所從事的基因組測序與組裝、基因預測、基因功能分析等課題,都是超大規(guī)模的海量計算。有些計算任務如果使用現有的計算機需要1個月,甚至1年的時間才能完成,所以只有引進高性能計算產品才能滿足研究中心的計算任務。華大研究中心使用了與中國科學院計算所聯合研制,專門為生物信息學研究使用的“曙光4000 H”高性能計算系統(tǒng),以及IBM、Sun等廠商的高性能計算產品,他們利用這些高性能計算系統(tǒng)完成了1%人類基因組計劃、超級雜交水稻基因組測序等諸多科研項目。 北京醫(yī)學信息研究所：北京醫(yī)學信息研究所與蜆殼星盈合作建立了生物醫(yī)學超級計算與研究中心,引進了一套星盈萬億次實時協(xié)作式超級刀片計算機系統(tǒng),研究人員在超級刀片計算平臺,使用Blat、EstAlign等程序研究基因轉錄和可變剪接等問題時,利用56個計算節(jié)點并行運行Blat,僅耗時7.5 h就可完成UniGene數據庫中五百多萬條人類EST序列對基因組數據庫的比對,而相同的任務若在一般的服務器上用雙CPU的PC服務器需要3周時間。 通